Como funcionam os motores Stirling

Foto cedida pela American Stirling Company Este motor pode funcionar usando apenas o calor da sua mão. Veja fotos de motores.

O motor Stirling é um motor térmico muito diferente do motor de combustão interna do seu carro. Inventado por Robert Stirling em 1816, o motor Stirling tem potencial para ser muito mais eficiente do que um motor a gasolina ou diesel. Mas hoje, os motores Stirling são usados ​​apenas em algumas aplicações muito especializadas, como em submarinos ou geradores de energia auxiliares para iates, onde a operação silenciosa é importante. Embora não tenha havido uma aplicação bem-sucedida no mercado de massa para o motor Stirling, alguns inventores de alta potência estão trabalhando nisso.

Um motor Stirling usa o Ciclo de Stirling,- que é diferente dos ciclos usados ​​em motores de combustão interna.

• Os gases usados ​​dentro de um motor Stirling nunca saem do motor. Não há válvulas de escape que liberem gases de alta pressão, como em um motor a gasolina ou diesel, e não há explosões ocorrendo. Por causa disso, os motores Stirling são muito silenciosos.
• O ciclo de Stirling usa uma fonte externa de calor, que pode ser qualquer coisa, desde gasolina e energia solar até o calor produzido por plantas em decomposição. Nenhuma combustão ocorre dentro dos cilindros do motor.

Existem centenas de maneiras de montar um motor Stirling. Neste artigo, vamos aprender sobre o ciclo de Stirling e ver como duas configurações diferentes deste motor funcionam.

Conteúdo

1. O Ciclo Stirling
2. Motor Stirling tipo deslocador
3. Motor Stirling de dois pistão
4. Por que os motores Stirling não são mais comuns?

O princípio fundamental de um motor Stirling é que uma quantidade fixa de um gás é selada dentro do motor. O ciclo de Stirling envolve uma série de eventos que alteram a pressão do gás dentro do motor, fazendo-o funcionar.

Existem várias propriedades de gases que são críticas para o funcionamento dos motores Stirling:

• Se você tiver uma quantidade fixa de gás em um volume fixo de espaço e aumentar a temperatura desse gás, a pressão aumentará.
• Se você tiver uma quantidade fixa de gás e comprimi-la (diminuir o volume do seu espaço), a temperatura desse gás aumentará.

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Vamos examinar cada parte do ciclo de Stirling enquanto olhamos para um motor Stirling simplificado. Nosso motor simplificado usa dois cilindros. Um cilindro é aquecido por uma fonte externa de calor (como fogo) e o outro é resfriado por uma fonte externa de resfriamento (como gelo). As câmaras de gás dos dois cilindros são conectadas, e os pistões são conectados um ao outro mecanicamente por uma ligação que determina como eles se moverão em relação um ao outro.

O ciclo de Stirling tem quatro partes. Os dois pistões na animação acima realizam todas as partes do ciclo:

1. O calor é adicionado ao gás dentro do cilindro aquecido (à esquerda), causando o aumento da pressão. Isso força o pistão a se mover para baixo. Esta é a parte do ciclo de Stirling que faz o trabalho.
2. O pistão esquerdo se move para cima enquanto o pistão direito se move para baixo. Isso empurra o gás quente para o cilindro resfriado, que resfria rapidamente o gás até a temperatura da fonte de resfriamento, baixando sua pressão. Isso torna mais fácil comprimir o gás na próxima parte do ciclo.
3. O pistão no cilindro resfriado (direita) começa a comprimir o gás. O calor gerado por esta compressão é removido pela fonte de resfriamento.
4. O pistão direito se move para cima enquanto o pistão esquerdo se move para baixo. Isso força o gás para o cilindro aquecido, onde aquece rapidamente, aumentando a pressão, ponto no qual o ciclo se repete.

O motor Stirling só gera potência durante a primeira parte do ciclo. Existem duas maneiras principais de aumentar a produção de energia de um ciclo de Stirling:

• Aumente a potência de saída no estágio um - Na primeira parte do ciclo, a pressão do gás aquecido empurrando contra o pistão realiza o trabalho. Aumentar a pressão durante esta parte do ciclo aumentará a saída de potência do motor. Uma forma de aumentar a pressão é aumentando a temperatura do gás. Quando dermos uma olhada em um motor Stirling de dois pistão posteriormente neste artigo, veremos como um dispositivo chamado de regenerador pode melhorar a potência do motor, armazenando temporariamente calor.
• Diminua o uso de energia no estágio três - Na parte três do ciclo, os pistões realizam trabalho no gás, usando parte da energia produzida na parte um. Abaixar a pressão durante esta parte do ciclo pode diminuir a potência usada durante esta fase do ciclo (aumentando efetivamente a potência de saída do motor). Uma maneira de diminuir a pressão é resfriar o gás a uma temperatura mais baixa.

Esta seção descreveu o ciclo de Stirling ideal. Os motores em funcionamento real variam ligeiramente o ciclo devido às limitações físicas de seu projeto. Nas próximas duas seções, daremos uma olhada em alguns tipos diferentes de motores Stirling. O motor do tipo deslocador é provavelmente o mais fácil de entender, então vamos começar por aí.

Agradecimentos especiais

Agradecimentos especiais a Brent Van Arsdell da American Stirling Company por sua ajuda com este artigo.

Em vez de ter dois pistões, um motor do tipo deslocador tem um pistão e um deslocador. o deslocador serve para controlar quando a câmara de gás é aquecida e quando é resfriada. Este tipo de motor Stirling às vezes é usado em demonstrações em sala de aula. Você pode até comprar um kit para construir um sozinho!

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Para funcionar, o motor acima requer um diferença de temperatura entre o topo e a base do cilindro grande. Nesse caso, a diferença entre a temperatura da sua mão e o ar ao seu redor é suficiente para ligar o motor.

Na figura desta página, você pode ver dois pistões:

1. o pistão de potência - Este é o pistão menor na parte superior do motor. É um pistão hermeticamente fechado que se move para cima conforme o gás dentro do motor se expande.
2. o deslocador - Este é o grande pistão do desenho. Este pistão é muito solto em seu cilindro, então o ar pode se mover facilmente entre as seções aquecidas e resfriadas do motor conforme o pistão se move para cima e para baixo.

O deslocador se move para cima e para baixo para controlar se o gás no motor está sendo aquecido ou resfriado. Existem duas posições:

• Quando o deslocador está próximo ao topo do cilindro grande, a maior parte do gás dentro do motor é aquecido pela fonte de calor e se expande. A pressão aumenta dentro do motor, forçando o pistão de potência para cima.
• Quando o deslocador está próximo ao fundo do cilindro grande, a maior parte do gás dentro do motor esfria e se contrai. Isso faz com que a pressão caia, tornando mais fácil para o pistão de força se mover para baixo e comprimir o gás.

O motor aquece e resfria repetidamente o gás, extraindo energia da expansão e contração do gás.

A seguir, vamos dar uma olhada em um motor Stirling de dois pistão.

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Neste motor, o cilindro aquecido é aquecido por uma chama externa. O cilindro resfriado é resfriado a ar e possui aletas para auxiliar no processo de resfriamento. Uma haste saindo de cada pistão é conectada a um pequeno disco, que por sua vez é conectado a um volante maior. Isso mantém os pistões em movimento quando nenhuma energia está sendo gerada pelo motor.

A chama aquece continuamente o cilindro inferior.

1. Na primeira parte do ciclo, a pressão aumenta, forçando o pistão a se mover para a esquerda, fazendo o trabalho. O pistão resfriado permanece aproximadamente estacionário porque está no ponto de sua revolução onde muda de direção.
2. No próximo estágio, ambos os pistões se movem. O pistão aquecido se move para a direita e o pistão resfriado se move para cima. Isso move a maior parte do gás através do regenerador e no pistão resfriado. O regenerador é um dispositivo que pode armazenar calor temporariamente - pode ser uma malha de arame por onde passam os gases aquecidos. A grande área de superfície da tela de arame absorve rapidamente a maior parte do calor. Isso deixa menos calor a ser removido pelas aletas de resfriamento.
3. Em seguida, o pistão no cilindro resfriado começa a comprimir o gás. O calor gerado por esta compressão é removido pelas aletas de resfriamento.
4. Na última fase do ciclo, os dois pistões se movem - o pistão resfriado se move para baixo enquanto o pistão aquecido se move para a esquerda. Isso força o gás através do regenerador (onde ele pega o calor que foi armazenado lá durante o ciclo anterior) e para o cilindro aquecido. Neste ponto, o ciclo começa novamente.

Você pode estar se perguntando por que ainda não existem aplicações de mercado de massa para os motores Stirling. Na próxima seção, veremos algumas das razões para este.

Existem algumas características principais que tornam os motores Stirling impraticáveis ​​para uso em muitas aplicações, incluindo na maioria dos carros e caminhões.

Porque a fonte de calor é externa, demora um pouco para o motor responder às mudanças na quantidade de calor aplicada ao cilindro - leva algum tempo para que o calor seja conduzido através das paredes do cilindro e para o gás dentro do motor. Isso significa que:

• O motor requer algum tempo para aquecer antes de poder produzir potência útil.
• O motor não pode mudar sua potência de saída rapidamente.

Essas deficiências quase garantem que ele não substituirá o motor de combustão interna dos carros. No entanto, um carro híbrido com motor Stirling pode ser viável.

Para mais informações sobre os motores Stirling e tópicos relacionados, verifique os links na próxima página.

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Mais ótimos links

• American Stirling Company
• Stirling Engine Society EUA
• Planos de motor da lata de lata Stirling
• Página inicial do Stirling Engine
• AirSport: Motor Stirling: A Central de Aeronaves do Futuro
• O motor Idaho Stirling