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Motor de gasoil.
Ciclo diésel

Ciclo Stirling: Análise do ciclo de um motor Stirling

Ciclo Stirling: Análise do ciclo de um motor Stirling

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:

  1. fase de compressão,
  2. Fase de entrega de calor ao fluido,
  3. Fase de expansão do fluido
  4. 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

Ciclo ideal do motor StirlingO 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 do ciclo real de um motor StirlingDiagrama 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.

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Data de publicação: 22 de março de 2018
Última revisão: 22 de março de 2018