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Ciclo de Stirling

Ciclo de Stirling

O ciclo de Stirling é um ciclo termodinâmico que descreve a operação de uma classe de equipamentos (gerando ou operando máquinas). O ciclo descreve o motor Stirling original que foi inventado e patenteado em 1816 pelo reverendo Robert Stirling, ajudado substancialmente por seu irmão engenheiro.

O motor Stirling é um motor de combustão externa. Esta característica diferencia-o de outros tipos de motores, como o otomotor ou o motor a diesel, que são motores de combustão interna. Ambos os motores operam de acordo com o ciclo otto e o ciclo diesel, respectivamente.

O ciclo de Stirling é reversível. Este ciclo pode ser usado por geradores para obter energia mecânica a partir da aplicação de calor e uma fonte fria (uma bomba de calor). Você também pode usar este ciclo para obter energia térmica (calor) ou fria aplicando energia mecânica.

O ciclo de Stirling é um ciclo fechado, isto é, o fluido que faz com que o ciclo permaneça contido no aparelho que realiza o ciclo e não troca com o exterior. Uma característica específica do ciclo original é que ele é regenerativo. Um ciclo de recuperação regenerativo quando você usa um dispositivo interno específico chamado regenerador. Um regenerador é um acumulador de permutador de calor que aumenta a eficiência.

O ciclo é semelhante a muitos outros ciclos, onde existem basicamente quatro fases:

  • Fase de compressão
  • Fase de transferência de calor para o fluido
  • Fase de expansão fluida
  • Fase de remoção de calor fluido

     

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  • Como freqüentemente acontece na comparação entre ciclos ideais e ciclos reais, o ciclo real não é tão perfeitamente separado em fases distintas e distintas. No ciclo de Stirling, as superposições das diferentes fases são particularmente impressionantes.

    Ciclo Ideal de Stirling

    Ciclo ideal do motor Stirling O ciclo ideal de Stirling consiste em quatro fases termodinâmicas que atuam no fluido do ciclo (veja o diagrama à direita):

    • Do ponto 1 ao ponto 2: expansão isotérmica. O compartimento de expansão é aquecido a partir do exterior e o gás contido tem uma expansão isotérmica.
    • Do ponto 2 ao ponto 3: transferência de gás quente para volume constante ou transformação isocórica; o gás passa através do regenerador produzindo uma parte do calor, que permanecerá disponível para uma fase posterior.
    • Do ponto 3 ao ponto 4: compressão isotérmica, o fluido no espaço de compressão é resfriado, a compressão é imaginada isotérmica.
    • Do ponto 4 ao ponto 1: transferência de calor a volume constante; o fluido retorna através do regenerador, recuperando o calor do mesmo regenerador.

    Embora o critério teórico seja conceitualmente simples, a análise termodinâmica real envolveu os físicos por um longo tempo. A criação de um modelo de análise do ciclo real não se mostrou uma tarefa trivial, já que o ciclo ideal tem apenas uma semelhança distante com o real.

    O problema analítico do regenerador (o trocador de calor central no ciclo de Stirling) foi julgado como um dos níveis mais complexos que podem ser encontrados em Engenharia.

    Movimentação de dispositivos mecânicos em motores Stirling

    A maioria dos textos que tratam do ciclo de Stirling seguem o modelo muito simplificado do ciclo ideal de Stirling. Este modo de proceder é enganoso, dado que, se calcularmos as áreas do ciclo ideal (teoricamente), aparecem rendimentos de energia muito elevados no trabalho. No entanto, isso exigiria mecanismos impossíveis de realizar fisicamente.

    Na verdade, é necessário imaginar um mecanismo prático que consegue obter algo que se assemelha o ciclo ideal, utilizando as peças mecânicas reais e usuais, tais como pistões e mecanismos de manivela ligados a estes.

    O uso da cinemática relacionada à rotação produz, como é compreensível, movimentos de partes do tipo senoidal. O conjunto de movimentos sinusoidais, muitas vezes com pistões "cruzados", transforma o ciclo, representado por linhas retas ou curvas puras. em uma espécie de "feijão" achatado, no qual a área interna (e, portanto, o trabalho) é drasticamente reduzida.

    Alguns cinemáticos, como o chamado "jugo de Ross" (a vara de Ross), (uma ligação de compromisso entre a cabeça cruzada e uma simples transmissão por alavanca), produzem um movimento quase sinusoidal. Outros cinematismos produzem diferentes movimentos, os possíveis cinemismos governam as possíveis soluções, mas a maioria dos movimentos possíveis nem sempre são compatíveis com todas as condições de contraste de um sistema ideal.

    Ciclo de Stirling Inverso

    Por um lado, é difícil estabelecer um calor eficiente com pulsação e efetivamente extrair a energia do sistema pulsador. Por outro lado, também é ainda mais difícil praticar o ciclo reverso. O ciclo reverso envolve a obtenção de calor ou frio pela administração de energia mecânica.

    Com energia mecânica, uma pressão é gerada para um fluido confinado. A pressão no fluido implica uma compressão e a geração de calor. Por outro lado, a energia mecânica fornecida pode gerar uma depressão no fluido, uma expansão do mesmo. Essa expansão absorve energia térmica, isto é, um resfriamento. Isto é o que é conseguido na máquina de refrigeração Stirling, obtida com dispositivos mecânicos convencionais, com (manivelas e pistões), ou com o uso inverso do motor termoacústico, onde a pulsação mecânica é fornecida por sistemas ressonantes ( motores lineares), placas piezoelétricos) que operam em freqüências muito mais altas.

    diagrama de PV de um ciclo real

    Diagrama PV do ciclo real de um motor Stirling Diagrama PV de um ciclo real de Stirling; quatro posições angulares da manivela da máquina que executa o ciclo são indicadas

    O ciclo real pode ser representado em um diagrama de pressão-volume (PV) com uma curva fechada com uma forma; essa curva representa, com diferentes valores de pressão e temperatura, a maioria dos ciclos reais de Stirling.

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    Última revisão: 22 de março de 2018