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Grupo Motor Stirling Solar

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Academic year: 2021

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MOTOR STIRLING ACIONADO POR RADIAÇÃO SOLAR

Alysson Nascimento de Lucena, alysson.lucena@hotmail.com

Emanuel Vieira Mendes, emanuel-mendes@hotmail.com Lauren Luis de Freitas Cunha, lauren_luis@hotmail.com Rony Oliveira de Santana, rony_oliveirasantana@hotmail.com

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Campus Universitário Central, s/n Lagoa Nova, Natal RN, 59078 -900

Resumo: O motor Stirling vem sendo constantemente estudado por apresentar rendimento superior aos motores Otto e

Diesel. A diferença básica é quanto ao ciclo termodinâmico ser fechado ou aberto, ou seja, combustão acontece interna ou externamente e o ciclo ser totalmente reversível. Neste trabalho foi desenvolvido um protótipo de um motor stirling do tipo gama com resfriamento, produzido a partir de latinhas e materiais de baixo custo. Utilizamos apenas ferramentas básicas, o motor apresentou um bom desempenho devido ao seu bom dimensionamento após vários ajustes.

Palavras-chave: Stirlin ,construção, ciclos, fechado, aberto.

1. INTRODUÇÃO

Os motores Stirling estão despertando grande interesse da Indústria atual, pois são motores de combustão externa capazes de gerar boas eficiências com o uso de diferentes combustíveis como fluidos de trabalho. Os combustíveis são gases ou mistura de gases como: Hélio (He), Hidrogênio (H2) e Ar (mistura), precisando assim de apenas uma fonte quente. A fonte quente que utilizamos é proveniente da radiação solar (energia solar). Esse motor foi desenvolvido pelo escocês Robert Stirling em 1816, antes mesmo do desenvolvimento dos motores de combustão interna. Mas, devido algumas dificuldades com relação à fabricação complexa desses motores e com limitação dos materiais existentes naquela época, isso levou ao desaparecimento e ao desinteresse pela tecnologia no início do século XX. Na época era mais comum a utilização de motores elétricos e de combustão interna (Otto e Diesel, por exemplo), pois os mesmos eram fabricados com menores custos para alcançar a mesma potência de um stirling. Com o surgimento e desenvolvimento da engenharia dos materiais, podemos obter materiais mais resistentes e mais leves para a construção desses motores de ciclo aberto, e como a tendência hoje, é a geração de energia por meio de combustíveis alternativos, é bastante conveniente aprofundar os estudos e interesses no melhoramento de tais motores reversíveis. Haja vista que os mesmos podem ser acionados pela energia solar, que funciona como a fonte quente e, portanto, a sua construção vem tornando-se viável novamente. O baixo desgaste interno e consumo de lubrificante são as vantagens mais evidentes nesses motores, já que as temperaturas de trabalho são menores que as de motores à combustão interna, as paredes do mesmo podem ser refrigeradas, permitindo, inclusive, o uso da água como lubrificante ao invés de óleos.

2. REFERENCIAL TEÓRICO

O motor Stirling é um motor de combustão externa que em modelos mais caseiros usam o ar atmosférico como fluido de trabalho, em modelos mais robustos são utilizados gases como: Hidrogênio e Hélio. Diferentemente dos ciclos Diesel e Otto, ambos de combustão interna, o Stirling possui ciclo com processos termodinâmicos semelhante ao do ciclo de Carnot. Ou seja, seus processos são internamente e externamente reversíveis, pois possuem uma diferença infinitesimal de temperaturas, fazendo com que tais processos não gerem entropia no sistema devido irreversibilidades geradas. Outra característica que podemos ver nesse tipo de ciclo é o uso da regeneração, processo no qual o calor é transferido para um dispositivo que armazena energia em forma de calor (chamado de regenerador ou trocador de calor) durante uma parte do ciclo, e é transferido de volta para o fluido de trabalho durante a outra parte do ciclo.

Os processos isotérmicos de fornecimento de calor à temperatura da fonte quente (TH) e os processos de isotérmicos de rejeição de calor à temperatura da fonte fria (TL) que ocorrem no ciclo Stirling, diferem do ciclo de Carnot, pois os processos de regeneração a volume constante são colocados no lugar dos processos isentrópicos. As figuras 1 e 2 mostram os diagramas da temperatura(T) versus entropia(s) e da pressão(P) versus volume(v).

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Figura 1. Diagrama Temperatura versus Entropia.

Figura 2. Diagrama Pressão versus Volume.

Descrição dos processos termodinâmicos que ocorrem no Ciclo Stirling, são eles:

No processo 1 - 2: Expansão a temperatura constante, com fornecimento de calor da fonte externa (Qin); No processo 2 - 3: Regeneração a volume constante, transferência de calor do fluido para o regenerador;

No processo 3 - 4: Compressão a temperatura constante, com rejeição de calor para o reservatório externo (Qout); No processo 4 - 1: Regeneração a volume constante, transferência de calor do regenerador para o fluido;

Utilizando a conservação da energia, em regime não transiente, temos que: Ein = Eout, com

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QH = Wnet + QL => Wnet = QH - QL (Trabalho líquido), então:

Nth,Stirling = (Wnet/Qin) (Eficiência do motor), mas de acordo com os diagramas:

Qin = U2 - U1( variação de energia interna específica) e Qout = U3 - U4( variação de energia interna específica), logo: A eficiência torna-se: Nth,stirling = 1 – (u3-u4)/(u2-u1)

Para uma análise exata, os valores tabelados são dados em funções da temperatura: u1(T1); u2(T2); u3(T3); u4(T4). O ciclo é semelhante ao ciclo de Carnot como já foi mencionados, ambos possuem a mesma eficiência desde que operados entre os mesmos limites de temperaturas TH e TL.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. TIPOS DE MOTORES STIRLING

Existem três tipos de motores Stirling, são eles: o Alpha, o Beta e o Gama. Segue a figura 3 abaixo.

Figura 3. Tipos de motores.

O motor Stirling Beta é constituído por apenas um cilindro, com dois pistões em linha. O pistão interno realiza o deslocamento do fluído de trabalho entre as duas câmaras. Já o pistão de trabalho mantém suspenso o pistão deslocador, além de auxiliar no confinamento do fluído de trabalho no interior do motor. Já o motor Gama é constituído por dois cilindros independentes. Nele, o pistão quente faz o deslocamento do fluído de trabalho entre as câmaras quente e fria pelo centro do cilindro quente. O pistão de trabalho encontra-se separado do cilindro quente, diferentemente do motor Beta. Ele é responsável pelo trabalho do motor, ou seja, pela compressão, expansão, descompressão e contração do fluído de trabalho. O terceiro tipo de motor é o Alpha, que possui um funcionamento diferenciado em relação ao motor Gama e Beta. Ele é constituído por dois cilindros independentes. O pistão quente é

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responsável pela produção do movimento mecânico decorrente da pressão e vácuo interno do motor. Diferentemente dos motores Beta e Gama, o pistão quente é visível pelo lado de fora, pela extremidade onde a biela é fixa. Já o pistão frio é responsável pela compressão e descompressão do fluído de trabalho no motor.

3.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR

O motor Stirling trata-se de um motor combustão externa, também denominado de motor de ar quente, e o fluido de trabalho tem uma massa constante. A partir da alternação de aquecimentos e resfriamentos, ocorre a expansão e contração do fluido de trabalho, gerando um deslocamento do pistão. De acordo com a Lei dos Gases Ideais ou Lei de Clapeyron (PV=RT), essas contrações e expansões causa variação na pressão, gerando uma força que é transmitida a um eixo, movimentando o virabrequim e, consequentemente, o volante. O gás é aquecido pela energia solar, entra no cilindro, ocasionando a troca de calor.

3.3. VANTAGENS E DESVANTAGENS

Ao contrario dos motores de combustão interna, os motores desse tipo são menos poluentes, pois a combustão é contínua (aproveitamento melhor da combustão), ou seja, não depende de uma ignição por compressão ou por uma ignição por centelha elétrica para dentro de uma câmara onde se encontra o combustível como ocorre nos motores com ciclos Otto e Diesel. Outra fato importante, não precisa necessariamente de combustíveis fósseis para serem acionados, pois como só é necessário uma fonte de calor, podemos e vamos utilizar a energia solar como fonte principal de calor. Essa característica é muito importante para conseguirmos usar e desenvolvermos meios nos quais não poluam ou destruam o meio ambiente, por isso as pesquisas industriais estão se interessando novamente por aprimorarem essa tecnologia desses motores.

As possíveis causas que fazem diminuir o rendimento do motor são:

 Vibrações;

 Aquecimentos e atritos são indesejáveis e inevitáveis nos motores à combustão;

 Desgastes etc.;

4. MATERIAIS E METODOLOGIA 4.1. LISTA DE MATERIAIS

Os materiais utilizados para a construção desse motor Stirling estão listados abaixo:

 Placa de fibra de média densidade (MDF 18mm)

 Placa de Poliestireno (3mm, 2mm e 1mm).

 Cantoneira de alumínio

 Buchas de cobre (diâmetro interno 3mm)

 Eixo de aço revestido com cromo (diâmetro 3mm)

 Haste de aço (raio de bicicleta)

 Balão de Látex

 Mangueira flexível (diâmetro interno 1mm)

 Garrafa de alumínio (diâmetro 73mm)

 Tubo de alumínio (diâmetro interno 36mm)

 Junção de cobre (barra de sindal)

 Adesivo Epóxi líquido

 Parafusos diversos

 Lã de Aço

 Chapa de alumínio (1mm)

 Cabeçote de vídeo cassete

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MDF MDF TROCADOR DE CALOR EM POLIESTIRENO CILINDRO DE ALUMÍNIO PISTÃO DE LÃ DE AÇO CABEÇOTE DE VÍDEO CASSETE HASTE DE AÇO HASTE DE AÇO CILINDRO DE ALUMÍNIO BALÃO DE LATEX JUNÇÃO DE MANGUEIRA FLEXÍVEL PINO DE AÇO PINO DE AÇO ALAVANCA EM POLIESTIRENO BUCHA DE COBRE BUCHA DE COBRE

Figura 4. Detalhes dos materiais.

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4.2. METODOLOGIA.

4.2.1 Bases e encaixe do volante.

Para as bases dos cilindros e do volante foi utilizado MDF 18mm utilizando serra tico-tico para executar os cortes retos e curvos, para o furo do volante foi utilizado serra copo com auxilio de uma furadeira de pequeno porte, o material da base foi escolhido devido a suas excelentes propriedades mecânicas, principalmente a resistência à flexão, garantindo que após a montagem e regulagem do motor, todo conjunto permaneça com alinhamento desejado durante a exposição a variações de temperatura e condições climáticas.

Figura 6. Corte da base dos cilindros.

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Figura 7. Corte para acoplar o volante.

O volante foi encaixado por pressão, fixado com pequenos pontos de resina epóxi para garantir sua fixação durante o uso, as duas bases foram unidas por parafuso garantindo a versatilidade na manutenção caso se deseje desacoplar o conjunto.

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4.2.2 Conjunto de cilindros, pistão e trocador de calor.

Para o cilindro quente primeiramente foi utilizado uma garrafa de vidro, cortada com auxílio de uma micro retífica com disco diamantado, após o corte em uma simulação aplicando calor diretamente através de um soprador térmico verificou-se trincas no recipiente, sendo assim foi descartado o uso de cilindro de vidro e foi utilizado um recipiente de alumínio para confecção do novo cilindro.

Figura 9. Recipiente de alumínio para cilindro quente.

Para o cilindro frio foi utilizado um tubo de alumínio com 36mm de diâmetro interno e 42mm de altura, cortado com auxílio de uma serra tico-tico. O conjunto dos cilindros foi unido através de um tudo de seção quadrada com 15mmd e diâmetro interno utilizando resina epóxi para fixação.

Figura 10. Conjunto de cilindros quente e frio.

Para a construção do trocador de calor foi utilizado placas de poliestireno de 3mm e 1mm, moldadas com auxilio de uma micro retífica, unidas entre si e na base de MDF com resina epóxi.

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Figura 11. Conjunto de peças para o trocador de calor.

Para o pistão foi utilizado uma haste de aço, alumínio 1mm perfurado para parte superior e inferior do corpo do pistão preenchido com lã de aço.

Figura 12. Conjunto do pistão.

O conjunto de cilindros quente e frio mais o trocador de calor foram fixados com resina epóxi garantindo a vedação e a integridade do conjunto durante o uso.

Figura 13. Conjunto base, trocador de calor e pistão.

4.2.3 Conjunto completo.

Por fim foi acrescentada a tampa superior do cilindro quente e do trocador de calor, assim como o balão de látex responsável por transmitir o torque através da haste de aço para o eixo do volante. A base do volante foi fixada com parafusos e reforçada lateralmente com cantoneira de alumínio fixada com parafusos. Os eixos de aço 3mm revestido com cromo foram fixados no volante com auxilio de uma furadeira e resina epóxi. As buchas de cobre foram soldadas com estanho diretamente nas hastes de aço. Foram utilizados junções de cobre (barra de sindal) para travar as buchas nos eixos de 3mm. Foi utilizado água como fluido refrigerante no reservatório do trocador de calor.

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Figura 14. Motor Stirling completo.

4.2.4 Parabólica espelhada para aquecimento solar.

A parabólica espelhada com 0,65m de diâmetro para o aquecimento solar foi cedida pelo departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, através do Professor Luiz Guilherme Meira de Souza.

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5. RESULTADOS E CONCLUSÕES

Com o teste do protótipo foi possível obter algumas conclusões a respeito do funcionamento do motor Stirling Solar. Observou-se um funcionamento estável, silencioso, sem vibrações provando que o uso da energia solar para esse fim é possível e viável, principalmente em áreas de grande incidência solar e com deficiência de outros recursos como rios e ventos constantes. Para futuras pesquisas a proposta é o desenvolvimento de um motor com quatro cilindros em linha alimentado por uma calha espelhada.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ÇENGEL, Y.A.;BOLES,M.A.Termodinâmica.7ªEd. Editora Mcgraw-hill Interamericana, 2013.

[2] WAGNER, Leandro. Manual do Motor Stirling. Disponível em: <http://manualdomotorstirling.blogspot.com.br/>. Acesso em: 10 dez. 2015.

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