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As diferentes configurações do motor stirling, sua definição, modelagem matemática e funcionamento. Além disso, discute-se a importância de estudar e desenvolver motores stirling devido à sua eficiência, baixa emissão de poluentes e capacidade de operar com fontes de calor alternativas, como a energia solar. O texto também descreve o processo de obtenção das dimensões dos componentes do motor e sua classificação.
Tipologia: Esquemas
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Não perca as partes importantes!
Universidade Federal da Paraíba Centro de Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Mestrado - Doutorado
Aos meus pais, Luiz Francisco da Cruz e Maura Maria Guimarães da Cruz, por terem me dado todas as condições de realizar todos os meus sonhos;
A minha esposa, Juliana Abath Cananéa, pelo incentivo, companheirismo e apoio nos momentos mais importantes da minha vida;
Ao nosso filho, que acaba de nascer, Pedro Abath Cananéa C. Guimarães, que chega para abrilhantar ainda mais nossas vidas e aguçar nosso sentimento de luta e vontade de viver;
Aos meus irmãos Vitor Guimarães, Vagner Guimarães e Valentina Guimarães pelo apoio e confiança;
Ao Professor José Maurício Alves de Matos Gurgel, pela orientação e por todas as oportunidades que me foram dadas;
A todos os professores e funcionários do Laboratório de Energia Solar, pelo apoio e atenção dispensada, em especial, Hernandes (soldador), Diógenes e Sérgio.
Aos amigos que fiz durante o mestrado, Igor Cavalcanti da Silveira, Marco César Lima Cordeiro e Kleber Lima Cezar;
Ao professor Marcio Gomes da Silva, pela amizade e ensinamentos e aos doutorandos, Joselma Araújo de Amorim, Cícero Herbert Teixeira Andrade e Herbert Melo Vieira, pelo apoio de sempre.
O presente trabalho consiste no desenvolvimento experimental de um motor Stirling tipo gama. São apresentadas inicialmente as diferentes configurações deste tipo de motor (alfa, gama e beta), a definição do ciclo de Stirling e a modelagem matemática para cada configuração. Uma análise matemática é feita através da teoria de Schmidt, que é um método baseado na compressão e expansão isotérmica de um gás ideal, implementada em programa computacional permitindo determinar a dependência entre os parâmetros construtivos e de funcionamento do motor. A revisão bibliográfica contempla as principais configurações de motores Stirling e várias condições de funcionamento, alimentados por diversos tipos de combustíveis. A parte experimental do trabalho é a montagem de um protótipo de motor Stirling tipo gama sem regenerador tendo o ar como fluido de trabalho, utilizando resistências elétricas como fonte de calor e um fluxo de água a temperatura ambiente para o resfriamento do trocador de calor de compressão. Os testes do motor serão realizados a pressão atmosférica, para temperaturas de 100 a 600 °C e rotações de 100 a 400 rpm, os resultados são apresentados em gráficos e discutidos.
Palavras- chaves: Motor de Stirling, Motor de ar quente, Ciclo de Stirling, Teorema de Schmidt.
Fig. 1.1 - Reserva e produção mundiais de petróleo em 2004. Fonte: Olade – Organização Latino-Americana de Energia, 2005, apud Barros, 2005. ......................... 11 Fig. 2.1 - Desenho esquemático com equipamento de teste, (KARABULUT, 1998) .. 15 Fig. 2.2 - Motor Stirling tipo alfa fabricado por Karabulut (1998) ............................... 16 Fig. 2.3 - Variação da potência em função da pressão para diferentes temperaturas da fonte quente. (Karabulut, 1998) ..................................................................................... 17 Fig. 2.4 - Variação da potência em função da temperatura da fonte quente para diferentes pressões(Karabulut, 1998) ............................................................................. 17 Fig. 2.5 - Motor Stirling construído por Scollo a partir de um compressor de ar .......... 18 Fig. 2.6 - Protótipo de motor Stirling desenvolvido por Tavakolpour, 2007. ............... 19 Fig. 2.7 - Trabalho total por ciclo em função do anglo de fase (TAVAKOLPOUR,
Fig. 4.12 - Variação da potência em função da temperatura para diferentes pressões. (Karabulut, 1998) ........................................................................................................... 64 Fig. 4.13 – Potência em função da temperatua da fonte quente obtida por Schmidt ( rpm) ................................................................................................................................ 65
LISTA DE QUADROS Quadro (2.1) - Especificações técnicas do motor fabricado por Karabulut (1998) ........ 16 Quadro (2.2) - Especificações do motor Stirling desenvolvido por Manrique et al. (2009) ............................................................................................................................. 24 Quadro (2.3) - Especificações do motor Stirling desenvolvido por Cinar et al. (2004) ............................................................................................................................. 25 Quadro (2.4) - Considerações usadas na teoria de Schmidt ........................................... 35 Quadro (2.5) - Parâmetros utilizados na teoria de Schmidt ............................................ 36 Quadro (3.1) – Parâmetros construtivos e de funcionamento obtidos através do teorema de Schmidt ...................................................................................................................... 49
A Área para Transferência de Calor c Capacidade de Calor kJ/kgK C Trocador de Calor de Resfriamento, Espaço de Compressão Dx Ângulo de Fase ° E Espaço de Expansão EC Energia Indicada de Compressão J EE Energia Indicada de Expansão J EI Energia Indicada J H Trocador de Calor de Aquecimento (Heater) K Condutividade Térmica kW / mK K Cooler kWe kW elétrico n Rotação do Motor rpm P Pressão Bar L Potencia kW PC Pressão no Espaço de Compressão Bar
PC Potência Indicada de Compressão W PE Potência Indicada de Expansão W Pel Potência Elétrica kW Pi Potencia Indicada W Q Taxa de Transferência de Calor kW R Regenerador, Constante Universal dos gases s Entropia kJ/kgK t Temperatura Relativa T Temperatura °C TC Temperatura do Cooler, e no espaço de compressão K TE Temperatura no Espaço de Expansão K TH Temperatura do Aquecedor K v Volume Morto Relativo VC Volume Momentâneo do Espaço de Compressão m^3 VDC Volume Morto do Espaço de Compressão m^3 VDE Volume Morto do Espaço de Expansão m^3 VE Volume Momentâneo do Espaço de Expansão m^3 VR Volume do Regenerador m^3 VSC Volume Percorrido Pelo Pistão de Compressão m^3 VSE Volume Percorrido Pelo Pistão de Expansão ou de Deslocamento m^3 X Volume Morto Relativo W Potência Mecânica W
SUBSCRITOS C relativo ao volume de compressão, relativo ao Cooler E relativo ao volume de expansão H Relativo ao trocador de calor de aquecimento (Heater) R relativo ao regenerador LETRAS GREGAS η Eficiência ρ Densidade Kg/m 3
A constante tentativa de diminuir a utilização de combustíveis fósseis e utilizar combustíveis alternativos reduzindo a emissão de poluentes motivou a retomada do interesse pelos motores Stirling, pois este tipo de motor necessita apenas de uma fonte de calor independentemente do tipo de combustível, podem alcançar alta eficiência e ser alimentados inclusive através da energia solar. Este interesse deu-se, também, pelo avanço de fatores como a tecnologia dos materiais, dos processos de fabricação e sistemas de selagem, fatores que inviabilizaram os motores Stirling levando-os ao desaparecimento comercial e desinteresse pela tecnologia no início do século XX (BARROS, 2005). Outra motivação importante na retomada dos motores Stirling é sua capacidade de converter energia térmica em mecânica sem explosão, como no caso do motor de combustão interna, levando a uma operação silenciosa e limpa, que são essenciais para aplicações especiais, tais como operações militares e usos médicos (TLILI, TIMOUMI, NASRALLAH, 2006). O motor Stirling representa uma alternativa para eletrificação de comunidades remotas e que não são amparadas pela rede elétrica convencional, pois podem operar alimentados através de qualquer fonte de calor. Ainda existem diversas limitações para o desenvolvimento desse tipo de motor, porém se as restrições operacionais forem resolvidas, diferentes opções de projetos viáveis podem ser encontradas (SHENDAGE et al., 2010). Em relação à eficiência térmica, o motor Stirling pode superar a de outros sistemas como, por exemplo, os de ciclo de Rankine e pode revelar-se mais barato em comparação com outras unidades solares fotovoltaicas (SHENDAGE et al., 2010).
1.2 OBJETIVO
O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento experimental de um protótipo de motor Stirling tipo gama sem regenerador utilizando ar como fluido de trabalho. Primeiramente serão obtidas as dimensões dos componentes do motor através do teorema de Schmidt utilizando como dados de entrada os parâmetros de funcionamento normalmente utilizados em motores Stirling. O teorema de Schmidt também será utilizado para verificação da relação entre os parâmetros construtivos e de funcionamento do motor, estas relações são em seguida confrontadas com os dados experimentais obtidos.
O capítulo II apresenta uma revisão bibliográfica mostrando o projeto e a construção de várias configurações de motores Stirling utilizando diferentes tipos de fluidos de trabalho e diferentes fontes de calor, bem como os dados experimentais obtidos. Este capítulo também descreve o funcionamento do motor Stirling, o ciclo termodinâmico e a classificação conforme disposição dos pistões bem como o teorema de Schmidt para as configurações Alfa, Beta e Gama. São apresentados os gráficos relacionando os principais parâmetros do motor, gerados a partir do teorema, e o diagrama pressão x volume. O capítulo III apresenta os materiais e métodos utilizados no desenvolvimento experimental do protótipo e a descrição da bancada de ensaios. Os resultados, discussões e a comparação com outros resultados são mostrados no capítulo IV.
para fluido de trabalho pressurizado, os dados experimentais apresentados foram obtidos através de ensaios utilizando ar como fluido de trabalho, a extremidade quente do cilindro deslocador foi aquecido através de uma chama de GLP mantendo uma temperatura constante de 200 ºC por todo o período de testes e a extremidade fria foi resfriada através da passagem de água a 27 ºC. O motor foi testado em várias pressões partindo da atmosférica até 4,6 bar obtendo a potência máxima de 51,93 W na pressão de 2,8 bar com velocidade de 453 rpm. A figura (2.1) mostra o desenho esquemático do motor juntamente com o equipamento de teste. As especificações do motor fabricado por Karabulut (1998) pode ser observadas no quadro (2.1).
Figura (2.1) - Desenho esquemático com equipamento de teste (KARABULUT,
Quadro (2.1) Especificações técnicas do motor fabricado por Karabulut (1998)
Karabulut et al. (1998b) fabricaram e testaram um motor Stirling tipo alfa, figura (2.2) utilizando ar como fluido de trabalho e 260 cm^3 de cilindrada. As características do motor foram obtidas para temperaturas entre 600 ºC a 1100 °C e pressões de 1 a 4 bar e os resultados apresentados em diagramas. A potência máxima de saída, 65 W, foi obtida a 1100 ºC e 2,5 bar, como pode ser observado na figura (2.3). O calor foi fornecido por uma fornalha elétrica com capacidade para produzir uma temperatura de 1500 °C, a resistência elétrica foi inserida através de uma janela aberta na parede da fornalha e o resfriamento foi feito através de um fluxo de água a 20 °C. A figura (2.4) mostra a variação da potência em função da temperatura.
Figura (2.2) - Motor Stirling tipo alfa fabricado por Karabulut (1998)
mecânico e concentrar-se no projeto termodinâmico. A seleção do compressor a converter foi feita utilizando a equação 1 (equação de Beale), esta equação é uma correlação empírica encontrada na maioria dos motores Stirling construídos com sucesso.
P= NB .Pref .V (^) sw.f Eq. (1)
Onde P é a potência do motor (W), NB é o número de Beale (0,11-0,15), Pref é a pressão média de referência do ciclo (bar), Vsw é o volume deslocado (cm^3 ) e f a freqüência de operação (Hz). Os últimos três valores da equação estão disponíveis nas especificações técnicas dos compressores.
Figura (2.5)-Motor Stirling construído por Scollo (2008) a partir de um compressor de ar
Tavakolpour et al. (2008) modelaram, construíram e testaram um motor Stirling tipo gama com baixa diferença de temperatura, alimentado por energia solar. Um coletor solar foi utilizado como fonte de calor, figura (2.6), a concepção do sistema foi baseada numa diferença de temperatura de 80 °C. Os princípios da termodinâmica bem como a teoria de Schmidt foram adaptados para serem usados na modelagem do motor. Para simular o sistema, programas de computador foram desenvolvidos para analisar os modelos e os parâmetros otimizados do projeto do motor foram determinados. A taxa de
compressão otimizada foi computada como sendo 12,5 para aplicação solar com temperatura média do coletor de 100 °C e temperatura ambiente de 20 °C. Além da taxa de compressão foi otimizado o anglo de fase, analisando o trabalho por ciclo em função do anglo como mostra a figura (2.7).
Figura (2.6) - Protótipo de motor Stirling tipo Gama desenvolvido por Tavakolpour (2008).
Figura (2.7) – Trabalho total por ciclo em função do anglo de fase (TAVAKOLPOUR,
