motor stirling caseiro

8/3/2019 Motor Stirling Caseiro

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O USO DO CICLO STIRLING NO APROVEITAMENTO DEFONTES TRMICAS

Jonas Cordeiro da SilvaUniversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia. Av. Roraima, Cidade

Universitria, prdio7. Santa Maria, RS. CEP 97105-900

Prof. Ronaldo HoffmannUniversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia. Av. Roraima, Cidade

Universitria, Prdio7. Santa Maria, RS. CEP 97105-900

INTRODUO

A idia principal deste estudo mostrar, por uma ampla reviso de literatura,a grande aplicabilidade do ciclo termodinmico Stirling, especialmente na geraodistribuda e/ou isolada de energia. So poucas as informaes que se tem sobrepesquisas com este ciclo termodinmico em universidades brasileiras; h anecessidade de desenvolvimento de pesquisas, por brasileiros, para casosverdadeiramente voltados a nossa realidade de uso racional, mais eficiente e comaproveitamento local de diversas fontes trmicas primrias.

O ciclo termodinmico Stirling permite a construo de motores que podemfuncionar a partir de uma fonte de calor qualquer. As pesquisas so recentes em todasas partes do mundo, atualmente h algumas empresas se especializando na fabricaodos motores Stirling; h at mesmo, pesquisas que desenvolvem motores que

simplesmente operam a partir de uma fonte sonora.Os motores Stirling tm, nas suas vrias configuraes, basicamente dois

lados ou partes. A primeira a parte quente e a outra a parte fria. Esta divisoocorre devido ao estado do gs ou fluido de trabalho durante o ciclo termodinmico,na sua expanso e compresso, absorvendo e liberando calor.

O ciclo Stirling, no seu lado quente, aproveita a energia trmica (calor) deoutra fonte, que pode ser proveniente da queima de algum combustvel ou de certasquantidades de calor rejeitadas em outros ciclos, como por exemplo, oscondensadores das termoeltricas, ou o escapamento dos automveis. A partir dessecalor, o ciclo Stirling capaz de produzir trabalho, que pode ser aproveitado para agerao de energia e tambm pode funcionar como uma geladeira, em substituio

aos compressores selados atuais. A parte fria do motor Stirling o congelador(evaporador dos atuais - ciclo Rankine). Algumas empresas esto desenvolvendorefrigeradores e caixas trmicas que funcionam a partir da queima de gs e tambm apartir da energia solar.

Apesar de as pesquisas de aplicaes serem recentes, o ciclo Stirling, comoconcepo em si, bastante antigo. Em 1816, o engenheiro escocs Robert Stirlingcriou um modelo de um motor que utiliza um determinado volume de um gsqualquer, que aquecido externamente, sendo forado a entrar numa cmara devolume maior que o inicial, onde o gs pode expandir-se livremente. A energia destaexpanso pode ser usada para mover motores, gerar energia, ou outra aplicao quese desejar.


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Ou, como foi usado em 1873, para refrigerao e/ou aquecimento,absorvendo calor no estgio de compresso e liberando trabalho ou mais calor nafase de expanso. Nesta poca foram criados alguns prottipos com uso do cicloStirling.

Em breve, espera-se que os motores de combusto interna, que trabalhamcom a queima de alguns derivados de petrleo na forma lquida, entrem em desuso,devido viabilizao do ciclo Stirling e outros ciclos. Outro contemporneo doStirling, Willian Rankine, criou um ciclo que foi mais aceito para o uso narefrigerao por causa do advento dos fluidos refrigerantes, como os CFCs ou freonse outros lquidos refrigerantes.

Contudo, nos ltimos anos do sculo passado, as inovaes proporcionaramum aumento de eficincia na gerao de mdias potncias com menoresinvestimentos. O que possibilita essa reduo nos custos a significativa eficinciado ciclo Stirling, alcanada sem o uso de flor carbonos como fluido de trabalho.

Refrigeradores Stirling incorporam ao motor o uso de pisto livre

(denominados internacionalmente de: Stirling Free-Piston) e o uso de hlio ounitrognio, por exemplo, em vez de CFCs e HFCs, o que muito bem visto, tantoque as grandes corporaes esto cada vez mais usando e desenvolvendo estatecnologia. Os grandes fabricantes de veculos automotivos, como a DaimlerChrysler Corp., so os principais responsveis pelo desenvolvimento eaprimoramento da tecnologia Stirling para uso na refrigerao.

Os motores Stirling esto sendo estudados, quanto a sua viabilidade para agerao de energia eltrica, por causa de sua eficincia, que considerada por muitoscomo a melhor em relao a outros mtodos de gerao e, principalmente, quando sedeseja o uso alternativo aos combustveis fsseis.

Habitualmente, o ciclo mais utilizado (e por isso mais estudado) nos

refrigeradores domsticos, por exemplo, o ciclo Rankine. Para estes casos, o cicloStirling pode ser usado como alternativa, atuando com mais eficincia e de maneiraecolgica se comparado com os refrigeradores que ainda utilizam CFCs ou HFCs.

O ciclo Stirling pode tambm ser usado em outras aplicaes, como no casoda utilizao de um motor para obteno de trabalho mecnico, ou energia cintica,que pode ser convertida em energia eltrica. Este motor pode operar a partir de umafonte trmica, que normalmente est sendo desperdiada ou eliminada por outroprocesso qualquer. Portanto, o motor Stirling pode estar convertendo algo,normalmente perdido, em trabalho til ou energia eltrica.

Atualmente esto sendo desenvolvidos diversos estudos que objetivamprojetar e fabricar motores operando segundo o ciclo termodinmico Stirling, comomotores de pisto-livre e, at mesmo, motores que funcionam por meio devibraes provocadas por ondas sonoras, os chamados motores acsticos.


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O CICLO TERMODINMICO STIRLING

A figura a seguir representa o funcionamento do ciclo Stirling, com suas

diversas fases.

Figura 1 - Diagrama PXV do ciclo Stirling

Onde:1-2 Compresso isotrmica (na qual h tambm rejeio de calor).2-3 Calor transferido ao fluido de trabalho a volume constante.

3-4 Expanso isotrmica (h tambm transferncia de calor ao fluido detrabalho).4-1 Calor rejeitado a volume constante.


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O MOTOR STIRLING

O motor Stirling um motor trmico que trabalha a partir da energia

proveniente da expanso e contrao de um gs. De acordo com a lei dos gasesideais, que relaciona as propriedades do gs: temperatura (T), presso (P) e volume(V) com o nmero de moles (n), temos o seguinte:

PV = nRT

onde R a constante universal dos gases.Ou seja, todo ciclo termodinmico envolve transformaes com a variao de

uma destas trs grandezas fundamentais dos gases, que podem ser relacionadas deacordo com a equao.

A chamada configurao alfa (figura 2) do motor Stirling um dos trs

principais arranjos espaciais para o ciclo Stirling e, provavelmente, a mais fcil de secompreender. tambm a configurao mais adequada para o uso com motoresautomotivos. A configurao alfa se caracteriza por um arranjo simples de doiscilindros em separado que so conectados em srie por um aquecedor, um regenadore um arrefecedor ou cooler.

claro que essa descrio se constituiu na configurao mais bsica esimples do ciclo Stirling, mas existem motores com configurao alfa demulticilindros. Para o entendimento do ciclo mais fcil utilizar-se a configuraoapresentada.

Figura 2 - Configurao "alfa" do motor Stirling (fonte: Batchelor et al)

Os seguintes componentes fazem parte deste arranjo: Regenerador: este componente do motor usado para armazenar o calor

durante parte do ciclo e devolv-la ao gs durante o restante do ciclo. Aincluso deste componente do motor Stirling aumenta o rendimento, pois como seu uso o ciclo se torna mais prximo do terico. Desta forma astransformaes ocorrem em temperaturas menos variveis. Ento, oregenerador um trocador de calor composto por uma matriz de tubos ou ummetal poroso, ou ainda, simplesmente uma cadeia ou labirinto de finas placasde metal na qual as paredes do metal (aletas) que trocam calor com o gs.


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Fluido de trabalho: vrios tipos de gases podem ser utilizados, a seleoadequada do gs depende principalmente de custo e eficincia. O gs completamente isolado das partes mveis do motor em suas cmaras e devemser consideradas as presses ideais de trabalho, que variam conforme o gs.

Pistes: na configurao alfa mais simples h dois pistes. Cada qual age nolado quente do motor ou no lado frio. So ligados a um virabrequim ouum sistema de alavancas, que determina o tempo necessrio de atuao para oideal fluxo de gs no motor Stirling.

Aquecedor e cooler: o aquecimento e o arrefecimento do gs devem ocorrerem partes do ciclo. Para aquecer o gs vrias fontes de calor podem serusadas. A queima de um combustvel, por exemplo, fornece calor ao gs detrabalho que pela expanso retira calor do cooler, por isso tem-sevisivelmente o lado quente do motor e o lado frio.

COMO FUNCIONA O MOTOR

O ciclo composto por quatro processos termodinmicos seqenciais (ciclotermodinmico ideal). Cada fase do ciclo corresponde a uma transformaotermodinmica (processo) do fluido de trabalho (gs). Na realidade as fases no seprocessam isoladamente, o funcionamento aqui descrito o terico. As fases solistadas em ordem, e so vlidas para um motor de configurao alfa, conformeesquema, com o respectivo grfico presso-volume ao lado.

Sero usadas as denominaes: pisto frio para se designar o pisto do ladofrio do motor da configurao j apresentada, e pisto quente para o pisto do ladoque trabalha com as temperaturas mais elevadas. As figuras representam a fase finalda transformao.

1. Compresso isotrmica (temperatura constante)O pisto frio se move para cima at um ponto intermedirio (C i),

comprimindo o gs de trabalho, e o calor produzido pela compresso simultaneamente removido.

2. Aquecimento isovolumtrico (volume constante)O pisto do lado frio continua se movendo para cima, do ponto intermedirio

(Ci) at Cmax enquanto o pisto quente desce at o ponto intermedirio (H i) o que fazcom que o gs atravesse o regenerador. Passando pelo regenerador o gs sofre umacrscimo de temperatura, pois o regenerador esta numa temperatura maior do queTc. Com o volume constante este acrscimo na temperatura causa um aumento da

presso.


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3. Expanso isotrmicaO gs aquecido atravs de uma fonte de calor externa de temperatura (Th) e

se expande. A expanso impulsiona o pisto quente at a posio inferior (Hmin).

4. Resfriamento isovolumtricoO pisto quente retorna at a posio superior (Hmax) enquanto,

simultaneamente, o pisto frio desce (Cmin) quando o gs passa novamente atravs doregenerador entregando calor que ser usado novamente na fase dois. Estatransformao a volume constante o que causa uma queda de presso do gs. Estafase completa o ciclo.


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VANTAGENS DO CICLO STIRLING

Capacidade de utilizao de vrios combustveis: Os motores Stirling

podem utilizar qualquer tipo de combustvel ou fonte de calor. Sendo varivel orendimento em funo da fonte de energia. O motor pode funcionar sem a utilizaode combustveis fsseis; Funcionamento silencioso: nos motores Stirling no h vlvulas, nem muitoselementos mveis ou exploses peridicas, o que causa um baixssimo nvel de rudoe vibrao; Baixo desgaste interno e consumo de lubrificante: os produtos dacombusto no entram em contato direto com as partes mveis do motor (combustoexterna). Por conseguinte, no h contaminao do lubrificante como nos motoresDiesel. A maior dificuldade nos motores de combusto interna efetuar alubrificao dos pistes com perfeita vedao em temperaturas elevadas, j nos

motores Stirling no h este problema, as temperaturas so menores e as paredes domotor podem ser refrigeradas o que permite inclusive o uso da gua comolubrificante no lugar dos leos; Diferentes arranjos fsicos: os elementos essenciais num motor Stirling so:dois cilindros, um para expanso e o outro para compresso e trs trocadores decalor. Estes, aparentemente componentes simples, podem ser dispostos de diversasmaneiras possibilitando uma grande adequao ao espao fsico.

DESVANTAGES DO CICLO STIRLING

Custo: a principal desvantagem sem dvida alguma. O motor Stirling ainda

aproximadamente duas vezes mais caro se comparado a um motor Diesel de mesmapotncia. O que encarece a fabricao a produo dos trocadores de calor ideais; Perfeita vedao: os motores Stirling necessitam de boa vedao dascmaras que contm o gs de trabalho para evitar a contaminao do gs de trabalhopelo lubrificante. O rendimento do motor normalmente maior com altas presses,conforme o gs de trabalho, porm quanto maior a presso de trabalho maior adificuldade de vedao do motor. Como exemplo pode-se citar o uso de hidrognio,um gs cuja molcula de reduzido tamanho trabalhando em altas velocidade epresso (20MPa).


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EFICINCIA

Conforme j exposto, a eficincia do ciclo Stirling depende muito da presso

de trabalho e principalmente das temperaturas. A presso e a temperatura so fatoreslimitantes na construo do motor. De fato, a construo de um motor que trabalhacom presses internas elevadas e com trocadores de calor exige ateno vedao e resistncia mecnica, assim como, utilizao de materiais especiais o que, semdvida, encarece o motor.

Devido a tudo isso se deve fazer uma anlise econmica criteriosa levando-seem conta os custos iniciais e o tempo de retorno do investimento com a variao dorendimento.

A eficincia terica dos ciclos reversveis dada pela seguinte equao:

Eficincia = qf

T

T

1

Onde Tq a temperatura absoluta da fonte quente e Tf a temperaturaabsoluta da fonte fria. A eficincia real sempre menor que a terica, mas pode-seperceber claramente a relao desta com a diferena entre as temperaturas Tq e Tf.

Batchelor et al (1997) apresenta a performance do motor P150 v4 engineatravs de dois grficos:

Figura 3 Variao da eficincia do motor "P150 V4" conforme presso


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Figura 4 Variao da potncia do motor "P150 V4" conforme presso

Beale & Chen (1992) apresentaram o seguinte balano de energia para ummotor Stirling de 10kW:

Figura 5 - Balano de energia para um sistema de co-gerao de 10kW

Beale & Chen (1992) ainda apresentam as caractersticas de um prottipodesenvolvido (tabela 1) pela Sunpower Co. e indicam algumas aplicaes possveis

para tal prottipo e para tecnologia Stirling (tabela 2)


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Potncia 10kW(Max.)

Sada 120V C. A.Eficincia 35%

Comprimento 80cmDimetro 40cm

Peso 200kgVida til estimada 40000 horasFluido de trabalho Hlio a 4MpaTemperatura quente 670CTemperatura fria 60CPotncia auxiliar


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AVALIAO ECONMICA

O tempo de retorno (payback) do investimento inicial depende, em muito, do

valor do kWh no pas em questo, assim como do custo da fonte de calor e, claro,da eficincia do motor que esta relacionada com o custo inicial.Com o intuito de realizar esta anlise Lane & Beale (1996) apresentam alguns

grficos:

Figura 6 Tempo de retorno do investimento do sistema "Stirling Micro-cogen". Baseado nos preos de energia de 1995 para usurios domsticos nosEUA: gs natural-0,0206$/kWh; energia eltrica-0,0841$/kWh. Outrosparmetros: operao-4380h/ano ( 12h/dia); instalao e manuteno-$1000.

Figura 7 Tempo de retorno do investimento do sistema "Stirling Micro-cogen". Com a variao da eficincia e dos custos de manuteno e instalaocom mesmos parmetros anteriores


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O grfico da figura 6 demonstra que o tempo de retorno do investimento cai

com o aumento da eficincia do motor, como era esperado.A variao da taxa de retorno sofre uma grande variao com a diferena dos

custos de instalao/manuteno e uma menor variao com o aumento da eficinciado motor.

Figura 8 Potencial de mercado para o sistema "Stirling Micro-cogen"de 5kW e custo por kWh do sistema projetado de 10kW.

H um grande potencial de mercado que melhora com o acrscimo dasvendas e a diminuio dos custos.

Alm disso, o ciclo Stirling pode ser usado em outros casos alm da geraode energia eltrica. Pode ser em casos associados com outros ciclos termodinmicos,como cita Wood & Lane (2000) o uso combinado dos ciclos Rankine e Stirling, queneste caso funciona a partir da queima de um gs combustvel (butano, propano, gsnatural) e transmite somente potncia para o sistema Rankine que funciona comobomba de calor, isto , para aquecimento de ambientes ou gua.

Para refrigerao o ciclo Stirling usado na substituio do Rankinetradicional. Berchowitz & Shonder (1991) apresentam um refrigerador chamado de

Duplex Stirling que funciona a partir da queima do gs natural.O clculo da aplicabilidade econmica depende do preo do gs natural.

Berchowitz & Shonder (1991) apresentam uma tabela com a anlise dos custos deacordo com a regio dos Estados Unidos:


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Custo do combustvel

($/kW)Custo de operao ($/hora)

Regio dos EUA Eletricidade Gs Natural TECUMESH*

AE 1390290 Watts

DUPLEX

STIRLING433 WattsNew England 0,100 0,024 2,10 1,05Middle Atlantic 0,117 0,022 2,45 0,96East North Central 0,090 0,017 1,89 0,75West North Central 0,080 0,016 1,67 0,68South Atlantic 0,088 0,021 1,84 0,92East South Central 0,074 0,017 1,55 0,74West South Central 0,083 0,018 1,73 0,76Mountain 0,084 0,017 1,76 0,73Pacific Contiguous 0,069 0,018 1,43 0,79Pacific Non-Contiguous

0,103 0,014 2,15 0,61

Mdia nos EUA 0,089 0,018 1,86 0,79*Refrigerador que utiliza o ciclo Rankine.

Tabela 3 - Anlise comparativa dos custos de refrigerao.Adaptado deBerchowitz & Shonder (1997).

No Brasil, talvez em breve, com a operao do gasoduto Brasil/Bolvia e seusramais, alm da ampliao do gasoduto que vem da Argentina, sejam econmicos os

diferentes usos deste tipo de refrigerador, como os de porte maior em supermercados,aougues, centrais de refrigerao e cmaras frias.


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