Motor Stirling Cycle

---

Antecedentes

Um motor é uma máquina que converte energia em trabalho útil:queimar carvão para girar o eixo de transmissão de um gerador de usina, por exemplo. O motor mais comum em produção hoje é o motor de automóvel movido a gasolina. Outros motores comuns são o motor a diesel usado em caminhões pesados ​​e alguns carros de passageiros, a turbina a vapor que gera eletricidade em usinas de energia, o motor a jato usado para impulsionar aeronaves e o motor a gasolina de dois tempos usado para alimentar aparelhos menores, como cortadores de grama. Cada um desses motores converte o calor gerado pela queima de um combustível fóssil em trabalho útil.

Energia é a capacidade de trabalhar. As duas quantidades estão relacionadas e têm as mesmas unidades, mas a energia não pode ser totalmente convertida em trabalho. Se usado para abastecer um fogão, por exemplo, 1 gal (3,8 1) de gasolina contém energia química suficiente para ferver aproximadamente 14 gal (53 1) de água em condições padrão. No entanto, se esse mesmo galão de gasolina fosse colocado em um gerador portátil (que transformaria a gasolina em trabalho e o trabalho em eletricidade) e se a eletricidade fosse usada para ferver água em um fogão elétrico, é improvável que mais de 3 gal (11,4 1) de água poderiam ser fervidos antes que o gerador ficasse sem combustível.

O motivo pelo qual o fogão elétrico não pode ferver tanta água quanto um fogão a gasolina é que os motores não são 100% termicamente eficientes na conversão de calor em trabalho - eficiência térmica significando a quantidade de trabalho útil produzido dividido pela energia fornecida ao motor. É por isso que um fogão a gás ou uma secadora de roupas são mais baratos de operar do que um eletrodoméstico equivalente. No caso do gerador portátil, parte da energia da gasolina acabaria nos gases de escapamento do motor, parte seria desperdiçada no aquecimento do gerador e parte seria desperdiçada internamente à medida que as partes móveis dentro do gerador se esfregavam, convertendo energia mecânica em calor de fricção.

A ciência que estuda como o calor é acionado em um motor para criar trabalho é chamada de termodinâmica, do grego therme (calor) e dynamis (potência). Um ciclo que converte calor em trabalho é conhecido como ciclo termodinâmico. Um motor de automóvel movido a gasolina usa o Ciclo Otto. Um motor a diesel usa o Ciclo Diesel. Uma máquina a vapor, ou usina a vapor, usa o Ciclo Rankine. Nenhum desses ciclos pode ser usado para converter completamente energia em trabalho. Isso ocorre porque todos eles têm que rejeitar o calor para o meio ambiente. Uma usina ou máquina a vapor precisa condensar o vapor para enviar a água de volta à caldeira (perdendo energia). Um motor de automóvel deve rejeitar os gases de escape quentes, contendo uma quantidade considerável de energia, para fora do tubo de escape. O ciclo prático mais termicamente eficiente para converter calor em trabalho é o Ciclo de Stirling. O Ciclo de Stirling é o motor com maior eficiência térmica porque ele desperdiça (ou rejeita) a menor quantidade de calor para o meio ambiente pela quantidade de trabalho que produz de qualquer motor. Um motor que usa o Stirling Cycle é conhecido como motor Stirling Cycle. Um motor Stirling Cycle pode ser usado para alimentar um carro, caminhão ou avião, ou para gerar eletricidade. Ele fará esse trabalho com menos energia do que um motor Otto, Diesel ou Ciclo Rankine comparável faria.

História

O primeiro motor prático foi o motor a vapor patenteado por James Watt em 1769. O motor de Watt converteu energia em trabalho usando o vapor de caldeiras a carvão. O motor Watt consistia em uma caldeira, um pistão contido em um cilindro, um condensador refrigerado a água, uma bomba de água, encanamentos e conduítes para mover a água e o vapor ao redor do motor e ligações que convertiam o movimento para cima e para baixo do pistão em movimento circular em um eixo de transmissão. O eixo de transmissão pode ser usado para vários usos, como fornecer energia a um moinho ou bombear água de uma mina de carvão.

O motor de Watt usava um ciclo termodinâmico de quatro etapas para criar trabalho. O ciclo começou com uma abertura de válvula para permitir que o vapor sob pressão flua para o cilindro. À medida que o vapor se expandia no cilindro, ele pressionava o pistão, produzindo trabalho útil. Quando o pistão atingiu o fundo do cilindro, a válvula que permitia a entrada do vapor no cilindro foi fechada e uma válvula entre o cilindro e o condensador aberta. Como o condensador estava a uma pressão muito mais baixa do que a do cilindro, ele literalmente sugou o vapor para dentro do condensador. Conforme o vapor foi retirado do cilindro, o pistão foi puxado junto com o vapor, retornando o pistão ao seu local inicial, onde estava pronto para criar mais trabalho. Depois que o vapor do condensador foi completamente transformado em água, a água foi bombeada de volta para a caldeira, onde foi convertida de volta em vapor, completando o ciclo.

A ineficiência térmica neste ciclo é que ainda sobra muita energia no vapor quando é enviado para o condensador. No entanto, dificilmente qualquer desta energia pode ser recuperada porque o vapor não pode ser bombeado de volta para a caldeira sem realizar uma grande quantidade de trabalho nela; freqüentemente mais trabalho do que o calor que é perdido no condensador. O vapor deve ser convertido em água antes de ser bombeado para a caldeira. Assim, grande parte do calor fornecido pela queima do carvão é perdido.

A máquina a vapor tornou possível o mundo industrial moderno, mas tinha suas desvantagens. A mistura de água fria e vapor em conjunto com a metalurgia primitiva levava a freqüentes explosões de caldeiras. A perda de vidas resultante foi o fator motivador que levou o reverendo Robert Stirling (além de ser um dos mais importantes engenheiros de sua época, ele também era um ministro ordenado da Igreja da Escócia) a desenvolver um motor que usava ar em vez de vapor para acionar seu pistão. Como subproduto, o motor do Stirling era muito mais eficiente termicamente do que o motor de Watt, principalmente porque não exigia a condensação do vapor durante o ciclo. Embora o motor de Stirling fosse muito mais seguro, a tecnologia da época não permitia a fabricação de motores Stirling com mais do que alguns cavalos de força (quilowatts).

O motor de Stirling nunca pegou no século XIX. Os combustíveis fósseis eram abundantes e a metalurgia melhorou a ponto de as máquinas a vapor não serem mais tão perigosas. Portanto, a vantagem de eficiência térmica inerente do Ciclo de Stirling não foi um motivador suficiente para superar os desafios de design significativos que enfrentaram os engenheiros que desejavam construir motores do Ciclo de Stirling mais potentes. No século XX, o motor de combustão interna - operando no Ciclo Otto - dominou o mundo industrial porque era mais barato de construir do que um motor do Ciclo Stirling e porque os combustíveis fósseis ainda eram abundantes e com preços razoáveis. No entanto, os projetistas de motores nunca se esqueceram de que o Stirling Cycle é o ciclo termodinâmico mais eficiente do ponto de vista térmico e continuaram a projetar motores que o utilizam. Hoje, os motores Stirling Cycle são usados ​​para produzir a maior parte do ar liquefeito feito em laboratórios de pesquisa. Eles também são usados ​​em satélites meteorológicos e espiões e pela Marinha Sueca para fornecer energia a alguns de seus submarinos.

Matérias-primas

O motor Stirling Cycle pode ser feito de uma variedade de metais. O bloco do motor é geralmente feito de ferro fundido dúctil ou uma liga de alumínio fundido (alumínio e silício, normalmente). Muitas das peças internas (manivelas e pistões) também são feitas de ferro fundido dúctil ou alumínio, mas alguns dos componentes que requerem maior resistência podem ser fabricados em aço-ferramenta S-7 de alta resistência. As juntas e vedações são feitas de Lexan, Neoprene ou borracha natural. O motor é abastecido com hélio ou ar pressurizado, denominado fluido de trabalho. O componente que transfere calor da fonte de calor para o fluido de trabalho deve suportar temperaturas muito altas e constantes. Pode ser feito de aço de alta resistência ou um material composto de cerâmica, como carboneto de silício (SiC).

Design

O projeto do motor Stirling Cycle é uma fusão complexa de termodinâmica, análise de transferência de calor, análise vibratória, dinâmica mecânica, resistência dos materiais e projeto da máquina. A termodinâmica é usada para dimensionar o motor e selecionar a temperatura na qual ele irá operar. A análise de transferência de calor é necessária para determinar como o calor será transferido da fonte de calor para o fluido de trabalho e como os componentes do motor serão projetados para suportar esse fluxo de calor. A análise vibratória é usada para equilibrar o motor para uma operação suave. A dinâmica mecânica é necessária para calcular as tensões induzidas nos componentes individuais do motor. A análise da resistência dos materiais é necessária para determinar o tamanho dos componentes individuais do motor, de modo que possam suportar o estresse induzido. O projeto da máquina é necessário para traduzir o ciclo termodinâmico em um motor funcional. Cada um desses requisitos de design envolve uma quantidade enorme de análises.

O motor do Stirling Cycle é semelhante a um motor a vapor. Ambos têm pistões e cilindros, e ambos são motores de combustão externa, pois a queima do combustível ocorre fora do motor. A primeira grande diferença entre os dois motores é que o motor Stirling Cycle usa um gás (ar, hidrogênio ou hélio, geralmente) em vez de água e vapor como fluido de trabalho, o fluido que move o pistão e cria trabalho. Outra diferença importante é que o motor Stirling Cycle tem dois cilindros, ou espaços, um para a expansão do fluido de trabalho e outro para a compressão do fluido de trabalho, enquanto uma máquina a vapor tem apenas um cilindro. No entanto, a diferença mais importante entre os dois motores é que, em vez de desperdiçar o excesso de calor em um condensador, o motor do Ciclo Stirling completa seu ciclo termodinâmico, armazenando o excesso de calor para uso no ciclo seguinte. Por causa disso, o motor Stirling Cycle não é apenas o motor mais termicamente eficiente que existe, é o motor mais termicamente eficiente que pode haver. Um automóvel típico tem uma eficiência térmica de cerca de 30%. Uma usina a carvão pode ser 45% eficiente. Um motor a diesel muito grande pode ter uma eficiência térmica de 50%. A eficiência térmica máxima teórica de um motor de ciclo Stirling operando a uma temperatura de combustão de 2.500 ° F (1.370 ° C) seria de cerca de 78%. Claro, ninguém foi capaz de construir um motor Stirling Cycle com algo próximo a essa eficiência térmica. Até o momento, os engenheiros não foram capazes de superar os problemas significativos de projeto apresentados pela realização do ciclo de Stirling.

Em uma máquina a vapor, o calor é aplicado a uma caldeira para criar vapor, que é então usado para acionar os pistões. Em um motor de ciclo Stirling, o calor é aplicado na parte externa do cilindro principal do motor, que aquece o ar dentro do cilindro. Esse ar quente se expande, acionando o pistão de força do motor. Uma das principais vantagens de um motor de combustão externa em relação a um motor de combustão interna é que o fluido de trabalho em um motor de combustão externa nunca é exposto a produtos de combustão e, portanto, permanece muito mais limpo. Além disso, como o calor pode ser criado de uma maneira controlada fora do motor de ciclo rápido, o motor Stirling Cycle produz menos de 5% dos óxidos nitrosos que criam fumaça produzidos por um motor de combustão interna para a mesma saída de trabalho.

O Ciclo Stirling consiste em quatro etapas, assim como o ciclo Rankine da máquina a vapor. No entanto, em vez de mover o fluido de trabalho da caldeira para o cilindro para o condensador para a caldeira, o motor do Ciclo de Stirling move o fluido de trabalho de um espaço de expansão em uma alta temperatura para um trocador de calor regenerativo para o espaço de compressão em baixa temperatura e vice-versa. O fluido de trabalho é movido por causa das diferenças de temperatura entre os lados quente e frio do motor. O lado quente é aquecido, por meio da queima de resíduos, por exemplo. O lado frio é simplesmente o lado que não é aquecido, é apenas frio em relação ao lado quente. A chave do processo é o trocador de calor regenerativo. É denominado regenerativo porque armazena calor em uma parte do ciclo e o devolve na próxima.

Começando no início do curso de energia, as quatro etapas do Ciclo de Stirling são:O fluido de trabalho está todo contido dentro do espaço de expansão, ele adsorve calor da fonte externa de calor, o que faz com que ele se expanda, pressionando o pistão de energia e o deslocador, produzindo trabalho; o pistão de força está estacionário enquanto o deslocador, um pistão que transporta o fluido de trabalho entre os espaços do motor, mas não funciona, se move para cima, empurrando o fluido de trabalho do espaço de expansão para o espaço de compressão. No caminho, a maior parte do calor remanescente no fluido de trabalho que não foi convertido em trabalho, é transferido para o trocador de calor regenerativo; com o pistão de trabalho fixado no topo do cilindro principal, o fluido de trabalho é comprimido no espaço de compressão de volta ao volume original, o que requer a rejeição de algum calor para o lado frio do motor, uma fonte de calor perdido e, portanto, perdido eficiência térmica; o fluido de trabalho é passado de volta através do trocador de calor regenerativo, onde recupera uma grande parte do calor armazenado, e para o espaço de expansão onde está pronto para ser expandido novamente pela fonte de calor externa para realizar o trabalho.

Os vários movimentos do pistão de força e do deslocador (às vezes, eles se movem juntos para processos de volume constante, enquanto outras vezes um fica estacionário enquanto o outro se move para compressões e expansões) são controlados por um acionamento rômbico.

O processo de fabricação

Fabricação de componentes

• 1 Os blocos do motor e os pistões são fabricados como fundição. Aço fundido ou alumínio é derramado em um molde oco que tem a forma do produto final desejado e pode esfriar. Um bloco de motor de ciclo Stirling requer espaço para dois cilindros de pistão, um para o pistão de força e um para o pistão do corpo imerso (que move o fluido de trabalho de volta para o cilindro de força), um trocador de calor regenerativo, um virabrequim, uma câmara de combustão e vários passagens para o fluido de trabalho se mover para frente e para trás entre os dois cilindros.
• 2 Assim que a peça fundida esfriar, qualquer material estranho é triturado. Normalmente é necessário terminar os blocos do motor com furos que não poderiam ser fundidos economicamente (devido ao seu tamanho ou geometria complexa) e fresar os cilindros até o diâmetro final desejado. A fresagem é necessária A. Fonte de calor. B. Trocador de calor regenerativo. C. Deslocador. D. Pistão de trabalho. E. Unidade rômbica. F. Caixa de manivela. G. Biela do deslocador. H. Virabrequim. 1. Selos de gás. J. Espaço de expansão onde o fluido de trabalho é aquecido. por causa da tolerância fina exigida entre o pistão e o cilindro.
• 3 O virabrequim e as bielas são fabricados por forjamento ou fundição. No forjamento, um pedaço de estoque de metal - chamado de tarugo - é colocado entre duas matrizes (as matrizes são moldes feitos de aço ferramenta de alta resistência). Um martelo, pesando várias toneladas, é então jogado nas matrizes. O tarugo é geralmente aquecido quase até o ponto de fusão antes do forjamento. O processo de forjamento pode ser realizado em várias etapas usando diferentes matrizes para obter a forma final. A fundição é feita através do preenchimento de um molde oco com metal fundido. O metal pode ser ferro dúctil, aço, alumínio ou uma liga.
• 4 Os componentes do motor são usinados para atingir as tolerâncias finais. A modelagem final geralmente é feita em um torno. O virabrequim / biela / pistão é girado enquanto os cortadores (feitos de um material mais duro do que a peça que está sendo usinada) avançam sobre a peça giratória para remover o excesso de metal. Tornos modernos controlados por computador podem facilmente atingir tolerâncias de 0,0025 mm (0,0001 pol.). Uma fresadora, na qual a peça é estacionária e a ferramenta de corte gira, é usada para cortar quaisquer orifícios, fendas ou canais necessários na peça final.
• 5 O trocador de calor regenerativo é fabricado inserindo milhares de fios de aço finos através de uma placa de aço. Conforme o fluido de trabalho se move do cilindro principal para o cilindro auxiliar, ele libera seu calor para esses pinos. Os pinos mais próximos do cilindro principal serão os mais quentes. Os pinos mais próximos do cilindro auxiliar serão os mais frios.
• 6 Qualquer fonte de calor, solar ou de combustão, pode ser usada para alimentar um motor de ciclo Stirling. Independentemente da fonte, o calor é concentrado em uma câmara diretamente adjacente ao pistão de trabalho. O ciclo do motor remove parte desse calor e o cobre para o trabalho. Como o motor do Ciclo de Stirling é um motor de combustão externa, o calor de entrada pode ser constante (ao contrário do calor gerado em um motor de combustão interna que é produzido em uma série de explosões). Porém, como o calor é constante, os componentes do motor em contato com a fonte de calor devem ser projetados para suportar altas temperaturas por um longo período de tempo.

Montagem

• 7 O virabrequim é inserido no bloco do motor e preso lá com rolamentos. Os rolamentos permitem que o virabrequim gire dentro do bloco do motor sem gerar calor excessivo de atrito. Os rolamentos são fixados ao bloco do motor pressionando (o diâmetro externo do rolamento é ligeiramente maior do que o diâmetro interno do orifício no bloco do motor). Forçando o rolamento no bloco do motor, o rolamento é firmemente fixado ao bloco.
• 8 Os pistões e as bielas são colocados nos cilindros e presos ao virabrequim por baixo usando parafusos de alta resistência e arruelas de pressão. Os parafusos são apertados usando um torque predeterminado.
• 9 O trocador de calor regenerativo é inserido no conduíte que flui entre o cilindro principal e o cilindro auxiliar e aparafusado no lugar.
• 10 As cabeças dos cilindros são parafusadas na parte superior do motor, uma tampa de acesso é parafusada na parte inferior do motor. As juntas são usadas entre o bloco do motor e as tampas para fornecer uma vedação eficaz. A câmara da fonte de calor está embutida na tampa do cilindro principal.
• 11 O fluido de trabalho é bombeado para o motor. O fluido de trabalho geralmente é hélio pressurizado.

Subprodutos / resíduos

O motor do Ciclo de Stirling produz um trabalho muito mais útil do que um motor de combustão interna pela quantidade de gases de efeito estufa e produtos químicos produtores de fumaça que emite. O motor também pode ser usado para recuperar o calor que de outra forma seria desperdiçado, como o gás de aterro que simplesmente queimava para se livrar dele. Assim, no geral, o motor é amigo do ambiente. Ao aproveitar o calor solar em motores de ciclo Stirling, a eletricidade pode ser produzida em áreas sem acesso à rede elétrica sem a necessidade de células fotovoltaicas.

O Futuro

O futuro do motor Stirling Cycle é muito promissor. Se os engenheiros pudessem projetar e produzir em massa um pequeno e confiável motor Stirling Cycle, não haveria necessidade de energia nuclear ou usinas de queima de combustível fóssil. A maior parte da energia elétrica usada nas residências pode ser gerada nas instalações. O motor pode resfriar a casa no verão sem o uso de refrigerantes que destroem a camada de ozônio e aquecê-la no inverno. Infelizmente, existem sérias dificuldades práticas de projeto que devem ser superadas antes que o motor Stirling Cycle possa ser amplamente utilizado. O obstáculo de engenharia mais significativo é o projeto da câmara de combustão do motor. Como o motor do Ciclo Stirling opera em temperaturas muito altas, a câmara de combustão não pode ser construída com os mesmos materiais baratos usados ​​para produzir motores de automóveis. O uso de aço inoxidável de alta resistência ou compósitos cerâmicos, além de caro, torna a fabricação do motor extremamente difícil. Outros obstáculos de design não triviais incluem projetar um mecanismo de engrenagem confiável para traduzir os movimentos do pistão do Ciclo Stirling (que são muito complexos em comparação com um motor automotivo de Ciclo Otto padrão) em movimento do virabrequim e vedações projetadas capazes de manter o fluido de trabalho contido dentro do motor.

Onde aprender mais

Livros

Moran, Michael J. e Howard N. Shapiro. Fundamentos da Termodinâmica da Engenharia. 4ª ed. John Wiley and Sons, 2000.

Organ, A. J. Termodinâmica e Dinâmica de Gás da Máquina Stirling. Cambridge University Press, 1992.

Walker, Graham. Motores Stirling. Oxford University Press, 1980.

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel e Edward Bingham. A alternativa de Stirling, sistemas de energia, refrigerantes e bombas de calor. Gordon and Breach Science Publishers, 1996.

Outro

Griessel, Eugene. Pagina inicial. "Animação de um Ciclo de Stirling." 27 de setembro de 2001. .

"Perguntas mais frequentes sobre o Ciclo de Stirling." Página da American Stirling Company. 27 de setembro de 2001. .

Jeff Raines

Visualizador estereóptico Sushi Roll