Ciclo Stirling

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Devido a limitações tecnológicas do início do século XIX, máquinas a vapor explodiam com grande frequência quando suas peças eram submetidas à alta pressão e em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras. Insatisfeitos com isso, e comovido com a dor dos diversos familiares dos operários mortos em acidentes envolvendo tais explosões, Robert Stirling, com auxílio de seu irmão engenheiro, desenvolveram um ciclo cuja aplicação tornaria as máquinas mais seguras, o qual era mais eficiente que os ciclos empregados nas máquinas da época. O motor também é conhecido como “motor de ar quente”, devido a utilização de gases atmosféricos como fluido de trabalho, assim sendo, esse ciclo assemelha-se muito com o Ciclo de Carnot. Nascido em 1790 em Gloag, na Escócia, Robert Stirling faleceu em 1878 na cidade de Galston, situada a aproximadamente 30 km ao sul de Glasgow. Pertencente a uma extensa família, era o terceiro dos irmãos, e tanto na escola quanto na universidade, apresentou-se como um brilhante aluno. Estudou na Universidade de Edimburgo, formando-se em 1808, também estudou na Universidade de Glasgow. Em 1819, casou-se com Jean Rankin, e o casal teve sete filhos, dentre eles, quatro rapazes tornaram-se engenheiros ferroviários (Patrick, William, Robert e James), outro, optou por se tornar um clérigo (David).

O ciclo Stirling é fechado e se parece muito com o Ciclo de Carnot, que representa o limite máximo de eficiência para uma máquina térmica. Algumas máquinas construidas obedecendo a este ciclo já chegaram a 45% de rendimento. Quatro fases compõem o ciclo de Stirling:

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O ciclo de Stirling geralmente é descrito em quatro processos, esse ciclo é chamado de ciclo “idealizado”, ou seja, é um formato mais simples do ciclo porém não otimizado. O ciclo ideal é raramente utilizado em aplicações práticas, por outros ciclos serem mais simples ou por terem menor desgaste nas peças do motor, como pistões e rolamentos. Porém, mesmo com essas alterações, a eficiência do ciclo se assemelha ao ciclo idealizado. O ciclo idealizado também apresenta complicações ao ser utilizado praticamente, com a aceleração do pistão que precisa ser um pouco maior assim como as “perdas de bombeamento viscosas do fluido utilizado. Porém o stress dos materiais e as perdas de bombeamento apenas seriam intoleráveis quando se aproximam do ciclo ideal e/ou altas taxas de ciclo”. A transferência de calor também apresenta problemas nos processos isotermais, para corrigir ou amenizar pode ser preciso diminuir a taxa de ciclo, além da troca e utilização de outros tipos de pistões, no modelo mais simples, a máquina irá oscilar em um movimento harmônico simples.

Uma vantagem desse motor é que ele é menos poluente, visto que a combustão é contínua e não intermitente, o que permite que ocorra a queima completa e eficiente do combustível. Para que esse processo ocorra basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a fria. Porém como desvantagens existe a dificuldade de dar partida no motor e a irregularidade na velocidade do motor. Para um bom funcionamento dos motores de Stirling existem algumas condições são:

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O motor de Stirling sempre contém um fluido comprimido no seu interior como ar, hélio ou hidrogênio. Esse fluido é chamado de fluido de trabalho. Nesse modelo a potência gerada não se dá pela queima de combustível no cilindro, mas pelo resfriamento e o aquecimento do fluido pelo lado externo do cilindro. O fluido é movimentado da parte quente para a parte fria do motor, por meio de pistões e vice-versa, o que ocasiona no acréscimo e no decréscimo de temperatura. Como existe a mudança de temperatura, há mudança de pressão o que gera força para movimentar o pistão. O princípio do funcionamento é baseado num ciclo fechado, logo a variação de energia interna é igual a zero, o fluido é mantido comprimido dentro do cilindro e o calor é adicionado e removido do trabalho através de trocadores de calor.

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Através de um motor Stirling, engenheiros do laboratório Sandia, nos Estados Unidos, conseguiram alcançar uma eficiência na conversão de energia solar para energia elétrica de aproximadamente 31,25%, a maior registrada até o ano de 2008, como anteriormente a essa marca a maior eficiência registrada era de 29,4%, houve um grande avanço em relação a esses sistemas de geração de eletricidade. O sistema funciona da seguinte maneira: a energia solar é capturada na forma de calor, movimentando o motor Stirling, para que assim, possibilite a geração de energia elétrica. Além disso, os motores stirling estão sendo estudados pela NASA, a fim de que estes possam ser utilizados em veículos espaciais alimentados por energia solar.

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Os motores de Stirling são classificados em três tipos: alfa , beta e gama. O modelo alfa possui dois pistões, sendo um de compressão e um de expansão, posicionados a noventa graus um do outro. Há um lado quente, onde ocorre a expansão do gás, e um lado frio onde ocorre a compressão e esses lados estão unidos entre si. Os dois pistões em conjunto comprimem o gás no espaço frio, movimentam o gás para o espaço quente onde ele se expande e depois volta para a parte fria. Este dois pistões são ligados em série com o trocador de calor de resfriamento, o trocador de calor de aquecimento e o regenerador; o regenerador absorve uma parte do calor que não seria utilizado pelo motor, reaquece o ar frio e devolve para o cilindro quente, semelhante um acumulador térmico. O modelo beta é constituído por apenas um cilindro e dois pistões em linha. O pistão interno é responsável pelo deslocamento do fluído de trabalho da parte quente para a parte fria. O segundo pistão (externo) mantém suspenso o pistão deslocador, que é responsável pelo trabalho do motor e ajuda no confinamento do fluido de trabalho no interior do motor.