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Motor Stirling: O que é e como funciona?

O motor Stirling é de combustão externa. Foi criado em 1816 pelos irmãos Stirling para ser uma alternativa aos motores a vapor, que eram perigosos na época.

Princípio de funcionamento

Um motor Stirling precisa de uma fonte externa de calor. Tem duas câmaras com temperaturas internas diferentes e dentro destas câmaras há um gás, que se expande e se contraí, movimentando pistões. Estes movimentam um virabrequim, ou outro mecanismo, que gira um volante do motor. Este motor não gera emissões de gases, portanto é de ciclo fechado.   

Ciclo de Stirling

Este tipo de máquina térmica segue o ciclo de Stirling, cujas fases são:

  • 4 a 1: Aquecimento isocórico (volume constante). Uma fonte externa de calor aquece a câmara, aumentando a pressão do gás.
  • 1 a 2: Expansão isotérmica. Na câmara mais quente, o gás se expande, movimentando o pistão.
  • 2 a 3: Resfriamento isocórico ou isovolumétrico. O gás do pistão quente vai para o pistão frio devido ao movimento dos êmbolos. Estes se movem graças à energia mecânica armazenada pelo volante do motor. O gás passa por um canal que liga as câmaras e sua pressão cai devido à queda de temperatura. 
  • 3 a 4: Compressão isotérmica. O movimento do pistão frio comprime o gás que vai para a câmara quente.
As 4 etapas do ciclo Stirling. Fonte: (Nakahara, 2012).
Diagrama do ciclo Stirling
O gráfico pressão (P) x volume (V) do ciclo de Stirling. Q é a quantidade de calor que vem da fonte. Q_{H} e Q_{C} são energia térmica absorvida e dissipada pelo gás respectivamente. Fonte: (Nakahara, 2012).

O ciclo Stirling é reversível. Ou seja, pode converter energia mecânica em diferença de temperatura. Mas na prática, é muito mais difícil.

Outros detalhes

Alguns motores têm um regenerador no tubo de transferência para armazenamento temporário de calor, ajudando a manter a diferença de temperatura entre as câmaras. Os gases mais usados para fazer o trabalho são: ar, hidrogênio ou hélio. Os dois últimos são para aplicações de alta potência, pois têm condutividade térmica maior e menos viscosidade. Logo, transportam calor mais rápido e têm menos perdas por atrito.

Tabela da condutividade térmica k dos gases em W/m\cdot°C. Fonte: Thermal Engineering.

Tipos de motores Stirling

Alfa

motor Stirling alfa
Fonte: (aeropic, 2014).

Nesta configuração, os cilindros ficam separados um do outro e ligados por um tubo com regenerador. Os cilindros podem ficar separados a 90° de distância.

Alpha-stirling-engine-main-parts
Vermelho=quente e azul=frio. Fonte: Stirling engine.

Existe um tipo de motor alfa chamado Ross Yoke, é um dos mais eficientes, pois este mecanismo elimina forças laterais sobre o êmbolo. Reduzindo muito o atrito.

Mecanismo Ross Yoke
Mecanismo Ross Yoke. Fonte: Grabcad.

Beta

Beta Stirling animation
Fonte: MIT Open Course Ware.

Nesta configuração, existe apenas uma câmara com dois êmbolos. O pistão deslocador fica entre os volumes quente e frio, enquanto o pistão de trabalho ajuda no confinamento do fluido e move o motor. O motor beta pode ter um acionamento rômbico para melhorar a eficiência e o equilíbrio.

Motor Stirling beta com acionamento rômbico
Fonte: Pinterest.

Gama

gamma
Fonte: kingorisolomon.

Os cilindros são separados e o deslocador de gás fica entre os lados frio e quente da câmara.  

Onde o motor Stirling é usado?

O motor Stirling é silencioso, com boa eficiência e pode trabalhar com qualquer fonte externa de calor. Pode gerar energia a partir da luz solar

Refletor parabólico com motor Stirling
Um motor Stirling instalado no ponto focal deste espelho parabólico. Fonte: Eco Wanderer.

Também é usado em sistemas de refrigeração e submarinos.

Motor Stirling para submarinos
Fonte: suffolk.

Ester motor não é usado com mais frequência, devido às seguintes desvantagens:

  • Dificuldade de controlar a velocidade e a direção de rotação.
  • Dificuldade de confinamento do gás pressurizado.
  • Custo elevado.
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