O ciclo Stirling é um ciclo termodinâmico que descreve o funcionamento de uma classe de equipamentos (geradores 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. Essa característica o diferencia de outros tipos de motores como o motor Otto ou o motor diesel, que são motores de combustão interna. Ambos os motores funcionam de acordo com o ciclo Otto e o ciclo diesel, respectivamente.
O ciclo Stirling é reversível. Este ciclo pode ser utilizado por geradores para obter energia mecânica a partir da aplicação de calor e uma fonte de frio (uma bomba de calor). Este ciclo também pode ser utilizado para obter energia térmica (calor) ou frio através da aplicação de energia mecânica.
O ciclo Stirling é um ciclo fechado, ou seja, o fluido que faz o ciclo fica permanentemente contido no dispositivo que realiza o ciclo e não é trocado com o exterior. Uma característica específica do ciclo original é que ele é regenerativo. Um ciclo res regenerativo quando usa um dispositivo interno específico chamado regenerador. Um regenerador é um trocador de calor que aumenta a eficiência.
O ciclo é semelhante a muitos outros ciclos, onde existem basicamente quatro fases:
- fase de compressão,
- Fase de entrega de calor ao fluido,
- Fase de expansão do fluido
- Fase de remoção de calor do fluido.
Como é frequentemente o caso na comparação entre ciclos ideais e ciclos reais, o ciclo real não é tão nitidamente separado em fases distintas e distintas. No ciclo Stirling, as sobreposições das diferentes fases são particularmente marcantes.
ciclo Stirling ideal
O ciclo Stirling ideal 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 por fora e o gás contido tem uma expansão isotérmica.
- Do ponto 2 ao ponto 3: transferência de gás quente a volume constante ou transformação isocórica; o gás passa pelo regenerador, dando-lhe parte do calor, que ficará disponível para uma fase posterior.
- Do ponto 3 ao ponto 4: compressão isotérmica, o fluido no espaço de compressão esfria, a compressão é imaginada como isotérmica.
- Do ponto 4 ao ponto 1: transferência de calor a volume constante; o fluido flui de volta através do regenerador, recuperando calor do próprio regenerador.
Embora a abordagem teórica seja conceitualmente simples, a análise termodinâmica real envolve os físicos há muito tempo. Criar um modelo de análise do ciclo real não se revelou uma tarefa trivial, pois o ciclo ideal tem apenas uma semelhança distante com o real.
O problema analítico do regenerador (o trocador de calor central no ciclo Stirling) foi considerado um dos níveis mais complexos encontrados na Engenharia.
Movimento de dispositivos mecânicos em motores Stirling
A maioria dos textos que tratam do ciclo Stirling segue o modelo altamente simplificado do ciclo Stirling ideal. Essa maneira de proceder é enganosa, pois se calcularmos as áreas do ciclo ideal (teoricamente), elas parecem ter rendimentos de energia muito altos no trabalho. No entanto, isso exigiria mecanismos fisicamente impossíveis de realizar.
Na verdade, é necessário imaginar um mecanismo prático que consiga obter algo que se assemelhe ao ciclo ideal, utilizando as peças mecânicas reais e usuais, como os pistões, e os mecanismos de manivela ligados a eles.
O uso da cinemática relacionada à rotação produz, compreensivelmente, movimentos do tipo sinusoidal das peças. O conjunto de movimentos senoidais, muitas vezes com pistões "cruzados", transformam o ciclo, representado por linhas retas ou curvas puras. em uma espécie de "feijão" achatado, em que a área interna (e, portanto, o trabalho) é drasticamente reduzida.
Algumas cinemáticas, como a chamada "Ross yoke" (biela Ross), (um elo de compromisso entre a cruzeta e uma transmissão simples por alavanca), produzem um movimento quase senoidal. Outras cinemáticas produzem movimentos diferentes, as cinemáticas possíveis governam as soluções possíveis, mas a maioria dos movimentos possíveis nem sempre são compatíveis com todas as condições de contraste de um sistema ideal.
Ciclo Stirling Reverso
Por um lado, é difícil estabelecer calor eficiente com pulsação e extrair energia eficientemente 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 através da administração de energia mecânica.
Com energia mecânica, uma pressão é gerada em um fluido confinado. A pressão para o fluido implica uma compressão e a geração de calor. Por outro lado, a energia mecânica fornecida pode gerar uma depressão ao fluido, uma expansão do mesmo. Essa expansão absorve energia térmica, ou seja, resfriamento. É o que se consegue na máquina frigorífica Stirling, obtida com dispositivos mecânicos convencionais, com (manivelas e pistões), ou com o uso inverso do motor termo-acústico, onde a pulsação mecânica é fornecida por sistemas ressonantes (motores lineares), placas piezoelétricas) que operam em frequências muito mais altas.
Diagrama PV de um ciclo real
Diagrama PV de um ciclo Stirling real; são indicadas quatro posições angulares da manivela da máquina que executa o ciclo
O ciclo real pode ser representado em um diagrama pressão-volume (PV) como uma curva fechada com uma forma; esta curva representa, com diferentes valores de pressão e temperatura, a maioria dos ciclos reais de Stirling.