CENTRO UNIVERSITÁRIO DE VÁRZEA GRANDE – UNIVAG

PROJETO UNIFICADO IV FRATERNIDADE PSGIMA ΨΣ

CÁSSIA FERRAZ LOURO

CARLA SUÉLEN SILVA ALVES

JÚLIO JESUS FERREIRA MONTOYA

KALEB FERRAZ LOURO

LUCILENE DA SILVA PEREIRA

MARIANA LEMES DA CRUZ FERREIRA

PROF ORIENTADOR: EVANDRO FRANÇA

Várzea Grande

2012

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE VÁRZEA GRANDE

NÚCLEO DE ENGENHARIA CIVIL

CICLO DE STIRLING

VÁRZEA GRANDE

2012

Trabalho apresentado como exigência para a

obtenção de nota na disciplina de Projeto Unificado, do

Curso de Engenharia Civil, ministrado pelo Centro

Universitário de Várzea Grande – UNIVAG.

SUMÁRIO

1. LISTA DE FIGURAS E EQUAÇÕES.................................................................02

2. INTRODUÇÃO......................................................................................................03

3. JUSTIFICATIVA..................................................................................................05

4. FERRAMENTAS DE ENSINO............................................................................05

5. OBJETIVO.............................................................................................................06

5.1 Objetivo Geral........................................................................................................06

5.2 Objetivo Específico................................................................................................06

6. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.......................................................................07

6.1 Principio Termodinâmico.......................................................................................07

6.2 O Ciclo de Stirling..................................................................................................07

6.3 O motor de Stirling ................................................................................................08

6.4 Eficiência Térmica..................................................................................................09

7. PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................11

8. CONCLUSÃO .......................................................................................................12

9. ANEXO 1................................................................................................................13

10. REFERÊNCIAS ...................................................................................................14

1. LISTA DE FIGURAS E EQUAÇÕES

Fig. 1 ........................................................................................................................................07

Fig. 2 ........................................................................................................................................08

Fig. 3 ........................................................................................................................................11

Eq. 1 ...........................................................................................................................................08

Eq. 2 ...........................................................................................................................................09

Eq. 3 ...........................................................................................................................................09

Eq. 4 ...........................................................................................................................................10

Eq. 5 ...........................................................................................................................................10

Eq. 6 ...........................................................................................................................................10

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2. INTRODUÇÃO

O ciclo termodinâmico Stirling permite a construção de motores que podem funcionar

a partir de uma fonte de calor qualquer. As pesquisas são recentes em todas as partes do

mundo, atualmente há algumas empresas se especializando na fabricação dos motores

Stirling; há até mesmo, pesquisas que desenvolvem motores que simplesmente operam a

partir de uma fonte sonora.

Os motores Stirling têm, nas suas várias configurações, basicamente dois lados ou

partes. A primeira é a parte quente e a outra é a parte fria. Esta divisão ocorre devido ao

estado do gás ou fluido de trabalho durante o ciclo termodinâmico, na sua expansão e

compressão, absorvendo e liberando calor.

O ciclo Stirling, no seu lado quente, aproveita a energia térmica (calor) de outra fonte,

que pode ser proveniente da queima de algum combustível ou de certas quantidades de calor

rejeitadas em outros ciclos, como por exemplo, os condensadores das termoelétricas, ou o

escapamento dos automóveis. A partir desse calor, o ciclo Stirling é capaz de produzir

trabalho, que pode ser aproveitado para a geração de energia e também pode funcionar como

uma geladeira, em substituição aos compressores selados atuais. A parte fria do motor Stirling

é o congelador (evaporador dos atuais - ciclo Rankine). Algumas empresas estão

desenvolvendo refrigeradores e caixas térmicas que funcionam a partir da queima de gás e

também a partir da energia solar.

Apesar de as pesquisas de aplicações serem recentes, o ciclo Stirling, como concepção

em si, é bastante antigo. Em 1816, o engenheiro escocês Robert Stirling criou um modelo de

um motor que utiliza um determinado volume de um gás qualquer, que é aquecido

externamente, sendo forçado a entrar numa câmara de volume maior que o inicial, onde o gás

pode expandir-se livremente. A energia desta expansão pode ser usada para mover motores,

gerar energia, ou outra aplicação que se desejar. Ou, como foi usado em 1873, para

refrigeração e/ou aquecimento, absorvendo calor no estágio de compressão e liberando

trabalho ou mais calor na fase de expansão. Nesta época foram criados alguns protótipos com

uso do ciclo Stirling.

Em breve, espera-se que os motores de combustão interna, que trabalham com a

queima de alguns derivados de petróleo na forma líquida, entrem em desuso, devido à

viabilização do ciclo Stirling e outros ciclos. Outro contemporâneo do Stirling, Willian

Rankine, criou um ciclo que foi mais aceito para o uso na refrigeração por causa do advento

dos fluidos refrigerantes, como os CFC’s ou fréons e outros líquidos refrigerantes.

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Contudo, nos últimos anos do século passado, as inovações proporcionaram um

aumento de eficiência na geração de médias potências com menores investimentos. O que

possibilita essa redução nos custos é a significativa eficiência do ciclo Stirling, alcançada sem

o uso de flúor carbonos como fluido de trabalho.

Refrigeradores Stirling incorporam ao motor o uso de “pistão livre” (denominados

internacionalmente de: Stirling Free-Piston) e o uso de hélio ou nitrogênio, por exemplo, em

vez de CFC’s e HFC’s, o que é muito bem visto, tanto que as grandes corporações estão cada

vez mais usando e desenvolvendo esta tecnologia. Os grandes fabricantes de veículos

automotivos, como a Daimler Chrysler Corp., são os principais responsáveis pelo

desenvolvimento e aprimoramento da tecnologia Stirling para uso na refrigeração.

Os motores Stirling estão sendo estudados, quanto a sua viabilidade para a geração de

energia elétrica, por causa de sua eficiência, que é considerada por muitos como a melhor em

relação a outros métodos de geração e, principalmente, quando se deseja o uso alternativo aos

combustíveis fósseis.

Habitualmente, o ciclo mais utilizado (e por isso mais estudado) nos refrigeradores

domésticos, por exemplo, é o ciclo Rankine. Para estes casos, o ciclo Stirling pode ser usado

como alternativa, atuando com mais eficiência e de maneira ecológica se comparado com os

refrigeradores que ainda utilizam CFC’s ou HFC’s.

O ciclo Stirling pode também ser usado em outras aplicações, como no caso da

utilização de um motor para obtenção de trabalho mecânico, ou energia cinética, que pode ser

convertida em energia elétrica. Este motor pode operar a partir de uma fonte térmica, que

normalmente está sendo desperdiçada ou eliminada por outro processo qualquer. Portanto, o

motor Stirling pode estar convertendo algo, normalmente “perdido”, em trabalho útil ou

energia elétrica.

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3. JUSTIFICATIVA

Interesse renovado tem ocorrido por essas máquinas por diversas razões: interesse na

conservação da energia, preocupação ambiental e a habilidade do motor em funcionar por

períodos prolongados com pouca ou nenhuma manutenção.

4.FERRAMENTA DE ENSINO

Estes motores são adequados ao estudo teórico de ciclos termodinâmicos, necessários

em qualquer currículo de engenharia.

Normalmente, é difícil observar a relação direta entre o consumo de combustível e a

potência gerada. O motor Stirling permite a demonstração da conversão direta de energia

térmica em energia mecânica de maneira diretamente observável e fácil de ser estudada.

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5. OBJETIVO

Os objetivos desse trabalho consistem na montagem de um motor tipo Stirling, a fim

de verificar os seus princípios de funcionamento e utilizá-los relacionando-os com a teoria

que fundamenta a Física Térmica e as Máquinas Térmicas: Termodinâmica.

Depois de ter concretizado o experimento você deverá ser capaz de relacionar esta

com outras máquinas térmicas como, por exemplo, o motor de combustão interna,

correlacionando as semelhanças e identificando as diferenças no seu funcionamento.

Dentre os conteúdos de suma importância cabe destacar as trocas de transformações

termodinâmicas, energia térmica, transferência de energia térmica, dilatação térmica e

temperatura.

5.1 Objetivo Geral

O objetivo desse projeto é fazer com que os alunos envolvidos saibam aplicar

conhecimentos matemáticos, científicos, tecnológicos e instrumentais aprendidos em sala à

Engenharia, agindo em equipes, identificando e resolvendo os problemas do projeto,

buscando atualização profissional e compartilhando ideias.

5.2 Objetivo específico

O sistema que criaremos é chamado de motor Stirling (motor térmico). O princípio

fundamental de um motor Stirling é que uma quantidade fixa de gás é encerrada no interior do

motor. O ciclo Stirling envolve uma série de eventos que alteram a pressão do gás no interior

do motor, fazendo com que ele funcione. Esse tipo de motor apresenta diversas vantagens: é

pouco poluente e verdadeiramente multi combustível, pode utilizar praticamente qualquer

fonte energética: gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel, biogás, GLP, energia

solar, calor geotérmico, água e outros. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa

entre a câmara quente e a câmara fria para produzir trabalho (quanto maior a diferença de

temperatura, maior é a eficiência do processo e mais compacto o motor).

A sua maior desvantagem consiste na dificuldade de iniciar e variar sua velocidade de

rotação rapidamente, sendo complicado o seu emprego em veículos como carros e caminhões.

06

6. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

6.1 Princípio termodinâmico

Quase todo tipo de energia mecânica produzida hoje é conseguida a partir da

conversão de energia térmica em algum tipo de máquina térmica. A operação de todo ciclo de

máquina térmica pode usualmente ser aproximada por um ciclo termodinâmico de potência

ideal de alguma maneira. A compreensão básica deste ciclo podem frequentemente mostrar ao

engenheiro como melhorar a operação e o desempenho do sistema.

Qualquer ciclo termodinâmico é formado de uma série de processos termodinâmicos

que retornam o fluido de trabalho ao seu estado inicial. Durante muitos desses processos, uma

propriedade é comumente mantida constante. Isto inclui processos isotérmicos (temperatura

constante), isobáricos (pressão constante), isométricos (volume constante), isentrópico

(entropia constante), adiabáticos (sem transferência de calor) e isoentálpico ( entalpia

constante).

6.2 O Ciclo Termodinâmico Stirling

A figura a seguir representa o funcionamento do ciclo Stirling, com suas diversas

fases.

Figura 1 - Diagrama PXV do ciclo Stirling

Onde:

1-2 – Compressão isotérmica (na qual há também rejeição de calor).

2-3 – Calor é transferido ao fluido de trabalho a volume constante.

3-4 – Expansão isotérmica (há também transferência de calor ao fluido de

trabalho).

4-1 – Calor é rejeitado a volume constante.

07

Um exemplo desse processo é mostrado na figura abaixo:

Figura 2 – Esquema do funcionamento do Motor Stirling

6.3 O Motor Stirling

O motor Stirling é um motor térmico que trabalha a partir da energia proveniente da

expansão e contração de um gás. De acordo com a lei dos gases ideais, que relaciona as

propriedades do gás: temperatura (T), pressão (P) e volume (V) com o número de moles (n),

temos o seguinte:

PV = nRT

onde R é a constante universal dos gases.

Ou seja, todo ciclo termodinâmico envolve transformações com a variação de uma

destas três grandezas fundamentais dos gases, que podem ser relacionadas de acordo com a

equação.

A configuração “alfa” do Motor Stirling é de certa forma, a mais fácil de ser entendida

e por isto é a utilizada nesse projeto.

É claro que essa descrição se constituiu na configuração mais básica e simples do ciclo

Stirling, mas existem motores com configuração alfa de multicilindros.

No projeto proposto, o ar aquecido empurra o deslocador para cima, fazendo o

virabrequim dar meia-volta. Com a defasagem no virabrequim, no momento em que está na

posição inicial a bexiga está um pouco esticada. Ao subir e atingir o ponto mais alto de seu

movimento, o virabrequim faz com que a bexiga seja empurrada para baixo, fazendo ar frio

Eq. 1

08

entrar na base do recipiente de pressão. Isto esfria o gás dentro do recipiente e com isso há a

compressão isotérmica.

6.4 Eficiência térmica

O propósito de um motor é converter a energia suprida como calor ou energia retida

em combustível para trabalho. O máximo desempenho é a produção da quantidade requerida

de trabalho utilizando a quantidade mínima de calor. Uma máquina térmica recebe calor e

produz trabalho enquanto executa um ciclo.

Uma máquina térmica pode ser tão simples como um gás confinado em um dispositivo

pistão-cilindro, ou tão complexo como uma planta de potência.

Quando o gás é aquecido, ele expande para realizar trabalho sobre o pistão. Nas etapas

a volume constante não há realização de trabalho. Quando o pistão se move para dentro do

cilindro, trabalho é realizado sobre o gás. O ciclo é completo com o efeito final de que calor

foi convertido em trabalho.

Quando não há matéria entrando ou saindo do sistema, ele é chamado sistema fechado.

Em cada ciclo completo de uma máquina térmica, alguma quantidade de calor é

rejeitada pelo sistema.

De acordo com a primeira lei da termodinâmica - para qualquer ciclo ou sistema

fechado, o calor líquido transferido é igual ao trabalho líquido produzido:

Qentra – Qsai = quantidade bruta de calor fornecido menos quantidade bruta de

calor rejeitado.

Como Qsai diferente de 0, então, o trabalho líquido feito pelo sistema é menor do que o calor

recebido por ele, isto é, nem todo o calor recebido pelo sistema é convertido em trabalho.

Eficiência térmica é definida como a fração do calor bruto adicionado à máquina

térmica durante um ciclo que é convertida em trabalho líquido devolvido:

Qsai é recolhido no terminal frio à temperatura absoluta TL

Qentra é transferido ao sistema pelo terminal quente à temperatura absoluta TH

Eq. 2

Eq. 3

09

A escala de temperatura absoluta estabelece que a quantidade relativa de calor

transferido “de” e “para” um sistema que realiza um ciclo reversível entre dois às

temperaturas TH e TL são iguais às relações entre as temperaturas dos reservatórios:

Assim, a eficiência térmica de uma máquina que opera reversivelmente entre dois

terminais às temperaturas TL e TH é definida como:

Que é usada para expressar a eficiência de uma máquina de Carnot e fornece o

máximo valor de qualquer ciclo operando entre dois reservatórios térmicos.

Como o motor Stirling também é uma máquina térmica que opera um ciclo reversível

entre dois reservatórios térmicos, sua eficiência também pode ser expressa segundo os

mesmos princípios:

Desta relação pode-se deduzir que quanto maior a diferença entre as temperaturas dos

terminais quente e frio, maior a eficiência do motor.

Eq. 5

Eq. 4

Eq.6

10

7. PARTE EXPERIMENTAL

Para a construção do Motor Stirling foi feita uma pesquisa na internet, onde se

encontrou diversos modelos interessantes e que utilizavam materiais de fácil acesso. Porém

escolheu-se apenas um modelo, mostrado a seguir:

Figura 3 – Modelo do Motor Stirling

Para a realização do experimento será utilizado alguns materiais de fácil acesso. A

tabela com os materiais e os preços está em anexo ao projeto.

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8. CONCLUSÃO

No constante desenvolvimento de novos materiais (visando um menor custo de

aquisição das máquinas do Ciclo Stirling) e a nova tendência mundial na obtenção de energia

elétrica, de forma a não gerar impactos ambientais, são fatores que servirão, dentro de um

futuro próximo, para uma maior difusão destes motores no cenário de geração de energia

elétrica e calor de forma sustentável.

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9. Anexo 1

Lista de Materiais e preços

Quantidade Material Preço

01 Virabrequim (Raio de Bicicleta) R$ 1,00

0 Lata de Energético R$ 9,00

01 Raio inox (2mm) R$ 1,00

04 Porca R$0,80

04 Parafuso R$ 0,80

01 Lata de óleo desengripante (57 mm de diâmetro) R$ 10,37

01 Lata de milho (73mm de diâmetro) R$ 2,00

01 Lata de Pêssego R$ 4,29

01 Luva de PVC ( 20mm) R$ 0,50

01 Cola de Silicone de alta temperatura R$ 9,00

02 Buchas de Bronzina (Encontrada em toca cds de carros) Reciclado

01 Joelho de PVC (20 mm) R$ 0,40

01 Bucha de redução 25x32 R$ 0,40

01 Bucha de redução 32x40 R$ 0,40

01 Bucha de redução 40x50 R$ 0,40

01 Câmera de Bicicleta R$19,00

02 Botões de Volume de Rádio Reciclado

01 Braçadeira de Tubulação de aço inoxidável R$ 2,00

01 Balão de Festas (Grande) R$ 7,59

01 Dínamo R$ 100,00

01 Suporte de Madeira Reciclável

01 Chapas de alumínio Reciclado

05 Cds R$ 5,00

Total R$ 190,75

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10. REFERÊNCIAS

Projeto Motor Stirling – Unicamp. Disponível em:

<www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/.../RenatoP-Llagostera_RF2.pdf>

Projeto Motor Stirling – UFRGS. Disponível em:

< www.if.ufrgs.br/~dschulz/motor.pdf>

Projeto Motor Stirling. Disponível em:

< stirlingbrasil.blogspot.com/2012/.../projeto-motor-stirling.ht...>

Motor de Stirling. Disponível em:

<eccehomo.me/mleft/2ano/fex3/FEX3_TL2-Stirling.pdf>

O uso do Motor Stirling. Disponível em:

< ice.uab.cat/congresos2009/eprints/cd_congres/.../art-218-222.pdf>

Introdução - PIPE - Universidade Federal do Paraná. Disponível em:

<www.pipe.ufpr.br/portal/defesas/tese/008.pdf>

Ciclo Stirling. Disponível em:

< http://www.ebah.com.br/search?q=motor+stirling>

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