1. MOTOR STIRLING 1. Introduo O motor Stirling um motor trmico muito diferente do motor de combusto interna dos automveis, por exemplo. Inventado por Robert Stirling em 1816, o motor Stirling mais eficiente do que um motor diesel ou a gasolina. Mas hoje, os motores Stirling so usados somente em alguns casos especficos, como em submarinos ou geradores de energia auxiliar para iates, onde o funcionamento silencioso importante. Apesar do motor Stirling no ter tido grande sucesso comercial, alguns inventores de grande talento trabalham ainda hoje neste motor. O Ciclo Termodinmico Stirling O princpio fundamental de um motor Stirling que uma quantidade fixa de gs encerrada no interior do motor. O ciclo Stirling envolve uma srie de eventos que alteram a presso do gs no interior do motor, fazendo com que ele funcione. H diversas propriedades dos gases que so essenciais para o funcionamento dos motores Stirling: Se houver uma quantidade fixa de gs em um volume fixo de espao e a temperatura desse gs aumentar, a presso tambm aumenta; Se houver uma quantidade fixa de gs e essa for comprimida, diminuindo o volume de seu espao, a temperatura desse gs aumenta. A figura a seguir representa o funcionamento do ciclo Stirling, com suas diversas fases. Figura 1 - Diagrama PxV do Ciclo Stirling

2. Onde: 1-2 Compresso isotrmica (na qual h tambm rejeio de calor). Essa a parte do ciclo Stirling que realiza trabalho. 2-3 Calor transferido ao fluido de trabalho a volume constante. 3-4 Expanso isotrmica (h tambm transferncia de calor ao fluido de trabalho). 4-1 Calor rejeitado a volume constante. Este o ciclo idealizado, vlido para gases perfeitos, que diverge do ciclo real medido por instrumentos. No obstante, encontra-se muito prximo do chamado Ciclo de Carnot, que estabelece o limite terico mximo de rendimento das mquinas trmicas. Figura 2 - Diagrama PxV do Ciclo de Carnot. O MOTOR STIRLING O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas cmaras em diferentes temperaturas que aquecem e resfriam um gs de forma alternada, provocando expanso e contrao cclicas, o que faz movimentar dois mbolos ligados a um eixo comum. O gs utilizado nos modelos mais simples o ar. Hlio ou hidrognio pressurizado (at 15 MPa) so empregados nas verses de alta potncia e rendimento, por serem gases com condutividade trmica mais elevada e menor viscosidade, isto , transportam energia trmica (calor) mais rapidamente e tem menor resistncia ao escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contrrio dos motores de combusto interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor; trata-se, portanto de uma mquina de ciclo fechado. Figura 3 Ilustrao da Patente de Robert Stirling de 1816. 3. Teoricamente, o motor Stirling a mquina trmica mais eficiente possvel. Alguns prottipos construdos pela empresa holandesa Phillips nos anos 50 e 60 chegaram a ndices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e as mquinas a vapor (eficincia entre 20% e 30%). A fim de diminuir as perdas trmicas, geralmente instalado um "regenerador" entre as cmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na cmara fria) fica armazenado para a fase seguinte de aquecimento, incrementando sobremaneira a eficincia termodinmica. H trs configuraes bsicas deste tipo de motor: Alfa - com cilindros em V; Figura 4 Stirling da Philips dos anos 50 Figura 5 Stirling na configurao Alfa 4. Beta - com mbolos coaxiais num mesmo cilindro; Gama - com cilindros em linha. Figura 6 Stirling modelo Beta Figura 7 Stirling modelo Beta na configurao Rmbica Figura 8 Ciclo e modelo Stirling na configurao Gama 5. O motor Stirling um motor trmico que trabalha a partir da energia proveniente da expanso e contrao de um gs e de acordo com a lei dos gases ideais, que relaciona as propriedades do gs: temperatura (T), presso (P) e volume (V) com o nmero de moles (n): PV=nRT Onde R a constante universal dos gases. Ou seja, todo ciclo termodinmico envolve transformaes com a variao de uma destas trs grandezas fundamentais dos gases, que podem ser relacionadas de acordo com a equao. A chamada configurao alfa (figura 2 e 8) do motor Stirling um dos trs principais arranjos espaciais para o ciclo Stirling e, provavelmente, a mais fcil de compreender. tambm a configurao mais adequada para o uso com motores automotivos. A configurao alfa se caracteriza por um arranjo simples de dois cilindros em separado que so conectados em srie por um aquecedor, um regenerador e um arrefecedor ou cooler. claro que essa descrio se constituiu na configurao mais bsica e simples do ciclo Stirling, mas existem motores com configurao alfa de multicilindros. Para o entendimento do ciclo mais fcil utilizar-se a configurao apresentada abaixo. Os seguintes componentes fazem parte deste arranjo: - Regenerador: este componente do motor usado para armazenar o calor durante parte do ciclo e devolv-la ao gs durante o restante do ciclo. A incluso deste componente do motor Stirling aumenta o rendimento, pois com o seu uso o ciclo se torna mais prximo do terico. Desta forma as transformaes ocorrem em temperaturas menos variveis. Ento, o regenerador um trocador de calor composto por uma matriz de tubos ou um metal poroso, ou ainda, simplesmente uma cadeia ou labirinto de finas placas de metal na qual as paredes do metal (aletas) que trocam calor com o gs; - Fluido de trabalho: vrios tipos de gases podem ser utilizados, a seleo adequada do gs depende principalmente de custo e eficincia. O gs completamente isolado das partes mveis do motor em suas cmaras e devem ser consideradas as presses ideais de trabalho, que variam conforme o gs; - Pistes: na configurao alfa mais simples h dois pistes. Cada qual age no lado quente do motor ou no lado frio. So ligados a um virabrequim ou um sistema de alavancas, que determina o tempo necessrio de atuao para o ideal fluxo de gs no motor Stirling; - Aquecedor e cooler: o aquecimento e o arrefecimento do gs devem ocorrer em partes do ciclo. Para aquecer o gs vrias fontes de calor podem ser usadas. A queima de um combustvel, por exemplo, fornece calor ao gs de trabalho que pela expanso retira calor do cooler, por isso tem-se visivelmente o lado quente do motor e o lado frio; Figura 9 Configurao "alfa" do motor Stirling 6. COMO FUNCIONA O MOTOR O ciclo composto por quatro processos termodinmicos seqenciais (ciclo termodinmico ideal). Cada fase do ciclo corresponde a uma transformao termodinmica (processo) do fluido de trabalho (gs). Na realidade as fases no se processam isoladamente, o funcionamento aqui descrito o terico. As fases so listadas em ordem, e so vlidas para um motor de configurao alfa, conforme esquema, com o respectivo grfico presso-volume ao lado. Sero usadas as denominaes: pisto frio para se designar o pisto do lado frio do motor da configurao j apresentada, e pisto quente para o pisto do lado que trabalha com as temperaturas mais elevadas. As figuras representam fase final da transformao. 1. Compresso isotrmica (temperatura constante) O pisto frio se move para cima at um ponto intermedirio (Ci), comprimindo o gs de trabalho, e o calor produzido pela compresso simultaneamente removido. 2. Aquecimento isovolumtrico (volume constante) O pisto do lado frio continua se movendo para cima, do ponto intermedirio (Ci) at Cmax enquanto o pisto quente desce at o ponto intermedirio (Hi) o que faz com que o gs atravesse o regenerador. Passando pelo regenerador o gs sofre um acrscimo de temperatura, pois o regenerador esta numa temperatura maior do que Tc. Com o volume constante este acrscimo na temperatura causa um aumento da presso. 3. Expanso isotrmica O gs aquecido atravs de uma fonte de calor externa de temperatura (Th) e se expande. A expanso impulsiona o pisto quente at a posio inferior (Hmin). Figura 10 Compresso isotrmica Figura 11 Aquecimento isovolumtrico Figura 12 Expanso Isotrmica 7. 4. Resfriamento isovolumtrico O pisto quente retorna at a posio superior (Hmax) enquanto, simultaneamente, o pisto frio desce (Cmin) quando o gs passa novamente atravs do regenerador entregando calor que ser usado novamente na fase dois. Esta transformao a volume constante o que causa uma queda de presso do gs. Esta fase completa o ciclo. Conforme j exposto, a eficincia do ciclo Stirling depende muito da presso de trabalho e principalmente das temperaturas. A presso e a temperatura so fatores limitantes na construo do motor. De fato, a construo de um motor que trabalha com presses internas elevadas e com trocadores de calor exige ateno vedao e resistncia mecnica, assim como, utilizao de materiais especiais o que, sem dvida, encarece o motor. Devido a tudo isso se deve fazer uma anlise econmica criteriosa levando-se em conta os custos iniciais e o tempo de retorno do investimento com a variao do rendimento. A eficincia terica dos ciclos reversveis dada pela seguinte equao: Onde Tq a temperatura absoluta da fonte quente e Tf a temperatura absoluta da fonte fria. A eficincia real sempre menor que a terica, mas pode-se perceber claramente a relao desta com a diferena entre as temperaturas Tq e Tf. PRINCIPAIS VANTAGENS As vantagens do motor so muito pouco poluente porque a combusto contnua ao contrrio do que acontece na maior parte dos outros motores, permitindo assim uma maior eficincia, pois consome mais completa e eficientemente o combustvel que estiver a usar. um motor muito silencioso e que no apresenta vibrao porque no acontecem exploses no seu interior. tambm um motor multicombustvel, pois pode utilizar quase todas as fontes energticas conhecidas, desde gasolina, etanol, metanol, gs natural, leo diesel, biogs, GLP, energia solar, at calor geotrmico e outros. Baixo desgaste interno e consumo de lubrificante: os produtos da combusto no entram em contato direto com as partes mveis do motor (combusto externa). Por conseguinte, no h contaminao do lubrificante como nos motores Diesel. A maior dificuldade nos motores de combusto interna efetuar a lubrificao dos pistes com perfeita vedao em temperaturas elevadas, j nos motores Stirling no h este problema, as temperaturas so menores e as paredes do motor podem ser refrigeradas o que permite inclusive o uso da gua como lubrificante no lugar dos leos. Figura 12 Expanso Isotrmica Eficincia 8. PRINCIPAIS DESVANTAGENS Uma desvantagem desse tipo de motor est em vencer a inrcia, ou seja, consiste na sua dificuldade em comear o seu funcionamento e em variar rapidamente a sua velocidade de rotao o que torna difcil a sua aplicao a veculos como carros, embora modelos de propulso hbrida (elctrico e motor trmico) possam ser viveis. O custo a principal desvantagem sem dvida alguma. O motor Stirling ainda aproximadamente duas vezes mais caro se comparado a um motor Diesel de mesma potncia. O que encarece a fabricao a produo dos trocadores de calor ideais; Outra desvantagem so alguns problemas tcnicos que apresentam quanto ao sistema que utilizam para impedir fugas de combustvel, principalmente quando se usam gases inertes, como por exemplo, o hlio, por serem difceis de controlar sobre alta presso. Por serem pouco conhecidos na nossa sociedade, a sua aquisio e manuteno tornam-se um pouco cara. PRINCIPAIS APLICAES No que diz respeito s suas aplicaes, so muito usados em motores de submarinos, por serem silenciosos e tambm pela mesma razo so usados como geradores auxiliares de energia em iates. So aplicados tambm em sistemas de refrigerao por serem mais ecolgicos e eficientes. A NASA encontra-se a estudar e a testar a sua aplicao na indstria espacial e por fim, tambm so utilizados na captao de energia solar, alm de energia motriz para bombeamento de gua em regies desprovidas de energia eltricas. So utilizados para refrigerao industrial, Cogerao industrial, Sistema de cogerao residencial, porm em baixa escala, visto que o retorno desse investimento, em linhas gerais, depende do custo da energia eltrica da regio ou pas, tornando-se invivel na maioria das vezes. Um aperfeioamento do motor Stirling chamado de motor snico (eficincia de 18%), est em estudo para substituir os geradores termoeltricos (eficincia de 7%), em uso actualmente nas sondas espaciais. REPORTAGEM Motor Stirling a Plutnio vai Impulsionar naves da NASA Propulso a Plutnio Figura 13 Os geradores de energia alimentados por plutnio, chamados Geradores Termoeltricos de Radioistopos, no devem ser confundidos com reatores nucleares. (Imagem: Sunpower) New Scientist e Northwestern University -14/02/2012 9. Uma nova forma de usar plutnio para gerar energia e que pode permitir a explorao do Sistema Solar pelo Homem. A NASA pretende testar a nova tecnologia de propulso o mais rpido possvel. Vrias sondas espaciais da NASA tm sido alimentadas por plutnio - especialmente aquelas que, como as misses Cassini para Saturno e Novos Horizontes para Pluto, precisam viajar longe demais do Sol para usarem a energia solar. Os geradores de energia alimentados por plutnio, chamados Geradores Termoeltricos de Radioistopos, no devem ser confundidos com reatores nucleares, que aceleram artificialmente as reaes nucleares para gerar energia. Em vez disso, eles usam o calor do decaimento passivo do plutnio-238, cujos ncleos so instveis e se dividem de forma espontnea, ou seja, os geradores de radioistopos so uma espcie de usina nuclear mais calma, que deixa as coisas acontecerem normalmente. Isso produz muito menos energia, mas requer um equipamento muito mais simples e mais confivel. O problema que a reserva de plutnio-238 dos EUA uma herana da poca da Guerra Fria, e est se esgotando. Assim, necessrio aproveit-lo o melhor possvel. Entra ento em cena o mais avanado Gerador Stirling de Radioistopos. Ele consegue tirar at quatro vezes mais energia da mesma massa de plutnio que seus antecessores. Segundo um relatrio do Conselho Nacional de Pesquisas dos Estados Unidos, isto torna o novo gerador uma das principais tecnologias que a NASA deve desenvolver nos prximos 10 anos. O projeto baseado em um tipo de motor - o motor Stirling - idealizado h mais 200 anos, no qual as diferenas de temperatura entre duas cmaras de gs acionam um pisto - essencialmente um motor a vapor onde o vapor substitudo por ar levemente aquecido. Enquanto os mais antigos geradores termoeltricos de radioistopos aquecem uma das extremidades de um termopar - um componente no qual uma diferena de temperatura entre suas duas extremidades cria uma corrente eltrica - o mais moderno gerador Stirling de radioistopos usa o calor do plutnio em decaimento para acionar um pisto, que por sua vez aciona um gerador eltrico. Figura 12 Eficiente e promissor, mas nada novo. Quatro futuros motores espaciais em testes no laboratrio. (Imagem: Sunpower) 10. Tempo de vida do motor de Radioistopos Embora o gerador Stirling de radioistopos nunca tenha sido testado no espao, a ideia us-lo para enviar uma nave no tripulada lua Tit, de Saturno. Isto seria um primeiro teste para, quem sabe, abrir caminho para o homem, que poderia comear a sonhar em ir alm de Marte. Nas naves Voyager, os instrumentos construdos pelo homem que mais se distanciaram da Terra at hoje, esto no espao h 34 anos. Isto significa que uma viagem de ida e volta pelo mesmo percurso e com a mesma tecnologia, superaria o tempo de vida de um astronauta. J a sonda Novos Horizontes, que est a caminho de Pluto, aproveita uma conjuno planetria favorvel que a levar ao destino em muito menos tempo: ela partiu em 2006 e chegar ao planeta-ano em 2015. PRINCIPAIS FORNECEDORES US Engines Corp (EUA) Fabricante de motores diferenciais de baixa temperatura para navios e trens. Hyporex Technologies Inclrm (Canad) Fabricante de Ventiladores e Refrigeradores. Shanghai Yuao Refrigerant Equipment Colrm, Ltdlrm (China) - Fabricante de bombas d gua. Guette-Feinwerktechnik (Alemanha) Fabricante de motores Stirling para fins didticos PRINCIPAIS COMPRADORES Os compradores se limitam a empresas do campo de pesquisas da indstria Blica e Aeroespacial mundial, para gerao alternativa de energia em projetos que demandem necessidades especficas de gerao de energia como programas para lanamento de sondas espaciais (NASA) ou indstria naval. No Brasil, talvez em breve, com a operao do gasoduto Brasil/Bolvia e seus ramais, alm da ampliao do gasoduto que vem da Argentina, sejam econmicos os diferentes usos deste tipo de refrigerador, como os de porte maior em supermercados, aougues, centrais de refrigerao e cmaras frias. Outros compradores desse tipo de equipamento so pesquisadores se limitam compra de modelos para fins didticos. CUSTOS GERAIS Os custos esto diretamente relacionados ao campo de aplicao. Podem-se ter modelos didticos a partir de U$35 at modelos de escala e aplicaes industriais com valores superiores a U$1500, sem considerar modelos que so objetos de pesquisas em programas espaciais e podem custar milhares ou at mesmo milhes de dlares.