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. 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. SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................... 1
2 MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................... 5
3 RESULTADOS.......................................................................................................... 10
4 DISCUSSÃO.............................................................................................................. 12
5 CONCLUSÃO............................................................................................................. 13
REFERÊNCIAS.......................................................................................................... 14

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 11
Foi observado ciclo stirling funcionando, no entanto o disco executava somente
algumas poucas revoluções, em torno de 3 a 6 e parava.

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. 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. 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.