SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL CENTRO DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL ITAQUI BACANGA CURSO TÉCNICO EM MECÂNICA
ANDERSON THALES SILVA CARVALHO CARLOS DANILLO LOPES FERNANDO ALENCAR PEREIRA LAÉRCIO MENDES COSTA WILKINSON SOUSA CORRÊA
MOTORES STIRLING: energia limpa e sustentável
SÃO LUÍS 2013
ANDERSON THALES SILVA CARVALHO CARLOS DANILLO LOPES FERNANDO ALENCAR PEREIRA LAÉRCIO MENDES COSTA WILKINSON SOUSA CORRÊA
MOTOR STIRLING: energia limpa e sustentável
Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado ao Centro de Educação Profissional Itaqui Bacanga, do Curso Técnico em Mecânica para obtenção de certificado. Profª. Orientadora: Lucy Mary Silva Monteiro
SÃO LUÍS 2013
ANDERSON THALES SILVA CARVALHO CARLOS DANILLO LOPES FERNANDO ALENCAR PEREIRA LAÉRCIO MENDES COSTA WILKINSON SOUSA CORRÊA
MOTOR STIRLING: energia limpa e sustentável
Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado ao Centro de Educação Profissional Itaqui Bacanga, do Curso Técnico em Mecânica para obtenção de certificado. Profª. Orientadora: Lucy Mary Silva Monteiro
SÃO LUÍS 2013
Dedicamos esse trabalho primeiramente a Deus, por nos dar o dom do saber, aos nossos
familiares
nos
quais
nos
espelhamos todos os dias e pôr fim ao presente trabalho.
grupo
pela
produção
do
AGRADECIMENTOS Agradecemos em primeiro lugar a Deus que nos proporcionou as forças necessárias para chegarmos ao fim dessa caminhada que por tantas vezes mostrou um desafio, às nossas famílias que estiveram sempre ao nosso lado nas dificuldades, dando todo o incentivo que foi indispensável, tendo paciência e dando apoio financeiro para realizarmos o projeto. Aos nossos instrutores que por vários momentos se colocaram em nosso lugar para compreender todos os obstáculos, pelos conhecimentos transmitidos, pelas lições que levaremos por toda a vida, pelo companheirismo e cumplicidade criada entre todos nós. Em especial a professora Lucy Mary Silva Monteiro que nos acompanhou durante todo o curso técnico em mecânica nos oferecendo total auxílio ao longo desse tempo. Aos professores Walterlino Corrêa Sousa, Igo Henrique Araújo Almeida, Ronald Santos Silva e Carlos Eduardo dos Santos Ramos por estarem dispostos a ajudar na confecção desse projeto se mostrando sempre disponíveis para nos auxiliar em qualquer dúvida que se revelava ao longo do caminho, exemplos de humildade e perseverança.
ANDERSON THALES SILVA CARVALHO CARLOS DANILLO LOPES FERNANDO ALENCAR PEREIRA LAÉRCIO MENDES COSTA WILKINSON SOUSA CORRÊA MOTORES STIRLING: energia limpa e sustentável Trabalho de Conclusão do Curso, apresentado ao Centro de Educação Profissional Itaqui Bacanga, do Curso Técnico em Mecânica para obtenção de certificado. Profª. Orientadora: Lucy Mary Silva Monteiro
BANCA EXAMINADORA
José Benedito Piedade (Inspetor na área de Manutenção de Locomotivas - VALE)
Prof.: Alberto Donato (Supervisor Técnico - SENAI CEPIB)
Prof.: Ronald Silva Santos (Instrutor - SENAI / CEPIB)
São Luís, ____/____/____.
RESUMO Este documento apresenta como tema o princípio de funcionamento de um motor a combustão externa. Inicialmente, definimos seu conceito, seus elementos essenciais e descrevendo em detalhes no processo de funcionamento. Para tal fim, pensando em uma maneira eficiente e possivelmente renovável de gerar energia elétrica reproduzindo o motor Stirling. Obtivemos algumas relações fundamentais. A primeira relação foi a definição de rendimento de uma máquina térmica. A segunda relação foi o cálculo do rendimento para uma máquina que efetua um ciclo de Carnot. Finalmente, através dessas duas relações é feito um estudo das leis da termodinâmica para traçarmos o objetivo principal que é gerar energia elétrica de forma eficiente para que, futuramente em uma escala global, se utilize desta energia em locais carentes de recursos energéticos, visando à utilização de combustíveis renováveis.
Palavras-chave: Motor Stirling. Termodinâmica. Energia.
ABSTRACT This paper introduces the principle theme of running a external combustion engine. Initially we define its concept and its essential elements and describe in detail the process of operating it. To this end, thinking in an efficient manner and possibly to generate renewable electricity reproducing the Stirling engine, obtained some fundamental relationships.The first relationship was the definition of income for a heat engine. The second relationship was the calculation of income for a machine that performs a Carnot cycle. Finally, through these two relations we study the laws of thermodynamics to trace the main goal is to generate electricity efficiently so that in future on a global scale, this energy is used in places lacking energy resources, aiming to use renewable fuels.
Keywords: Stirling Engine. Thermodynamics. Energy.
LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Passo a passo do Ciclo de Carnot ...................................................... 111 Figura 2 - Esquema da troca de temperatura em um sistema térmico ............. 122 Figura 3 - Expansão do ar ao ser aquecido fazendo com que o pistão realize o trabalho .................................................................................................................. 133 Figura 4 - Gráfico de trabalho das maquinas térmicas ...................................... 144 Figura 5 - Etapas do funcionamento de um motor a combustão interna ......... 155 Figura 6 - Motor de combustão externa ................................................................ 16 Figura 7 - Lata de red bull que servira para fazer o pistão deslocador ..............19 Figura 8 - Pistão Deslocador ................................................................................ 200 Figura 9 - Camisa do pistão deslocador.............................................................. 211 Figura 10 - Sistema de arrefecimento .................................................................... 22 Figura 11 - Cabeçote do motor Stirling ................................................................. 23 Figura 12 - Guia do eixo Virabrequim .................................................................. 244 Figura 13 - Eixo Virabrequim ................................................................................ 255 Figura 14 - Pistão de trabalho .............................................................................. 266 Figura 15 - As fases do trabalho de um motor a combustão externa ............... 277 Figura 16 - Gráfico da realização de trabalho no motor Stirling ....................... 277 Figura 17 - Etapas do trabalho de um motor Stirling ......................................... 277
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 9 2 MECÂNICA ............................................................................................................ 10 3 TERMODINÂMICA ................................................................................................ 11 3.1 Ciclo de carnot ............................................................................................... 11 3.2 Leis da termodinâmica .................................................................................. 12 4 MÁQUINAS TÉRMICAS ........................................................................................ 13 5 MOTORES ............................................................................................................. 15 5.1 Classificação dos motores ............................................................................ 15 6 MOTOR STIRLING ................................................................................................ 17 6.1 Vantagens e desvantagens do motor stirling .............................................. 17 7 SUSTENTABILIDADE ........................................................................................... 18 8 ETAPAS DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO MOTOR STIRLING ................ 19 8.1 Fabricação do pistão deslocador ................................................................. 19 8.2 Camisa do pistão deslocador ....................................................................... 20 8.3 SISTEMA DE ARREFECIMENTO ................................................................... 21 8.4 Cabeçotes do motor stirling.......................................................................... 22 8.5 Guia do eixo virabrequim .............................................................................. 24 8.6 Eixo virabrequim ............................................................................................ 25 8.7 Contra peso do virabrequim ......................................................................... 25 8.8 Pistão de trabalho .......................................................................................... 26 9 ENTENDENDO O FUNCIONAMENTO DO MOTOR STIRLING ......................... 277 10 METODOLOGIA DE PESQUISA .........................................................................29 11 CONCLUSÃO .............................................................Erro! Indicador não definido. REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 31
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1 INTRODUÇÃO Os motores a combustão foram inventados para melhorar os processos de produção nas indústrias tendo em vista um melhor custo benefício, isso se deu em função da Revolução Industrial quando a competição entre as indústrias se tornou ainda mais exigente e quem tivesse um melhor aperfeiçoamento da produção, estaria sempre à frente das demais empresas. Com o desenvolvimento das indústrias e de seus equipamentos houve a necessidade de se pensar em trabalhar de uma forma mais sustentável, pensou-se então na utilização de máquinas térmicas, pois fazem da variação de temperatura sua fonte energética, de forma limpa com o mínimo de poluição ao meio ambiente. O interesse nesse trabalho veio através de pesquisas sobre uma forma sustentável de geração de energia para as indústrias sem agredir o meio ambiente. Com base, nesse estudo chegamos ao motor stirling que possui uma eficiência energética até duas vezes maior que os demais motores chegando até a 45% de eficiência. O objetivo é dar uma alternativa para a geração de energia, levando em conta, critérios: como a sustentabilidade, custo benefício, degradação do meio ambiente e poluição. Especificamente queremos passar para a sociedade a maneira de amenizar os crescentes sinais de que o planeta está sofrendo com a poluição gerada pelas indústrias. Este trabalho de conclusão de curso esta estrutura da seguinte forma: introdução onde daremos uma perspectiva sobre nossos objetivos e visão do projeto. No decorrer do documento terá um pouco da história dos motores e sua evolução com o passar dos anos, os tipos te motores e sua eficiência quanto a geração de energia. Na segunda parte do projeto descrevemos sobre a termodinâmica, o ciclo de Carnot e as leis de funcionamento de uma máquina térmica, descrevemos as técnicas de montagem de um motor térmico em específico do motor stirling e de forma minuciosa explicamoso seu funcionamento e desempenho no que se refere à conversão de trabalho em eletricidade. Esperamos que esse TCC possa significar uma alternativa para as empresas e que sirva de aprendizado para a sociedade, pois não existe desenvolvimento sem pensarmos em uma forma sustentável de fazê-lo.
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2 MECÂNICA A mecânica é formada por duas vertentes: a cinemática que envolve estudos descritivos a um determinado movimento e a dinâmica que estuda a conexão do movimento. É uma parte da física que compreende o estudo e análise do movimento e repouso dos corpos e sua evolução no tempo, seus deslocamentos sob a ação das forças e seus efeitos subsequentes sobre seu ambiente. Sabendo que a geração de movimento no aspecto social está ligada na impulsão dos carros, quanto às motocicletas, aviões entre outros, mas, na indústria a mecânica é indispensável desde a fabricação de uma peça ao produto final seguindo padrões e normas necessárias devido à exigência do mercado. Com isso, as empresas procuram na mecânica a alternativa para suas respectivas fontes de energia facilitando os setores produtivo e operacional, no que diz respeito ao funcionamento de equipamentos e máquinas. Com relação, a geração de energia podemos falar que um dos principais aliados da mecânica nesse propósito é a termodinâmica que utiliza a variação de temperatura como principal meio para produção de eletricidade.
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3 TERMODINÂMICA Termodinâmica é o estudo das causas e efeitos das alterações de temperatura, pressão e volume além de outras amplitudes. Desenvolveu-se pela necessidade de aprimorar a eficiência das máquinas a vapor, apesar de ser apenas uma ciência de experimentos que trata das propriedades macroscópicas (visíveis a olho nu) e as escalas da matéria e energia, a realização de um trabalho termodinâmico é baseado no ciclo de Carnot.
3.1 Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot (observar figura 1) baseia-se em duas transformações adiabáticas (uma transformação na qual não há a troca de calor com o ambiente) e alternadas por duas transformações isotérmicas (é a variação de temperatura de um sistema fechado). Sendo possível a reversão de todas as transformações.
Figura 1 - Passo a passo do Ciclo de Carnot Fonte:
Para este experimento podemos constatar que: Q 1/T1 = Q2/T2 assim como o rendimento pode ser descrito como n = 1-(Q 2/Q1). Então para o Ciclo de Carnot temos que o rendimento é função das temperaturas absolutas das fontes quente e fria. N = 1-(T2/T1), este é o rendimento máximo de uma máquina térmica, e como nunca podemos ter T1 = 0 e |T2| > |T1| constatamos que uma máquina térmica jamais terá rendimento de 1, ou seja, transformar todo o calor fornecido em trabalho, de acordo com as leis da termodinâmica.
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3.2 Leis da termodinâmica As Leis da termodinâmica são:
A lei zero da termodinâmica determina que quando dois sistemas em
equilíbrio termodinâmico tem igualdade de temperatura com um terceiro sistema também há equilíbrio. Esta lei é a base real para a medição de temperatura, no qual estabelece que depois de um determinado tempo um sistema isolado chegará ao estado final. A primeira lei da termodinâmica nos dá o aspecto quantitativo de
processos de conversão de energia e massa. A segunda lei da termodinâmica (observar figura 2) determina a
quantidade viável de processos em um sistema físico, referindo-se a possibilidade de troca de energia e a ocorrência ou não desse fenômeno na natureza.
Figura 2 - Esquema da troca de temperatura em um sistema térmico Fonte: https://sites.google.com/site/scientiaestpotentiaplus/segunda-lei-da-termodinamica-eo-criacionismo
A terceira lei da termodinâmica estabelece que um ponto de referência
absoluto para a determinação da entropia (Quantidade de energia térmica que não pode mais ser transformada em trabalho), representado pelo último estado de ordem molecular de máxima e mínima energia. As leis da termodinâmica e o ciclo de Carnot serviram como base para a criação dos motores tanto de combustão externa quanto de combustão interna.
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4 MÁQUINAS TÉRMICAS Um dos equipamentos com maior rendimento no que desrespeito a eficiência em geração de eletricidade são as máquinas térmicas que utilizam da variação de temperatura como sua principal fonte de trabalho. A primeira máquina térmica foi inventado no século I d.C por um grego chamado Heron, porém, ela inicialmente não foi utilizada para transformar o calor (energia térmica) em trabalho mecânico. Foi somente no século XVIII que foram construídas os primeiros motores térmicos capazes de produzir energia mecânica em escala industrial. Esses motores criados no século XVIII tinham baixo desempenho e utilizavam grandes quantidades de combustível, mas, por volta de 1770 o inventor escocês James Watt criou um novo modelo de máquinas térmicas de grandes vantagens em comparação ao que já existia na época. O funcionamento do seu equipamento obedecia às leis da termodinâmica e se tornou muito útil tanto para movimentar moinhos e bombas quanto para mover locomotivas e barcos a vapor. Por ser extremamente econômico e ter capacidade de realizar trabalhos muito maiores, o equipamento criado por Watt foi empregada também nas indústrias, desenvolvendo ainda mais esse setor, dando início a Revolução Industrial do século XIX. Sobre o funcionamento de uma máquina térmica (observar figuras 3 e 4). Entende-se que quando uma fonte de calor leva uma substância de trabalho de um estado de baixa temperatura para um estado de temperatura mais alto. Essa substância de trabalho “o ar” passa sua energia através da expansão de suas moléculas no interior da máquina acionando o sistema mecânico que pode ser um pistão, rotor e etc. assim realizando trabalho. Durante essa expansão, a substância perde calor para o meio. Definindo o trabalho a partir da t roca de calor.
Figura 3 - Expansão do ar ao ser aquecido fazendo com que o pistão realize o trabalho Fonte:
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A força que o gás aplicou no êmbolo causa um deslocamento, ocorrendo assim a realização de trabalho.
Figura 4 - Gráfico de trabalho das máquinas térmicas Fonte:
Por ter sido o principal precursor da Revolução Industrial desencadeando nas produções em massa das indústrias. Nos tempos atuais, os motores térmicos foram deixados um pouco de lado com a invenção de novos equipamentos mais eficientes, apesar disso, ainda é muito utilizada principalmente na geração de energia elétrica e nas caldeiras das indústrias siderúrgicas. Um exemplo na conversão de energia térmica em eletricidade é o motor stirling.
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5 MOTORES No início da Revolução Industrial quando as grandes empresas precisavam otimizar seus processos de fabricação, começou um avanço na montagem de equipamentos capazes de realizar trabalhos pesados de forma mais rápida chamados motores. Começou com Nicolas Léonard Sadi Carnot “França 1824” que estabeleceu à teoria dos motores a combustão interna, e o primeiro motor foi desenvolvido por Samuel Morey “Estados Unidos, 1826”. Daí em diante grandes
inventores como Nicolaus Otto, Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach, Rudolf Diesel, ontribuíram para o desenvolvimento dos motores, aumentando seu desempenho e
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otimizando seu processo de funcionamento. No século XX como forma de elevar a potência dos motores, houve mudanças no desenho, número e disposição dos cilindros, fazendo com que surgissem motores de até 12 cilindros.
5.1 Classificação dos motores Existem dois tipos de motores que são:
De combustão interna que trabalham com os gases de combustão
como fluido de trabalho. São esses gases que realizam o trabalho no interior do motor através da compressão (observar figura 5), queima dos gases, expansão e exaustão (Motor de Quatro Tempos).
Figura 5 - Etapas do funcionamento de um motor a combustão interna Fonte:
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De combustão externa que trabalham em um ciclo termodinâmico na
qual o fluido de trabalho não se mistura com o ar/combustível (observar figura 7), sendo que o calor fornecido pela combustão é transferido através das paredes de um reservatório ou caldeira.
Figura 6 - Motor de combustão externa Fonte:
São feitos para executar trabalhos em grande escala por isso é indispensável na indústria, pois, a maioria dos processos que esses equipamentos são capazes de realizar, o ser humano não pode realizar, assim tornando os processos produtivos das indústrias mais crescentes e eficientes. Atualmente, com grande preocupação ao meio ambiente e a escassez do petróleo, os motores a combustão externa trabalham com variação de temperatura chamadas máquinas térmicas, vem se tornando cada vez mais evidente no cenário mundial, pois, além de utilizar como combustível qualquer material (gasolina, diesel, biodiesel, etanol e etc.), seu grau de poluição ao meio ambiente é mínimo em relação aos demais motores.
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6 MOTOR STIRLING A criação do primeiro motor stirling tem origem pelo pastor escocês Roberth stirling, em 1816, com a ajuda do seu irmão que era um engenheiro, para competir com as máquinas a vapor, apesar de não ter um rendimento tão alto no seu trabalho, por isso era apenas utilizado em pequenas tarefas. Após, há sua criação o motor stirling, dois anos depois, foi feito para bombear água em uma pedreira, daí então os irmãos resolveram fazer uma alteração no desenho do motor fazendo assim com que melhorasse a sua potência o suficiente para mover um maquinário. Esse tipo de motor é parecido com uma máquina a vapor, pois, faz da transferência de calor sua fonte de trabalho. Funciona de forma muito silenciosa e sem vibrações além de utilizar como combustível diversas fontes de calor como biodiesel, etanol e até o próprio aquecimento solar. Não esquecendo que as grandes empresas por ser antiga e possuir baixo rendimento, vem cada vez mais ganhando espaço proporcionando assim novas normas de sustentabilidade e preservação do meio ambiente. Por trabalhar de forma muito eficiente chegando a quase metade da conversão de trabalho em eletricidade.
6.1 Vantagens e desvantagens do motor stirling
As maiores vantagens do motor Stirling são: baixa emissão de gases
poluentes, pois, apresenta menor índice de poluição em relação aos motores de combustão interna, trabalha de forma contínua permitindo uma queima mais eficiente do combustível com baixa vibração e tornando o motor mais silencioso durante o funcionamento, podendo utilizar vários tipos de fonte energética: gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel e a energia solar.
As maiores desvantagens são: o motor apresenta uma dificuldade na
partida e variação da sua velocidade de rotação, complicando sua instalação em automóveis, apesar de existirem modelos híbridos (elétricos e térmicos), seu sistema de vedação impede o vazamento do gás afetando seu desempenho e por ser uma tecnologia pouco divulgada, se torna mais caro, tanto na fabricação quanto na sua manutenção.
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7 SUSTENTABILIDADE Na atualidade com os recentes relatórios de que o meio ambiente está sofrendo drásticas mudanças climáticas em determinadas regiões devido à degradação do meio ambiente. Há recentes reuniões das maiores potências mundiais para discutir uma forma de desenvolvimento sem agredir o meio ambiente, principalmente no que diz respeito a geração de energia, colocamos como principal aliado dessa causa o motor stirling cada vez mais vem se tornando uma alternativa real para geração de uma energia limpa e sem riscos para o meio ambiente.
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8 ETAPAS DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO MOTOR STIRLING Nos itens abaixo, descrição das etapas do processo de fabricação do motor stirling.
8.1 Fabricação do pistão deslocador Iniciando com a fabricação do pistão deslocador, realizando a marcação com o paquímetro, o centro em uma das latas de Red Bull (observar figura 7), em seguida, realizamos as medições, com auxílio de um pincel de cor azul, punção de marcação e um martelo, fazendo o guia para o furo central. Cálculo para a realização do furo central: Diâmetro: 53 mm r = D/2 Raio = 26,5 mm
Figura 7 - Lata de redbull que servirá para fazer o pistão deslocador Fonte: Autor do trabalho
Após a marcação e feito o guia, realizamos o furo utilizando uma furadeira e uma broca de 2 mm, em seguida com o paquímetro foi medido 70 mm de altura, cortando a lata utilizando um estilete ou uma tesoura, como opção, que será o total do comprimento do mesmo. Em seguida, recortamos a tampa da lata de Red Bull para encaixar no interior do pistão, onde deve ser vedada pelo silicone de alta temperatura, após o encaixe no interior do pistão deslocador, utilizar um raio inox de 2 mm, cortando 160 mm de comprimento, depois colocamos uma porca enroscada na ponta do raio e encaixamos por dentro do pistão, após ter feito este procedimento colocamos uma outra porca para servir de fixação para o eixo central (observar figura 8) e por fim,
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cortar a tampa da outra lata de Red Bull e fixá-la na parte superior do pistão junto com o silicone de alta temperatura, a mesma servirá para lacrar o pistão, evitando assim a entrada de pressão, concluindo o pistão deslocador do motor de stirling. Cálculo do Volume do Pistão Deslocador: Volume do Pistão: r – Raio = 26,5 mm ou 2,65 cm h – Altura = 70 mm ou7 cm Resultado = 154,35 cm³
Figura 8 - Pistão Deslocador Fonte: Autor do trabalho
8.2 Camisa do pistão deslocador Para a fabricação dacamisa do pistão (observar figura 9) é necessário utilizar uma lata de spray com 57 mm de diâmetro. Iniciamos com a marcação do comprimento com auxílio do paquímetro no valor de 120 mm, após a marcação realizamos o corte com o arco de serra, após o corte, utilizamos a parte de cima da lata que sobrou para fazer o molde que depois será encaixado ao cabeçote do motor, feito isso realizamos o furo lateral utilizando uma luva de20 mm que será o mesmo diâmetro do furo, este furo deve ser feito abaixo da parte superior da camisa do pistão proporcionalmente 30 mm, em seguido, realizamos um furo no centro da marcação com uma broca de 2 mm, depois usamos o alicate de bico para aumentar o furo deixando-o as sobras para que seja melhor encaixado a luva de 20mm, feito o ajuste, encaixar a luva de cano regulando a folga junto com o silicone de alta
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temperatura vedando ao redor da luva para não ter fuga de pressão (30 minutos para secar). Cálculo do Volume da Camisa do Pistão: r – Raio = 28,5 mm ou 2,85 cm h – Altura = 120 mm ou 12 cm Resultado = 306,05 cm³
Figura 9 - Camisa do pistão deslocador Fonte: Autor do trabalho
8.3 Sistema de arrefecimento Para a montagem do sistema de arrefecimento (observar figura 10) é necessário cortar a lata no meio com auxílio do arco de serra, feito este procedimento utilizamosuma das etapas, utilizando após a broca de lixar junto com a furadeira para remover as rebarbas do metal que são encontradas após o corte, na parte inferior da lata fizemos um furo com diâmetro de 57 mm, onde irá ser fixado na parte exterior da camisa do pistão deslocador, este furo deve ser feito primeiramente com pequenas marcações formando uma circunferência com auxílio do punção e o martelo, após ter feito este procedimento parte da tampa da lata sairá com facilidade mais ficará umas rebarbas que também devem ser retiradas com a broca de lixar junto a furadeira. Deverá também fazer um furo, medindo primeiramente 30 mm da parte superior para a inferior, onde será o centro do furo, deverá ser feito com uma broca de 2 mm, após realizar essa atividade, fazer uma circunferência proporcional à
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luva de cano com 20 mm de diâmetro, com auxílio do alicate de bico aumentar o furo deixando as sobras que serviram de ponto de fixação para a luva de cano. Com uma braçadeira de aço deve envolver as sobras da lata de ervilha com a luva de cano regulando o aperto no parafuso sem fio da braçadeira, o aperto não pode ser excessivo, deve apenas fixar os mesmos para não haver folga na hora do trabalho. A parte inferior da lata de ervilha deve ser completamente vedada com o silicone de alta temperatura, pois o mesmo comportará a água que servirá de resfriamento para o motor. Cálculo do Volume do Sistema de Arrefecimento: r – Raio = 28,5 mm ou 2,85 cm Resultado = 127,52 cm³
Figura 10 - Sistema de arrefecimento Fonte: Autor do trabalho
8.4 Cabeçotes do motor stirling A fabricação dos cabeçotes do motor (observar figura 11) utilizamos duas latas de sprayde mesmo diâmetro no valor de 57 mm, o primeiro cabeçote que é acoplado em cima da camisa do pistão, possui 50 mm de comprimento, para fabricar o mesmo, primeiramente é feita a marcação de 50 mm da parte inferior para a parte superior, com o arco de serra é feito o corte, realizando este procedimento remover as rebarbas com a broca de lixar. Fazer um furo lateral com a broca de 10 mm e fazer outro furo lateral perpendicular também de 10 mm, os mesmos serviram de escape.
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Cálculo para a realização do furo central: Diâmetro: 57 mm r = D/2 Raio = 28,5 mm
Figura 11 - Cabeçote do motor Stirling Fonte: Autor do trabalho
A realização do furo central é iniciada primeiramente com a medição do diâmetro, em seguida descobrir o raio, feito este procedimento, marca o centro com o punção de marcação, com a broca de 2 mm fazer o furo. Finalizado o primeiro cabeçote, acoplar o mesmo em cima da camisa do pistão aplicando vários pingos de solda de estanho nas extremidades, feito a fixação, deverá ser totalmente vedada com o silicone de alta temperatura para não haver fuga de pressão. Soldar as buchas de bronze no centro do furo e lubrificar, para que não escape pressão. A fabricação do segundo cabeçote possui os mesmos procedimentos, mas alguns fatores são alterados, o comprimento é 60 mm e deve ser acoplado acima do primeiro cabeçote, o eixo de trabalho deverá ter 31 mm de curso. Assim está finalizada os cabeçotes do motor stirling. Cálculo do Volume do Primeiro cabeçote: r² * h r – Raio = 28,5 mm ou 2,85 cm h – Altura = 50 mm ou 5 cm 3,14 (Constante) Resultado = 127,52 cm³
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Cálculo do Volume do Segundo cabeçote: r² * h r – Raio = 28,5 mm ou 2,85 cm h – Altura = 60 mm ou 6 cm 3,14 (Constante) Resultado = 153,02 cm³
8.5 Guia do eixo virabrequim Para a fixação do eixo virabrequim no cabeçote do motor, primeiro colocamos duas chapas de metal ambas com o seu comprimento total de 100 mm, fazer um furo na parte superior com a broca de 3 mm, onde será o guia para o virabrequim (observar figura 12), a lata deverá ser cortada com o arco de serra com o comprimento de 70 mm, sendo medido da parte superior para a inferior, feito este procedimento, cortar também a tampa da lata para o raio não criar atrito na hora que estiver em trabalho, para fixar as chapas de metal no cabeçote primeiramente foi feita uma marcação de 30 mm da parte superior para a inferior que será o tamanho da sobra das chapas para a fixação, foi preciso a aplicação de solda de estanho de forma que as chapas fiquem bem firmes, pois qualquer folga existente afetaria diretamente o funcionamento do motor.
Figura 12 - Guia do eixo Virabrequim Fonte: Autor do trabalho
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8.6 Eixo virabrequim Para a fabricação do eixo virabrequim (observar figura 13) utilizamos um raio de bicicleta com 2.5mm de diâmetro, serramos com um arco de serra a ponta do raio na qual tinha uma rosca que era desnecessária na sua utilização,após o corte, com um paquímetro fizemos a marcação de 65 mm para fazer à primeira dobra, realizado a marcação fixamos o raio em uma morsa e com um alicate realizamos a dobra no raio, em seguida utilizando a espessura do próprio alicate fizemos a dobra que será a manivela do virabrequim, a dobra mede 14 mm, feito estes procedimentos, seguindo a diante fazer a medição de 45 mm para a próxima dobra onde fixaremos a biela do pistão de trabalho, após marcar fizemos o mesmo procedimento realizado nas dobras anteriores, feito isso o nosso virabrequim está pronto.
Figura 13 - Eixo Virabrequim Fonte: Autores do trabalho
8.7 Contra peso do virabrequim A fabricação do contra peso do virabrequim primeiramente é feito com CD’s de áudio, iniciando 3 furos para a fixação com mesmo na chapa de metal através de parafusos de rosca total com 5 mm de diâmetro. O encaixe do contra peso é feito com um conector de luz junto ao eixo virabrequim. Este conector de luz é fixado com solda de estanho no centro da chapa de metal. Feito estes procedimentos está pronto o contra peso do virabrequim.
RPM do Motor Stirling
710 rpm
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8.8 Pistão de trabalho Para iniciarmos a fabricação do pistão de trabalho (observar figura 14), primeiro fizemos a separação do material a ser utilizado que foram um joelho de pvc com 20 mm de diâmetro, uma bucha de 25 para 32 mm onde será cortada ao meio, outra bucha de 32 para 40 mm que também cortamos ao meio, e outra bucha de 40 para 50 mm onde também será cortada ao meio, uma presilha e um balão de festa que usamos para fazer o diafragma. Iniciamos colocando a primeira bucha de 25 para 32 mm no joelho e em seguida o de 32 para 40 mm, após termos colocado os mesmos, por cima fixamos a outra bucha de 40 para 50 mm e batemos com um martelo para melhor fixação, em seguida colocamos uma borracha de câmara de bicicleta ao redor da bucha de 50 mm e passamos o silicone de alta temperatura na parte de dentro para evitarmos vazamento de pressão, feito isso finalizamos a primeira etapa. Em seguida cortamos o balão de festa para fazer o diafragma, pegamos a tampa de garrafa pet e furamos ela no centro para colocarmos o parafuso onde será fixado a biela, colocamos também uma borracha colada no parafuso para fazer a vedação, feito isso iremos colocar o balão por cima do parafuso de modo que ele seja furado e depois colocamos a outra tampa por cima e usaremos a rosca com uma porca no parafuso para prender o balão. Em seguida colocamos o balão dos joelhos e colocamos outra borracha de câmara de bicicleta e prendemos uma presilha para que o ar não escape de dentro do tubo, em seguida fixamos ao parafuso da tampa uma emenda de fios que soldamos em uma chapinha de carbono com estanho e colocamos a biela que depois foi colocada no virabrequim, e está pronto o motor stirling.
Figura 14 - Pistão de trabalho Fonte: Autor do trabalho
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9 ENTENDENDO O FUNCIONAMENTO DO MOTOR STIRLING Mesmo tendo a tecnologia que as suas concorrentes de combustão interna, o Motor Stirling usa uma quantidade parecida de energia e é idêntico em praticamente todos os aspectos (Observar figuras 15, 16 e 17). Sua eficiência vem do que é feito com essa energia, o que na prática baseia-se em um ciclo termodinâmico que e composto de 4 fases e executado em 2 tempos, compressão isotérmica (diminuição de temperatura dentro do sistema), aquecimento isocórico (aquecimento do gás dentro do sistema) e consequentemente o inverso.
Figura 15 - As fases do trabalho de um motor a combustão externa Fonte:
Motor Stirling:
Figura 16 - Gráfico da realização de trabalho no motor Stirling Fonte:
Figura 17 - Etapas do trabalho de um motor Stirling Fonte:
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Com uma fonte de calor externa podendo ser a queima de qualquer tipo de combustível até com origens naturais e renováveis como a energia solar e o calor geotérmico, a câmara interna é aquecida continuamente, começam então as quatro fases deste ciclo:
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. 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.
Em seguida, o pistão no cilindro resfriado começa a comprimir o gás. O
calor gerado por essa compressão é removido pelas aletas de resfriamento.
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.
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10 METODOLOGIA DE PESQUISA Para a realização do trabalho, fizemos uma pesquisa minuciosa na internet. Utilizando como principal meio os vídeos e artigos sobre motores geradores de energia limpa e sustentável, utilizamos como metodologia os seguintes aspectos:
Documentários sobre o assunto
Investigamos o universo dos motores geradores de energia levando em
conta os critérios como desempenho, sustentabilidade, pouca poluição, menor custo de fabricação do motor e manutenção.
Para a coleta de informações utilizamos o computador, onde eram
anotadas todas as características de cada motor e assim fizemos á seleção daquele que atendia todas as especificações exigidas no trabalho.
Ao coletar todas as informações, fizemos uma reunião e analisamos o
custo benefício de cada tipo de motor e chegamos a conclusão de que o motor stirling possui todas as especificações tanto de desempenho quando a de não poluir o meio ambiente.
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11 CONCLUSÃO A construção para o desenvolvimento teórico do nosso projeto teve como princípio os assuntos abordados, tais como: mecânica e sua aplicação na sociedade, termodinâmica, máquinas térmicas e seu princípio de funcionamento e principalmente do motor Stirling e todas as suas características. Baseamos nossas pesquisas relacionando-as com os conhecimentos técnicos adquiridos durante todo o curso de mecânica. Com base nos estudos desse projeto concluímos que o motor Stirling é uma alternativa de geração de energia, sendo ela gerada de forma sustentável e sem degradar o meio ambiente. Os estudos feitos durante esse projeto nos mostrou um equipamento extremamente eficiente e baixo custo. Os resultados adquiridos com a fabricação desse projeto nos permitiu entender o processo de funcionamento de uma máquina térmica, os princípios da termodinâmica e principalmente a eficiência na geração de energia que um equipamento térmico.
