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Uma configuração e análise operacional do motor stirling, um motor termodinâmico que opera com processos baseados na transferência de calor. O texto aborda o funcionamento do motor, seus principios básicos, componentes e configurações, além de seu ciclo termodinâmico. Adicionalmente, o documento relata o processo de construção de um motor stirling didático e experimental, apresentando os resultados finais dos cálculos para seu funcionamento. O motor stirling é importante devido à sua alta eficiência e capacidade de operar com diferentes combustíveis ou fontes de calor, sendo frequentemente utilizados no aproveitamento energético. O documento também menciona empresas que já utilizam o motor stirling, como advanco, boeing company and science corporation/stm corp, cummins engine company, german company schlaich, bergermann/mero, solo kleinmotoren e wg associates.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Vitor Sacre Ribeiro Soares Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação submetido ao Corpo Docente da Engenharia Mecânica do Campus Macaé da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de Engenheiro Mecânico Macaé - RJ Julho de 2018
ii CONFIGURAÇÃO DE UM MOTOR STIRLING GAMA E ANÁLISE OPERACIONAL Vitor Sacre Ribeiro Soares TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DA ENGENHARIA MECÂNICA DO CAMPUS MACAÉ DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Examinada por:
Prof. Diego Cunha Malagueta, D. Sc. Orientador – UFRJ Macaé
Profª. Elisa Pinto da Rocha, D.Sc. Co-orientadora – UFRJ Macaé
Eng. Naiara Rinco Membro externo – UFRJ Macaé
Prof. Marcelo Silva, D.Sc. Membro interno – UFRJ Macaé
iv Este trabalho é dedicado à minha família que sempre me incentivou e apoiou durante toda a minha jornada acadêmica.
v AGRADECIMENTOS Primeiramente, gostaria de agradecer à minha família, eles que sempre me apoiaram e guiaram em minha jornada acadêmica, me mostrando a importância do estudo em minha vida. Aos meus pais, Robson e Heloisa, pelo incentivo e permissão para a dedicação exclusiva aos meus estudos. Aos meus irmãos mais velhos, Juliana e Bruno, os quais me serviram de exemplo como alunos e profissionais. Agradeço ao meu orientador Diego, que apesar das provas quilométricas de Máquinas Térmicas, me auxiliou na conclusão deste trabalho e me guiou durante o ciclo profissional do curso, não só dentro de sala, mas também fora dela. Agradeço também à minha co-orientadora Elisa, que embora tenha em parceria com Transferência de Calor me roubado algumas noites de sono, sempre esteve presente e se mostrou disponível quando precisei. Finalmente à ambos, por serem excelentes profissionais e acima de tudo humanos, sendo os dois os principais motivos por me interessar pelo “eixo” térmico do curso. Aos meus amigos, eles que me acompanharam durante as matérias mais temidas, os trabalhos mais cansativos e as noites de estudos viradas. Um agradecimento especial à Nicole e ao Mateus, que me auxiliaram no desenvolvimento deste trabalho durante a matéria “Projeto de Sistemas Térmicos”, sem eles a finalização do mesmo não seria possível. Aos companheiros de oficina, local que me proporcionou trocas de conhecimento, em especial ao Newton, pelos ensinamentos técnicos e manipulação correta do maquinário do laboratório. Por fim, a todos os professores que tive durante a graduação, os quais contribuíram para a formação do meu conhecimento e se mostraram bons amigos.
vii Summary of the Undergraduate Project presented to the Federal University of Rio de Janeiro as part of the requirements required to obtain the degree of Mechanical Engineer. CONFIGURATION OF A STIRLING GAMA MOTOR AND OPERATIONAL ANALYSIS Vitor Sacre Ribeiro Soares July 2018 Adviser: Diego Cunha Malagueta Co-Advisor: Elisa Rocha Course: Mechanical Engineering This work aimed to develop and construct a Gama configuration Stirling Motor engine and its operational analysis. First the engine was contextualized and its operation described. The items that compose the engine, as well as the assembly methodology, were highlighted. The engine was developed using different fuels, with the purpose of calculating the efficiency of the same from a comparative study with the Carnot Machine. To conclude, the data were obtained and curves were studied. Efficiencies were confronted based on their fuels and experiments. It was concluded that the efficiency of Carnot remained greater in both cases, in contrast, the exchange of fuels led to different results. Keywords: Stirling Engine, Thermal Machines, Carnot Machine, Thermal Efficiency.
x Figura 14: Vista isométrica transparente do cilindro de expansão (ANEXO 2).
xi Figura 30: Temperatura quente versus tempo. ............................................... 39 Figura 31: Rotação em função do tempo. ....................................................... 40 Figura 32: Estudo comparativo entre as propriedades analisadas no primeiro experimento...................................................................................................... 41 Figura 33: Estudo comparativo entre as propriedades analisadas no segundo experimento...................................................................................................... 41 Figura 34: Rendimentos pontuais do experimento 1. ...................................... 43 Figura 35: Rendimentos pontuais do experimento 2. ....................................... 43
Os motores a combustão foram inventados para aprimorar os processos de produção nas indústrias com o objetivo de melhorar o custo benefício, isso se deu em função da Revolução Industrial quando a competição entre as indústrias se tornou ainda mais competitiva, ou seja, tendo um melhor aperfeiçoamento da produção, a empresa estaria sempre à frente das demais. Com o advento da Revolução, a degradação ambiental foi crescente e desenfreada durante os séculos XIX e XX, com impactos evidentes no século XXI – poluição atmosférica, contaminação da água e do solo, desmatamento de florestas, o que tornou sombrias as futuras previsões para uma vida saudável no planeta. Diante deste cenário, novos equipamentos surgiram com o objetivo de minimizar a emissão de poluentes e consequentemente os danos ao meio ambiente, entre as soluções inovadoras, surgiu o Motor Stirling. De acordo com Walker (1980), o Motor Stirling é uma máquina térmica que opera em um circuito fechado. Ele trabalha com processos baseados na transferência de calor, ou seja, a partir do calor é capaz de gerar potência. É classificado como um motor de combustão externa, portanto deve obter externamente o calor necessário para o seu funcionamento. Como não há troca de fluido de trabalho durante seu funcionamento, não há necessidade da queima de um tipo específico de combustível, assim aumenta-se a gama de possibilidades de utilização de fontes térmicas. Assim, Finkelstein (1959) caracteriza a eficiência do motor como sua principal característica, relatando que alguns protótipos foram construídos pela empresa holandesa Philips nas décadas de 1950 e 1960 com índices de 45% de eficiência (se aproximando de Carnot), superando os motores a gasolina, diesel e outras máquinas a vapor. Dada a importância desta tecnologia, muitos pesquisadores estão desenvolvendo pesquisas acerca deste modelo motor. Vinícius da Cruz (2012) desenvolveu um protótipo de Motor Stirling tipo Gama utilizando resistências elétricas como fonte de calor e um fluxo de água a
temperatura ambiente para o resfriamento do trocador de calor de compressão. Uma análise matemática foi feita a partir de um método baseado na compressão e expansão isotérmica de um gás ideal, implementada em programa computacional capaz de permitir a determinação da dependência entre os parâmetros construtivos e de funcionamento do motor. Crestani (2016) realizou a construção de um Motor Stirling tipo Gama com elementos mecânicos mutáveis (providos da possibilidade de ajuste geométrico). O comparativo experimental indica o rendimento a cerca de 26% menor que o teórico. Finalmente, foi feita uma verificação entre o desvio do trabalho estimado pela equação analítica de Hirata. O protótipo realizado por Crestani (2016) foi estudado por Souza (2017) com o objetivo de aprimorá-lo analisando a transferência de calor na câmara fria. A geometria da câmara fria foi simplificada com aproximações para facilitar os cálculos. Os resultados foram obtidos a partir de cálculos iterativos, fazendo um balanço de energia entre cada uma das regiões. Todo o processo do ciclo foi considerado como regime permanente. Descrevendo os principais meios geradores de energia heliotérmica, Santos (2014) foca no sistema Disco Parabólico, este que utiliza o Motor Stirling na geração de potência, apresentando um estudo do motor e principais configurações e componentes, assim como seu ciclo termodinâmico. Por fim, é relatado o processo de construção de um Motor Stirling de carácter didático e experimental, apresentando os resultados finais dos cálculos para o seu funcionamento utilizando um concentrador teórico como fonte de calor. Em virtude dos fatos e de toda a temática a respeito do uso de energia, nota-se a importância dos estudos relacionados ao Motor Stirling. A partir dos conhecimentos obtidos e pesquisados, um novo motor tipo Gama foi projetado e seu rendimento analisado. 1.2 JUSTIFICATIVA Robert Stirling foi capaz de encontrar a solução para um problema. As máquinas a vapor responsáveis pela emissão de gases poluentes e
como estimar o rendimento deste motor e confrontá-lo diretamente com o rendimento de uma máquina térmica de Carnot. 1.4.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ▪ Contextualizar teoricamente o motor modelo Stirling; ▪ Relacionar os rendimentos dos ciclos Carnot e Stirling; ▪ Contextualizar o processo de montagem do Motor Stirling de configuração Gama e o seu respectivo dimensionamento; ▪ Obter dados de rotação e temperatura experimentalmente; ▪ Experimentar diferentes combustíveis; ▪ Obter o rendimento; ▪ Confrontar dados experimentais com analíticos. 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO No capítulo 1 foi realizada uma contextualização e introdução do tema do trabalho, mostra-se a justificativa e motivação que levaram à decisão do tema, além dos objetivos que desejam ser alcançados. Posteriormente, no capítulo 2 foi feita a revisão bibliográfica do assunto, conceituando o Motor Stirling e contando brevemente sobre sua história. Foram destacadas as diferentes configurações de um Motor Stirling, com foco na configuração Gama. Além disso, foram relacionadas as eficiências dos ciclos Carnot e Stirling. Por fim, abordaram-se as aplicações para o motor. Em seguida, no capítulo 3, descreveu-se o funcionamento operacional do motor em paralelo com os processos termodinâmicos do ciclo Stirling, além da metodologia adotada na construção do motor e sua experimentação. Para finalizar, o capítulo 4 analisou os dados obtidos através dos experimentos, permitindo a descrição do comportamento das temperaturas e da rotação no motor, além de conclusões acerca da mudança de combustível.
Segundo Pautz (2013), a famosa patente do Motor Stirling de n.° 4081, teve o título de: “Improvements for Diminishing the Consumption of Fuel, and in Particular an Engine Capable of Being Applied to the Moving (of) Machinery on a Principle Entirely New – Melhora para Redução do Consumo de Combustível, e em Particular um Motor Capaz de ser Aplicado ao Movimento de Máquina com um Princípio Completamente Novo”, e foi criada pelo escocês Robert Stirling (Figura 1) em 1816. E é de acordo com Barros (2005), descrito como o primeiro motor de ciclo fechado. . Figura 1 : Robert Stirling. Fonte: Hirata (1995). O objetivo inicial dos irmãos, James e Robert Stirling, foi a substituição do motor a vapor, este que possui grande semelhança teórica e estrutural com o Motor Stirling. Foi criado em 1816 com a intenção de criar uma máquina térmica independente de caldeiras ou vasos de pressão. A ideia consistia em converter qualquer diferença de temperatura em movimento e trabalho (DARLINGTON e STRONG, 2005).
Neste tópico serão apresentadas duas configurações para o Motor Stirling e seus processos termodinâmicos teóricos serão descritos. Existem três grupos que dividem os tipos de motores Stirling, Alfa, Beta e Gama, suas características se diferem com a configuração dos cilindros e pistões. Para o funcionamento do motor é preciso quatro processos para a geração de potência: compressão a temperatura constante, aquecimento a volume constante, expansão a temperatura constante e rejeição de calor a volume constante.
Fonte: Wagner (2014). O ciclo Stirling Beta é definido em quatro processos: 1 – 2: O pistão de trabalho é movimentado para cima e o gás é comprimido. O gás é resfriado através do circuito de água de resfriamento, com o objetivo de realizar a compressão a temperatura constante; 2 – 3: O pistão de deslocamento é movimentado para baixo, forçando o gás a passar através do canal de conexão para o volume quente, onde o gás é aquecido por um queimador. Quando o gás é aquecido, sua pressão aumenta. Porém é importante notar que o volume nesse processo é constante; 3 – 4: Ambos os pistões movimentam para cima, devido à expansão do gás. O gás é aquecido pelo exterior por um queimador com o objetivo de se obter uma expansão a temperatura constante; 4 – 1: O pistão de deslocamento é movimentado para baixo, forçando o gás a passar pelo canal de conexão para o volume frio, onde o gás é resfriado pela água de resfriamento. Quando o gás é resfriado, sua pressão reduz até a pressão inicial. É importante notar que o volume neste processo é constante.
