RelatórioMotorStrling

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RelatórioMotorStrling

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA INTRODUÇÃO A ENGENHARIA MECÂNICA CONSTRUÇÃO DE UM MOTOR STIRLING UTILIZANDO MATERAIS DE BAIXO CUSTO JEAN CARLO CORREIA FIRMINO – 356341 JEFFERSON MATHEUS DA SILVA BEZERRA – 356342 PEDRO VITOR TEIXEIRA RIBEIRO – 356357 FORTALEZA 2013
  2. 2. RESUMO O motor pode ser considerado um dos maiores avanços da mecânica. Seja ele a vapor ou à combustão, os motores fornecem energia para a realização de trabalho, de maneira que podemos utilizá-los para nosso auxílio em diversas atividades. O primeiro grande passo para o desenvolvimento dos motores atuais foi a elaboração dos motores a vapor, cujo funcionamento é regido pelas leis da termodinâmica. Nesse trabalho expomos o processo de montagem de um motor “stirling” a vapor. Utilizando, em geral, materiais de fácil acesso, baratos ou recicláveis, montamos um modelo simplificado desse motor, nos atentando aos detalhes de montagem para que obtivéssemos bons resultados. A montagem é relativamente simples, mas os detalhes devem ser levados em conta para um funcionamento perfeito. No entanto, o motor não funcionou perfeitamente, chegando perto de atingir o objetivo. Palavras chave: térmica, motor, stirling, construção, termodinâmica, recicláveis.
  3. 3. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO........................................................................................................... 1 2 MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................... 5 3 RESULTADOS.......................................................................................................... 10 4 DISCUSSÃO.............................................................................................................. 12 5 CONCLUSÃO............................................................................................................. 13 REFERÊNCIAS.......................................................................................................... 14
  4. 4. 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 Objetivos Gerais - Construir um motor Stirling. 1.2 Objetivos específicos - Atrelar o trabalho realizado pelo motor a algum objeto rotativo a fim de realizar movimento; - Fácil construção; - Usar materiais de baixo custo para a fabricação; - Identificar os processos físicos por trás do funcionamento do motor. 1.3 A Máquina de Carnot Compreendemos como maquina de Carnot, aquela em que obtemos um rendimento máximo ideal, dai também podemos a chamar de maquina térmica ideal. Esse ciclo ocorreria se tivéssemos um sistema no qual a substancia que realiza trabalho é um gás ideal. O Ciclo de Carnot é composto basicamente por duas expansões isotérmicas, e duas outras adiabáticas, na figura 1 temos um diagrama P-V que ilustra o ciclo. Figura 1 – Diagrama P-V
  5. 5. 2 Onde Ta é a temperatura mais alta e Tb a mais baixa. Temos como os processos isotérmicos os processos ab e cd, onde em ab temos uma expansão isotérmica e em cd, temos a fonte de trabalho cedendo calor e sofrendo uma compressão isotérmica. Supondo que só existe transferência de calor nos processos isotérmicos ab e cd, podemos afirmar que os processos bc e da são respectivamente uma expansão e uma compressão adiabáticas (processo onde não existe trocar de calor entre a substância que realiza trabalho e as fontes de calor). Em abc verificamos uma expansão de volume, logo a realização de um trabalho positivo, o contrário ocorre no processo cda, onde temos uma compressão, logo um trabalho negativo. O trabalho liquido obtido é a área delimitada pelo ciclo abcda, que seria o trabalho obtido na expansão menos o trabalho obtido na compressão. Para encontrarmos o valor numérico do trabalho realizado em um ciclo podemos usar a 1º Lei da termodinâmica para obter: W = QQ - QF Onde W = Trabalho Liquido; QQ = Calor fornecido pela fonte quente QF = Calor fornecido pela fonte fria. 1.4 Eficiência de uma máquina de Carnot A eficiência de uma máquina térmica é dada pela razão entre o trabalho realizado em um ciclo pela energia em forma de calor recebida em um ciclo. ε = Onde ε = eficiência térmica. Substituindo o valor de W para um ciclo de Carnot temos:
  6. 6. 3 εc = Isso é igual a: εc = Onde TF e TQ estão em Kelvins, podemos concluir disso que a eficiência da máquina de Carnot vai ser menor que uma unidade, e que nem todo calor cedido pela Fonte quente vai ser transformado em trabalho. Temos que frisar que essa equação de rendimento só serve para as máquinas de Carnot, onde os processos são adiabáticos, em máquinas reais, teremos um rendimento sempre menor que o imposto pela equação. 1.4 O Ciclo de Stirling Diferentemente da máquina de Carnot, no ciclo de Stirling invés dos processos adiabáticos ligando os isotérmicos, existirão processos isovolumétricos, e por isso haverá necessidade de transferência de calor da fonte para a substância que realiza trabalho ou vice versa nos processos da e bc. Figura 2 – Digrama do ciclo de stirling
  7. 7. 4 Justamente por esse motivo, o rendimento do ciclo de Stirling quando comparado ao de Carnot vai ser menor. 1.5 O Motor Stiling Após uma breve explicação sobre como o Motor Stirling funciona pelo ponto de vista termodinâmico, podemos o caracterizar como um ciclo de 4 fases, realizadas por 2 tempos do pistão. E por o fluido de trabalho não sair de dentro do motor, é chamado de máquina de ciclo fechado. Sua configuração se mostra bastante simples, é composto por duas câmaras sujeitas a diferentes temperaturas, que resfriam e aquecem um gás de maneira cíclica, o trabalho realizado pelo sistema serve para movimentar duas hastes ligadas a um mesmo eixo. Podemos encontrar basicamente 3 configurações de cilindro nesse tipo de motor, cilindros em V, cilindros em linha e cilindros com êmbolos coaxiais. Tem como suas grandes vantagens o alto rendimento, a baixa vibração e é menos poluente, pois sua combustão é continua.
  8. 8. 5 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Lista de Materiais - 4 Latas de aço (refrigerante 350 mL); - Cotovelo de PVC (Cano) (20 mm aprox.); - Palha de aço; - 1 CD velho; - 1 Tampa de garrafa; - 1 Balão; - Arame (1,6 mm e 0,2 mm) - 1 Porca - 1 Parafuso - Grampos - Fita isolante - Selante para motores - Cola para pvc - Vela de parafina 2.2 Corpo do motor (Cilindro) O corpo do motor contará com as três latas de alumínio. Primeiramente retira-se o topo e a base de uma das latas. Isso será o pistão do motor, que fará movimento dentro do corpo do motor. Dentro de sua circunferência será colocada a palha de aço. Uma segunda lata deverá ser cortada no topo. Esse será a base do motor, e é onde ficará posto o pistão, tendo espaço para sua movimentação. Nessa mesma lata que será a base se fará uma abertura de aproximadamente 22 mm, para acoplar o cotovelo do cano. A lata superior será onde ficará o virabrequim, e deverá ser aberto o seu bocal, além de ser feita uma abertura circular em sua lateral. A lata de cima será acoplada à lata de baixo.
  9. 9. 6 Figura 3 – Corpor do Motor 2.2 Fonte Restituidora A fonte restituidora será essencialmente a base do motor. Na lata de baixo, onde está o pistão, será acoplado o cotovelo de cano, preso com selante para motor. Para realizar essa parte, deve-se lixar a lateral do cano, de modo que fique com uma curvatura igual à da lata, para evitar frestas. Um arame deve ser introduzido atravessando a palha de aço do pistão. Em uma das pontas ele deverá se prender à palha, enquanto na outra deverá ter uma espécie de “laço”. Figura 4 - Fonte restituidora
  10. 10. 7 2.3 Virabrequim O virabrequim é um eixo de manivelas. É ele que racionará, movido pela força gerada pelo aquecimento do ar, que moverá o pistão. O virabrequim será um dos arames de 1,6 mm, torcido de acordo com a imagem. Ele será ajustado à lata superior, através de dois furos, um para entrada e outro para saída. Figura 5 - Virabrequim 2.4 Biela A biela será o eixo de ligação do pistão ao virabrequim. A biela contará com um arame, preso ao “laço” do pistão, e ligado à manivela do virabrequim. O movimento rotacional do virabrequim puxará a biela, que levantará o pistão. O fio entrará no topo do motor através de um pequeno furo feito na base da lata superior. Haverá também uma biela externa, ligando o bocal do cotovelo à ponta do eixo do virabrequim. O bocal deverá ser “selado”. Para isso utilizaremos o balão. Corta-se a boca do balão e por dentro dele coloca-se o parafuso. Faz-se um pequeno furo com uma agulha e coloca-se o pino do parafuso nele. Então coloca-se a porca no parafuso, prendendo-os no balão. Coloca-se a abertura do balão no bocal do cano, fechando-o. A parte cortada do balão servirá de prensa no cano, para impedir entrada e saída indesejadas de ar. A ponta do pino do parafuso deve-se enrolar um pedaço de arame, fortemente. O arame deve ter comprimento suficiente para ser enrolado, em sua outra ponta, ao eixo do virabrequim. Deve-se colocar fita isolante nos dois lados do arame preso ao virabrequim, para evitar que ele se solte.
  11. 11. 8 Figura 6 – Estrutura do pista e biela 2.5 Disco Com fita dupla face cola-se a tampa de refrigerante no orifício do CD velho. Faz- se um furo no centro da tampa, para que seja possível atravessar um dos eixos do virabrequim nele, para que seja rotacionado. Torce-se a ponta do virabrequim que passa pela tampa, prendendo-a em seguida com um pouco cola para pvc. Figura 7 - Disco
  12. 12. 9 2.6 Dissipador Na lateral do motor posicionamos o dissipador. Ele consiste da lateral de uma lata de alumínio, cortada em vários pontos, de modo a ficarem várias “tiras”. Ele é enrolado no corpo do motor, para que o calor que está nas latas seja transferido às suas “tiras”, e então dissipado para o ar. Figura 8 - Dissipador 2.7 Resultado Final
  13. 13. 10 3 RESULTADOS Os resultados foram obtidos a partir de dois testes realizados com o motor finalizado, em condições ambientais aproximadas. Tais testes estão descritos a seguir. 3.1 Primeiro teste O primeiro teste foi realizado ao ar livre. Utilizando como fonte de calor uma vela de parafina em uma lata de refrigerante como base. A vela foi acesa para prover calor para a fonte restituidora e por várias tentou-se iniciar o ciclo stirling sem sucesso. Notou-se que o motor esquentava, porém nenhum indício de funcionamento, mesmo que parcial como, por exemplo, a expansão do fluido de trabalho através da bexiga do pistão foi observada. 3.2 Segundo teste O segundo teste foi realizado em ambiente fechado protegido de correntes de ar mais severas. Utilizando como fonte de calor uma vela de parafina em uma lata de refrigerante como base. A vela foi acesa para prover calor para a fonte restituidora e esperou um período de 3 minutos antes que se fizesse a primeira tentativa de iniciar o ciclo stirling. Na primeira tentativa de iniciar o ciclo foi possível perceber que a expansão do fluído de trabalho estava acontecendo, porém o ciclo não iniciava. Após alguns ajustes na biela do pistão de força e virabrequim, foi observado do ciclo stirling funcionando, no entanto o disco executava somente algumas poucas revoluções, em torno de 2 a 3 e parava. 3.3 Terceiro teste O último teste foi realizado nas mesmas condições do segundo, entretanto, foi aplicado selante no furo em que a biela do pistão restituidor se movia, colocado gelo em cima da fonte restituidora e utilizado duas velas como fonte de calor.
  14. 14. 11 Foi observado ciclo stirling funcionando, no entanto o disco executava somente algumas poucas revoluções, em torno de 3 a 6 e parava.
  15. 15. 12 4 DISCUSSÃO A construção foi executada rapidamente, pois não necessitava de nada demasiadamente complexo. Porém existiram algumas partes que necessitam de maior atenção durante a construção. Apesar da aparente construção correta e várias tentativas de iniciar o ciclo stilrling, o motor não funcionou de maneira integral. A partir deste ponto foi iniciada uma investigação para elucidar as causas do mal funcionamento nos testes. No primeiro teste os indícios indicam que não houve nenhum ciclo do motor porque a fonte restituidora não atingiu a temperatura necessária para haver expansão suficiente do fluido de trabalho e a biela do virabrequim não está dimensionada corretamente. Após serem resolvidos tais problemas, o motor iniciou alguns ciclos, porém logo em seguida parava. Examinando minuciosamente todo o sistema foi possível observar que o pistão de força não estava exercendo força suficiente para restituir a revolução do virabrequim devido um vazamento que fluido de trabalho que ocasionava perda de pressão na câmara fechada. No intuito de certificar-se que havia um vazamento, todo o sistema foi submerso em água e observou-se que o furo em que a biela do pistão restituidor se descolocava estava com um diâmetro maior do que o esperado. O que ocasionava à perda de pressão no momento da expansão do gás fazendo que restituição de força fosse cada vez menor, ocasionado a parada do sistema. No terceiro teste, afim de uma tentativa de compensar o vazamento foi colocado gelo na parte superior da fonte restituidora, aplicado selante no furo em que a biela se deslocava e adicionada outra vela na fonte de calor externa. O gelo e a vela ocasiona uma diferença de temperatura maior na fonte restituidora, podendo assim a expansão do fluido de trabalho ser maior. Foi bastante notável o aumento de potência devido à diminuição do vazamento e o aumento da diferença de temperatura, fatores que não foram o bastante para compensar o vazamento. Durante o último teste também foi possível observar que o conjunto de bielas, pistão e o virabrequim não estavam transformando de maneira eficiente a força em momento binário de forças, o que também contribuía a parada do motor. A construção apesar de ser fácil merece extrema atenção na confecção do virabrequim e no ligamento das bielas ao mesmo. De mesma maneira o furo na fonte restituidora não deve deixar com vaze fluido de trabalho, pois as consequências serão catastróficas.
  16. 16. 13 5 CONCLUSÃO O motor realizou trabalho em um CD conectado ao eixo do virabrequim nas vezes em que o ciclo stirlirg foi iniciado. A construção se deu de maneira fácil, porém algumas partes como virabrequim bielas e furo superior na fonte restituidora merecem bastante atenção para evitar o mau funcionamento do motor. Todos os materiais utilizados foram de baixo custo e alguns reciclados. Foi possível identificar as etapas do ciclo stirling nos momentos em que o motor funcionou parcialmente. Apesar do mal funcionamento, a construção foi realizada e o problemas detectados podem ser evitados em futuras construções.
  17. 17. 14 REFERÊNCIAS RESNICK, R.; HALLIDAY, D.; WALKER, J. Física 2. 8ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Scrap to Power. Quick and easy Stirling engine video plans. Disponível em: <http://www.scraptopower.co.uk/can-stirling/fast-and-easy-engine>. Acesso em: 1 dez. 2013.

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