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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.
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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.
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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
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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
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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
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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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