Ciclo termodinâmico stirling

MOTOR STIRLING
1. Introdução
O motor Stirling é um motor térmico muito diferente do motor de combustão interna dos
automóveis, por exemplo.
Inventado por Robert Stirling em 1816, o motor Stirling é mais eficiente do que um motor diesel
ou a gasolina. Mas hoje, os motores Stirling são usados somente em alguns casos específicos, como
em submarinos ou geradores de energia auxiliar para iates, onde o funcionamento silencioso é
importante. Apesar do motor Stirling não ter tido grande sucesso comercial, alguns inventores de
grande talento trabalham ainda hoje neste motor.
O Ciclo Termodinâmico Stirling
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. Há diversas propriedades dos gases que são
essenciais para o funcionamento dos motores Stirling:
● Se houver uma quantidade fixa de gás em um volume fixo de espaço e a temperatura desse gás
aumentar, a pressão também aumenta;
● Se houver uma quantidade fixa de gás e essa for comprimida, diminuindo o volume de seu espaço,
a temperatura desse gás aumenta.
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). Essa é a parte do ciclo Stirling
que realiza trabalho.
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.
Este é o ciclo idealizado, válido para gases perfeitos, que diverge do ciclo real medido por
instrumentos. Não obstante, encontra-se muito próximo do chamado Ciclo de Carnot, que
estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas.
Figura 2 - Diagrama PxV do Ciclo de Carnot.
O MOTOR STIRLING
O motor Stirling surpreende por sua simplicidade, pois consiste de duas câmaras em diferentes
temperaturas que aquecem e resfriam um gás de forma alternada, provocando expansão e contração
cíclicas, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um eixo comum. O gás utilizado nos modelos
mais simples é o ar. Hélio ou hidrogênio pressurizado (até 15 MPa) são empregados nas versões de
alta potência e rendimento, por serem gases com condutividade térmica mais elevada e menor
viscosidade, isto é, transportam energia térmica (calor) mais rapidamente e tem menor resistência ao
escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contrário dos motores de combustão interna,
o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor; trata-se, portanto de uma máquina de ciclo
fechado.
Figura 3 – Ilustração da Patente de Robert Stirling de 1816.

Teoricamente, o motor Stirling é a máquina térmica mais eficiente possível. Alguns protótipos
construídos pela empresa holandesa Phillips nos anos 50 e 60 chegaram a índices de 45%,
superando facilmente os motores a gasolina, diesel e as máquinas a vapor (eficiência entre 20% e
30%). A fim de diminuir as perdas térmicas, geralmente é instalado um "regenerador" entre as
câmaras quente e fria, onde o calor (que seria rejeitado na câmara fria) fica armazenado para a fase
seguinte de aquecimento, incrementando sobremaneira a eficiência termodinâmica.
Há três configurações básicas deste tipo de motor:
● Alfa - com cilindros em V;
Figura 4 – Stirling da Philips dos anos 50
Figura 5 – Stirling na configuração Alfa

● Beta - com êmbolos coaxiais num mesmo cilindro;
● Gama - com cilindros em linha.
Figura 6 – Stirling modelo Beta
Figura 7 – Stirling modelo Beta na configuração Rômbica
Figura 8 – Ciclo e modelo Stirling na
configuração “Gama”

O motor Stirling é um motor térmico que trabalha a partir da energia proveniente da expansão e
contração de um gás e 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):
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 chamada configuração “alfa” (figura 2 e 8) do motor Stirling é um dos três principais arranjos
espaciais para o ciclo Stirling e, provavelmente, a mais fácil de compreender. É também a
configuração mais adequada para o uso com motores automotivos. A configuração alfa se caracteriza
por um arranjo simples de dois cilindros em separado que são conectados em série por um
aquecedor, um regenerador e um arrefecedor ou cooler.
É claro que essa descrição se constituiu na configuração mais básica e simples do ciclo Stirling,
mas existem motores com configuração alfa de multicilindros. Para o entendimento do ciclo é mais
fácil utilizar-se a configuração apresentada abaixo.
Os seguintes componentes fazem parte deste arranjo:
- Regenerador: este componente do motor é usado para “armazenar” o calor durante parte do
ciclo e devolvê-la ao gás durante o restante do ciclo. A inclusão deste componente do motor Stirling
aumenta o rendimento, pois com o seu uso o ciclo se torna mais próximo do teórico. Desta forma as
transformações ocorrem em temperaturas menos variáveis. Então, o regenerador é um trocador de
calor composto por uma matriz de tubos ou um metal poroso, ou ainda, simplesmente uma cadeia ou
labirinto de finas placas de metal na qual as paredes do metal (aletas) é que trocam calor com o gás;
- Fluido de trabalho: vários tipos de gases podem ser utilizados, a seleção adequada do gás
depende principalmente de custo e eficiência. O gás é completamente isolado das partes móveis do
motor em suas câmaras e devem ser consideradas as pressões ideais de trabalho, que variam
conforme o gás;
- Pistões: na configuração alfa mais simples há dois pistões. Cada qual age no “lado quente” do
motor ou no “lado frio”. São ligados a um virabrequim ou um sistema de alavancas, que determina o
tempo necessário de atuação para o ideal fluxo de gás no motor Stirling;
- Aquecedor e cooler: o aquecimento e o arrefecimento do gás devem ocorrer em partes do
ciclo. Para aquecer o gás várias fontes de calor podem ser usadas. A queima de um combustível, por
exemplo, fornece calor ao gás de trabalho que pela expansão retira calor do cooler, por isso tem-se
visivelmente o lado quente do motor e o lado frio;
Figura 9 – Configuração "alfa" do motor Stirling

COMO FUNCIONA O MOTOR
O “ciclo” é composto por quatro processos termodinâmicos seqüenciais (ciclo termodinâmico
ideal). Cada fase do ciclo corresponde a uma transformação termodinâmica (processo) do fluido de
trabalho (gás). Na realidade as fases não se processam isoladamente, o funcionamento aqui descrito
é o teórico. As fases são listadas em ordem, e são válidas para um motor de configuração “alfa”,
conforme esquema, com o respectivo gráfico pressão-volume ao lado. Serão usadas as
denominações: “pistão frio” para se designar o pistão do lado frio do motor da configuração já
apresentada, e “pistão quente” para o pistão do lado que trabalha com as temperaturas mais
elevadas. As figuras representam à fase final da transformação.
1. Compressão isotérmica (temperatura constante)
O pistão frio se move para cima até um ponto intermediário (Ci), comprimindo o gás de
trabalho, e o calor produzido pela compressão é simultaneamente removido.
2. Aquecimento isovolumétrico (volume constante)
O pistão do lado frio continua se movendo para cima, do ponto intermediário (Ci) até Cmax
enquanto o pistão quente desce até o ponto intermediário (Hi) o que faz com que o gás atravesse o
regenerador. Passando pelo regenerador o gás sofre um acréscimo de temperatura, pois o
regenerador esta numa temperatura maior do que Tc. Com o volume constante este acréscimo na
temperatura causa um aumento da pressão.
3. Expansão isotérmica
O gás é aquecido através de uma fonte de calor externa de temperatura (Th) e se expande. A
expansão impulsiona o pistão quente até a posição inferior (Hmin).
Figura 10 – Compressão isotérmica
Figura 11 – Aquecimento isovolumétrico
Figura 12 – Expansão Isotérmica

4. Resfriamento isovolumétrico
O pistão quente retorna até a posição superior (Hmax) enquanto, simultaneamente, o pistão frio
desce (Cmin) quando o gás passa novamente através do regenerador entregando calor que será
usado novamente na fase dois. Esta transformação é a volume constante o que causa uma queda de
pressão do gás. Esta fase completa o ciclo.
Conforme já exposto, a eficiência do ciclo Stirling depende muito da pressão de trabalho e
principalmente das temperaturas. A pressão e a temperatura são fatores limitantes na construção do
motor. De fato, a construção de um motor que trabalha com pressões internas elevadas e com
trocadores de calor exige atenção à vedação e à resistência mecânica, assim como, utilização de
materiais especiais o que, sem dúvida, encarece o motor.
Devido a tudo isso se deve fazer uma análise econômica criteriosa levando-se em conta os
custos iniciais e o tempo de retorno do investimento com a variação do rendimento.
A eficiência teórica dos ciclos reversíveis é dada pela seguinte equação:
Onde Tq é a temperatura absoluta da fonte quente e Tf é a temperatura absoluta da fonte fria. A
eficiência real é sempre menor que a teórica, mas pode-se perceber claramente a relação desta com
a diferença entre as temperaturas Tq e Tf.
PRINCIPAIS VANTAGENS
As vantagens do motor são muito pouco poluente porque a combustão é contínua ao contrário
do que acontece na maior parte dos outros motores, permitindo assim uma maior eficiência, pois
consome mais completa e eficientemente o combustível que estiver a usar. É um motor muito
silencioso e que não apresenta vibração porque não acontecem explosões no seu interior. É também
um motor multicombustível, pois pode utilizar quase todas as fontes energéticas conhecidas, desde
gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel, biogás, GLP, energia solar, até calor geotérmico e
outros.
Baixo desgaste interno e consumo de lubrificante: os produtos da combustão não entram em
contato direto com as partes móveis do motor (combustão externa). Por conseguinte, não há
contaminação do lubrificante como nos motores Diesel.
A maior dificuldade nos motores de combustão interna é efetuar a lubrificação dos pistões com
perfeita vedação em temperaturas elevadas, já nos motores Stirling não há este problema, as
temperaturas são menores e as paredes do motor podem ser refrigeradas o que permite inclusive o
uso da água como lubrificante no lugar dos óleos.
Figura 12 – Expansão Isotérmica
Eficiência

PRINCIPAIS DESVANTAGENS
Uma desvantagem desse tipo de motor está em vencer a inércia, ou seja, consiste na sua
dificuldade em começar o seu funcionamento e em variar rapidamente a sua velocidade de rotação o
que torna difícil a sua aplicação a veículos como carros, embora modelos de propulsão híbrida
(eléctrico e motor térmico) possam ser viáveis.
O custo é a principal desvantagem sem dúvida alguma. O motor Stirling ainda é
aproximadamente duas vezes mais caro se comparado a um motor Diesel de mesma potência. O que
encarece a fabricação é a produção dos trocadores de calor ideais;
Outra desvantagem são alguns problemas técnicos que apresentam quanto ao sistema que
utilizam para impedir fugas de combustível, principalmente quando se usam gases inertes, como por
exemplo, o hélio, por serem difíceis de controlar sobre alta pressão. Por serem pouco conhecidos na
nossa sociedade, a sua aquisição e manutenção tornam-se um pouco cara.
PRINCIPAIS APLICAÇÕES
No que diz respeito às suas aplicações, são muito usados em motores de submarinos, por
serem silenciosos e também pela mesma razão são usados como geradores auxiliares de energia em
iates.
São aplicados também em sistemas de refrigeração por serem mais ecológicos e eficientes. A
NASA encontra-se a estudar e a testar a sua aplicação na indústria espacial e por fim, também são
utilizados na captação de energia solar, além de energia motriz para bombeamento de água em
regiões desprovidas de energia elétricas.
São utilizados para refrigeração industrial, Cogeração industrial, Sistema de cogeração
residencial, porém em baixa escala, visto que o retorno desse investimento, em linhas gerais,
depende do custo da energia elétrica da região ou país, tornando-se inviável na maioria das vezes.
Um aperfeiçoamento do motor Stirling chamado de motor sônico (eficiência de 18%), está em
estudo para substituir os geradores termoelétricos (eficiência de 7%), em uso actualmente nas
sondas espaciais.
REPORTAGEM
Motor Stirling a Plutônio vai Impulsionar naves da NASA

Propulsão a Plutônio
Figura 13 – Os geradores de energia alimentados por plutônio, chamados Geradores
Termoelétricos de Radioisótopos, não devem ser confundidos com reatores nucleares.
(Imagem: Sunpower) New Scientist e Northwestern University -14/02/2012

Uma nova forma de usar plutônio para gerar energia e que pode permitir a exploração do
Sistema Solar pelo Homem. A NASA pretende testar a nova tecnologia de propulsão o mais rápido
possível.
Várias sondas espaciais da NASA têm sido alimentadas por plutônio - especialmente aquelas
que, como as missões Cassini para Saturno e Novos Horizontes para Plutão, precisam viajar
longe demais do Sol para usarem a energia solar.
Os geradores de energia alimentados por plutônio, chamados Geradores Termoelétricos de
Radioisótopos, não devem ser confundidos com reatores nucleares, que aceleram artificialmente as
reações nucleares para gerar energia. Em vez disso, eles usam o calor do decaimento passivo do
plutônio-238, cujos núcleos são instáveis e se dividem de forma espontânea, ou seja, os geradores
de radioisótopos são uma espécie de usina nuclear mais calma, que deixa as coisas acontecerem
normalmente. Isso produz muito menos energia, mas requer um equipamento muito mais simples e
mais confiável. O problema é que a reserva de plutônio-238 dos EUA é uma herança da época da
Guerra Fria, e está se esgotando. Assim, é necessário aproveitá-lo o melhor possível.
Entra então em cena o mais avançado Gerador Stirling de Radioisótopos. Ele consegue tirar até
quatro vezes mais energia da mesma massa de plutônio que seus antecessores. Segundo um
relatório do Conselho Nacional de Pesquisas dos Estados Unidos, isto torna o novo gerador uma das
principais tecnologias que a NASA deve desenvolver nos próximos 10 anos.
O projeto é baseado em um tipo de motor - o motor Stirling - idealizado há mais 200 anos, no
qual as diferenças de temperatura entre duas câmaras de gás acionam um pistão - essencialmente
um motor a vapor onde o vapor é substituído por ar levemente aquecido.
Enquanto os mais antigos geradores termoelétricos de radioisótopos aquecem uma das
extremidades de um termopar - um componente no qual uma diferença de temperatura entre suas
duas extremidades cria uma corrente elétrica - o mais moderno gerador Stirling de radioisótopos usa
o calor do plutônio em decaimento para acionar um pistão, que por sua vez aciona um gerador
elétrico.
Figura 12 – Eficiente e promissor, mas nada novo. Quatro futuros motores espaciais em testes
no laboratório. (Imagem: Sunpower)

Tempo de vida do motor de Radioisótopos
Embora o gerador Stirling de radioisótopos nunca tenha sido testado no espaço, a ideia é usá-lo
para enviar uma nave não tripulada à lua Titã, de Saturno. Isto seria um primeiro teste para, quem
sabe, abrir caminho para o homem, que poderia começar a sonhar em ir além de Marte.
Nas naves Voyager, os instrumentos construídos pelo homem que mais se distanciaram da
Terra até hoje, estão no espaço há 34 anos. Isto significa que uma viagem de ida e volta pelo mesmo
percurso e com a mesma tecnologia, superaria o tempo de vida de um astronauta.
Já a sonda Novos Horizontes, que está a caminho de Plutão, aproveita uma conjunção
planetária favorável que a levará ao destino em muito menos tempo: ela partiu em 2006 e chegará ao
planeta-anão em 2015.
PRINCIPAIS FORNECEDORES
US Engines Corp (EUA)– Fabricante de motores diferenciais de baixa temperatura para navios e
trens.
Hyporex Technologies Inclrm (Canadá) – Fabricante de Ventiladores e Refrigeradores.
Shanghai Yuao Refrigerant Equipment Colrm, Ltdlrm (China) - Fabricante de bombas d água.
Guette-Feinwerktechnik (Alemanha) – Fabricante de motores Stirling para fins didáticos
PRINCIPAIS COMPRADORES
Os compradores se limitam a empresas do campo de pesquisas da indústria Bélica e
Aeroespacial mundial, para geração alternativa de energia em projetos que demandem necessidades
específicas de geração de energia como programas para lançamento de sondas espaciais (NASA) ou
indústria naval.
No Brasil, talvez em breve, com a operação do gasoduto Brasil/Bolívia e seus ramais, além da
ampliação do gasoduto que vem da Argentina, sejam econômicos os diferentes usos deste tipo de
refrigerador, como os de porte maior em supermercados, açougues, centrais de refrigeração e
câmaras frias.
Outros compradores desse tipo de equipamento são pesquisadores se limitam à compra de
modelos para fins didáticos.
CUSTOS GERAIS
Os custos estão diretamente relacionados ao campo de aplicação. Podem-se ter modelos
didáticos a partir de U$35 até modelos de escala e aplicações industriais com valores superiores a
U$1500, sem considerar modelos que são objetos de pesquisas em programas espaciais e podem
custar milhares ou até mesmo milhões de dólares.

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