Motor Stirling - Combustão Externa

Introdução
O motor Stirling é um motor térmico muito diferente do motor de combustão interna do seu carro. Inventado por Robert Stirling em 1816, o motor Stirling é mais eficiente do que um motor diesel ou a gasolina. Mas hoje, os motores Stirling são usados somente em alguns casos específicos, como em submarinos ou geradores de energia auxiliares para iates, onde o funcionamento silencioso é importante. Apesar do motor Stirling não ter tido grande sucesso comercial, alguns inventores de grande talento estão trabalhando nele.
Um motor Stirling usa o ciclo Stirling, diferente dos ciclos usados nos motores de combustão interna.
Os gases usados no interior de um motor Stirling nunca saem do motor. Não existem válvulas de escape que liberem gases a alta pressão, como em um motor a gasolina ou diesel e não ocorrem explosões em seu interior. Devido a isso, os motores Stirling são muito silenciosos.
O ciclo Stirling usa uma fonte de calor, que pode ser gasolina, energia solar ou até o calor produzido por plantas em decomposição. Não ocorre nenhuma combustão no interior dos cilindros do motor.

O ciclo Stirling

O princípio fundamental de um motor Stirling é que uma quantidade fixa de gás é encerrada no interior do motor. O ciclo Stirling envolve uma série de eventos que alteram a pressão do gás no interior do motor, fazendo com que ele funcione.
Há diversas propriedades dos gases que são essenciais para o funcionamento dos motores Stirling:
>se você tiver uma quantidade fixa de gás em um volume fixo de espaço e a temperatura desse gás aumentar, a pressão também irá aumentar;
>se você tiver uma quantidade fixa de gás e comprimi-lo (diminuir o volume de seu espaço), a temperatura desse gás irá aumentar.
Vamos analisar cada parte do ciclo Stirling enquanto conhecemos um motor Stirling simplificado. O motor simplificado usa dois cilindros. Um cilindro é aquecido por uma fonte de calor externa (como uma fogueira) e o outro é resfriada por uma fonte externa de resfriamento (como gelo). As câmaras de gás dos dois cilindros são conectadas e os pistões são conectados um ao outro mecanicamente por uma articulação que determina como eles se movimentarão entre si.
Há quatro partes no ciclo Stirling. Os dois pistões na animação acima passam por todas as partes do ciclo:
1. calor é adicionado ao gás no interior do cilindro aquecido (à esquerda), causando a elevação da pressão. Isso força o pistão a se mover para baixo. Essa é a parte do ciclo Stirling que realiza trabalho;
2. o pistão esquerdo se move para cima enquanto o pistão direito se move para baixo. Isso empurra o gás aquecido para o cilindro resfriado, o que resfria rapidamente o gás para a temperatura igual a da fonte de resfriamento, baixando também sua pressão. Isso facilita comprimir o gás na próxima parte do ciclo;
3. o pistão no cilindro resfriado (direito) começa a comprimir o gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela fonte de resfriamento;
4. o pistão direito se move para cima enquanto o pistão esquerdo se move para baixo. Isso força o gás para o interior do cilindro aquecido, onde se aquece rapidamente, aumentando a pressão, ponto no qual o ciclo se repete.
O motor Stirling somente gera potência durante a primeira parte do ciclo. Há duas maneiras principais de aumentar a geração de potência.
Aumentar a geração de potência no estágio 1 - na parte 1 do ciclo, a pressão do gás aquecido empurrando o pistão realiza trabalho. Aumentar a temperatura durante essa parte do ciclo aumentará a geração de potência do motor. Uma maneira de aumentar a pressão é por meio do aumento da temperatura do gás. Quando dermos uma olhada em um motor Stirling mais adiante, veremos como um dispositivo chamado regenerador pode melhorar a geração de potência do motor ao armazenar calor temporariamente.
Diminuir o consumo de potência no estágio 3 - na parte 3 do ciclo, os pistões realizam trabalho sobre o gás, consumindo uma parte da potência produzida na parte 1. Baixar a pressão durante esta parte do ciclo pode diminuir a potência consumida durante esse estágio do ciclo, aumentando efetivamente a geração de potência do motor. Um modo de diminuir a pressão é resfriar o gás para uma temperatura mais baixa.
Esta seção descreveu o motor Stirling ideal. Os motores reais trabalham variando o ciclo levemente por causa das limitações de seu projeto. Nas próximas seções, vamos conhecer alguns tipos diferentes de motores Stirling. O motor tipo deslocador é provavelmente o mais fácil de se entender, assim, começaremos com ele.

Motor Stirling tipo deslocador

Em vez de possuir dois pistões, um motor tipo deslocador possui um pistão e um deslocador. O deslocador serve para controlar quando a câmara de gás é aquecida e quando é resfriada. Esse tipo de motor Stirling é usado algumas vezes em demonstrações em sala de aula. Você pode até comprar um kit (em inglês) para construir um você mesmo.
Esse motor pode funcionar usando somente o calor gerado pela palma de sua mão
Para funcionar, o motor requer uma diferença de temperatura entre a parte superior e a parte inferior do cilindro maior. Neste caso, a diferença entre a temperatura de sua mão e o ar ao redor é suficiente para o motor funcionar.

Temos assim dois pistões:
1. o pistão de potência: esse é o pistão menor na parte superior do motor. Ele é muito bem vedado, se move para cima à medida que o gás no interior do motor se expande;
2. o deslocador: esse é o pistão maior no desenho. Ele é muito folgado em seu cilindro, de modo que o ar pode se mover facilmente entre as seções aquecidas e resfriadas do motor à medida que o pistão se move para cima e para baixo.
O deslocador se move para cima e para baixo se o gás no motor é aquecido ou resfriado. Há duas posições:
quando o deslocador está próximo da parte superior do cilindro maior, a maior parte do gás no interior do motor é aquecida pela fonte de calor e se expande. A pressão se eleva no interior do motor, forçando o pistão para cima;
quando o deslocador está próximo da parte inferior do cilindro maior, a maior parte do gás no interior do motor se resfria e se contrai. Isso faz com que a pressão diminua, facilitando o movimento do pistão de potência para baixo e sua compressão do gás.
O motor aquece e resfria repetidamente o gás, extraindo energia da expansão e contração do gás.
A seguir, vamos dar uma olhada no motor Stirling de dois pistões.

Motor Stirling de dois pistões

Neste motor, o aquecimento do cilindro é feito por uma chama externa. O resfriamento do cilindro é feito pelo ar e ele possui aletas para ajudar o processo de resfriamento. Uma haste saliente de cada pistão é conectada a um pequeno disco, que por sua vez é conectado a um volante maior. Isso mantém os pistões se movendo quando nenhuma potência é gerada pelo motor.

A chama aquece continuamente o cilindro inferior.
1. Na primeira parte do ciclo, a pressão se eleva, forçando o pistão a se mover para a esquerda e realizar trabalho. O pistão resfriado permanece estacionário porque se encontra no ponto em que seu percurso muda de direção.
2. No estágio seguinte, ambos os pistões se movimentam. O pistão aquecido se move para a direita e o pistão resfriado se move para cima. Isso move a maior parte do gás através do regenerador e para o interior do pistão resfriado. O regenerador é um dispositivo que pode armazenar calor temporariamente. Ele pode ser uma tela de arame que foi aquecida pela passagem dos gases. A grande área superficial da tela de arame absorve rapidamente a maior parte do calor. Isso deixa pouco calor para ser removido pelas aletas de resfriamento.
3. Em seguida, o pistão no cilindro resfriado começa a comprimir o gás. O calor gerado por essa compressão é removido pelas aletas de resfriamento.
4. Na última fase do ciclo, ambos os pistões se movem: o pistão resfriado se move para baixo, enquanto o pistão aquecido se move para a esquerda. Isso força o gás através do regenerador (onde recolhe o calor que foi armazenado ali durante o ciclo anterior) e para o interior do cilindro aquecido. Nesse ponto, o ciclo recomeça.
Você pode imaginar porque ainda não há aplicações em larga escala dos motores Stirling. Na próxima seção, vamos conhecer algumas razões para isso.

Por que os motores Stirling não são mais comuns?

Há algumas características fundamentais que tornam os motores Stirling pouco práticos para uso em diversas aplicações, incluindo a maioria dos carros e caminhões.
A fonte de calor é externa, fazendo com que o motor demore um pouco a responder a mudanças na quantidade de calor que é aplicado ao cilindro: o calor demora para ser conduzido através das paredes do cilindro e para o interior do motor. Isso significa que:
o motor requer algum tempo para se aquecer antes que possa produzir potência útil
o motor não pode mudar sua geração de potência rapidamente.
Esses empecilhos praticamente asseguram que ele não substituirá os motores de combustão interna dos carros. No entanto, um carro híbrido movido a motor Stirling poderia ser viável.