O Ciclo de Stirling
Contexto histórico
Inventado por Robert Stirling com o auxílio de seu irmão James Stirling, o motor de Stirling foi criado como uma alternativa aos motores a vapor que eram perigosos por sua construção rudimentar. No início do século 19, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão. Então, os irmãos Stirling buscaram conceber um mecanismo mais seguro, que produzisse trabalho sem ser preciso comprimir e aquecer água em bombas e geradores de vapor. A primeira patente de Stirling foi concedida em 1816 para o que ficou conhecido como o motor do ciclo de Stirling. Sua empresa fabricou motores de 1818 a 1922, período em que foram usados para bombear água e gerar eletricidade.
Funcionamento da Máquina de Stirling
A máquina de Stirling é uma máquina cíclica a ar quente é constituída por dois pistões: um pistão (Pt e Pd) que converte o ar comprimido em trabalho mecânico, e um pistão de deslocamento (Pd) que se desloca dentro de um cilindro com as duas extremidades à temperaturas TQ (fonte quente, no caso de utilização como motor térmico) e TF (reservatório frio à temperatura ambiente, no caso de utilização como máquina térmica). Os dois pistões estão mecanicamente ligados por um sistema de excêntricos e bielas, de modo que se deslocam em quadratura de fase (quando um pistão atinge uma extremidade, o outro encontra-se na metade de seu deslocamento). O pistão de deslocamento desloca ciclicamente o ar aquecido da extremidade à temperatura TQ para a extremidade à temperatura TF, ou o ar frio da extremidade à temperatura TF para a extremidade à temperatura TQ, onde é de novo aquecido.
A dilatação do ar nessas câmaras move um pistão (ou êmbolo),gerando trabalho mecânico. Como não há emissões de poluentes por parte da substância de trabalho (gases ou o ar atmosférico), os motores de Stirling são de ciclo fechado.
Os motores de Stirling apresentam uma eficiência muito alta se comparados com os motores de combustão interna (como aqueles que movem os carros a gasolina), atingindo até 45% de eficiência energética, muito além dos 20% a 30% atingidos por outros tipos de motores, como os motores movidos a óleo diesel ou gasolina.
Processos do Ciclo Stirling
O ciclo de Stirling é um ciclo termodinâmico reversível e apresenta quatro fases:
1. Expansão Isotérmica – processo em que o ar presente no motor sofre uma expansão aproximadamente isotérmica, absorvendo calor de fontes externas.
2. Resfriamento Isocórico – o ar presente no motor transfere calor para o meio externo, mantendo-se a volume constante.
3. Compressão Isotérmica – processo em que o ar contido dentro do cilindro do motor é contraído e sua pressão aumenta.
4. Aquecimento Isocórico – por último processo ocorre a volume constante e envolve transferência de calor da fonte quente para o ar contido dentro do cilindro do motor.
A eficiência dos motores de Stirling pode ser calculada da mesma maneira que ocorre no ciclo de Carnot, sendo:
Cálculo da Eficiência
Onde:
η é a eficiência da máquina térmica
Tq é a temperatura da fonte fria
Tf é a temperatura da fonte quente
Diagrama PV Ciclo de Stirling
