Curso – Engenharia Mecânica
DESENVOLVIMENTO DE UM MOTOR DE STIRLING
ACOPLADO A UMA PLACA PARABÓLICA COLETORA
DE ENERGIA SOLAR
Ives Barbosa Contar
Campinas - São Paulo - Brasil
Dezembro de 2008
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Curso – Engenharia Mecânica
DESENVOLVIMENTO DE UM MOTOR DE STIRLING
ACOPLADO A UMA PLACA PARABÓLICA COLETORA
DE ENERGIA SOLAR
Ives Barbosa Contar
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia
Mecânica da Universidade São Francisco, sob a
orientação do Prof. Dr. Paulo Roberto Tardin Jr,
como exigência parcial para conclusão do curso de
graduação.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto Tardin Jr
Campinas - São Paulo - Brasil
Dezembro de 2008
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DESENVOLVIMENTO DE UM MOTOR DE STIRLING
ACOPLADO A UMA PLACA PARABÓLICA COLETORA
DE ENERGIA SOLAR
Ives Barbosa Contar
Monografia defendida e aprovada em 18 de dezembro de 2008 pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof. Dr. Paulo Roberto Tardin Júnior (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Dr. Edson Roberto Cau (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Dr. Guilherme Bezzon (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
4
Dedicatória
“Dedico este trabalho de conclusão
a todas as pessoas que me apoiaram
durante toda essa caminhada”
5
Agradecimentos
“Agradeço aos meus pais e professores que sempre me
deram apoio nos estudos”
6
Sumário
Lista de Simbolos...................................................................................................................... 7
Lista de Figuras ........................................................................................................................ 8
Resumo ...................................................................................................................................... 9
Abstract ................................................................................................................................... 10
1
Introdução ........................................................................................................................ 11
1.1 Objetivos ..................................................................................................................... 11
2
Revisão Bibliográfica....................................................................................................... 12
2.1 Revolução Industrial ................................................................................................... 12
2.2 Motor de Stirling ......................................................................................................... 13
3
Desenvolvimento e Aplicações Atuais ............................................................................ 15
4
Aspectos Teóricos............................................................................................................. 16
4.1 Descrição do Funcionamento do Ciclo ....................................................................... 16
4.2 Eficiência Térmica ...................................................................................................... 20
4.3 Estudo dos Espelhos Côncavos ................................................................................... 21
5
Metodologia Experimental.............................................................................................. 23
5.1 Desenvolvimento do Protótipo.................................................................................... 23
5.2 Montagem do Protótipo............................................................................................... 25
5.2.1 Montagem do Bloco ............................................................................................. 25
5.2.2 Montagem das camisas nos Cilindros.................................................................. 26
5.2.3 Montagem do Camera Quente ............................................................................. 29
5.2.4 Montagem dos Pistões.......................................................................................... 30
5.2.5 Montagem das Bielas ........................................................................................... 31
5.2.6 Construção do Espelho Côncavo ......................................................................... 33
6
Conclusões e Recomendações ......................................................................................... 37
Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 39
7
Lista de Símbolos
P
Pressão
V
Volume
T
Temperatura
Tq
Temperatura quente
Tf
Temperatura fria
E
Energia de um sistema
∆v
Variação de volume
∆E
Variação de energia
∫ δQ
Transferência de calor resultante durante cada ciclo
∫ δW
Trabalho resultante durante cada ciclo
η
Rendimento de uma máquina
8
Lista de Figuras
FIGURA 2.1-MÁQUINA A VAPOER DE JAMES WATT......................................................................12
FIGURA 2.2-ROBERT STIRLING...........................................................................................................13
FIGURA 2.3-PRIMEIRO PROTÓTIPO DE STIRLING.........................................................................14
FIGURA 3.1-Planta de geração de energia da Sandia National Laboratories........................................15
FIGURA 4.1-Diagramas p-v e T-s do ciclo de Stirling.............................................................................17
FIGURA 4.2-Diagrama p-v do processo isotérmico..................................................................................18
FIGURA 4.3.1-Seccionamento de uma esfera...........................................................................................21
FIGURA 4.3.2-Esquema de feixes luminosos em um espelho côncavo...................................................22
FIGURA 5.1.1-Três tipos básicos de esquema de motores de stirling......................................................23
FIGURA 5.1.2- Desenhos de Usinagem....................................................................................................25
FIGURA 5.2.1-Furação de interligação no bloco.....................................................................................26
FIGURA 5.2.2-Obstrução do orifício externo com um pino.....................................................................26
FIGURA 5.2.3-Lixamento do pino de alumínio........................................................................................27
FIGURA 5.2.4-Polimento da superfície.....................................................................................................27
FIGURA 5.2.5-Pasta térmica, camisa e Cilindro......................................................................................28
FIGURA 5.2.6-Aplicação da pasta no cilindro..........................................................................................28
FIGURA 5.2.7-Aplicação da pasta na camisa...........................................................................................28
FIGURA 5.2.8-Camisa montada no cilindro.............................................................................................28
FIGURA 5.2.9-Aplicação do silicone para travamento.............................................................................28
FIGURA 4.2.10-Montagem da câmera quente..........................................................................................29
FIGURA 4.2.11-Bases coladas nos pistões................................................................................................30
FIGURA 4.2.12-Grafite em pó...................................................................................................................31
FIGURA 4.2.13-Aplicação de grafite no pistão.........................................................................................31
FIGURA 4.2.14-Biela e buchas..................................................................................................................31
FIGURA 4.2.15-Aquecimento da biela em fogo........................................................................................32
FIGURA 4.2.16-Biela com as buchas.......................................................................................................32
FIGURA 4.2.17-Motor montado................................................................................................................32
FIGURA 4.2.18-Antena receptora de sinais de telefonia..........................................................................33
FIGURA 4.2.19-Superfície da antena limpa e polida...............................................................................34
FIGURA 4.2.20-Aplicação do filme espelhado..........................................................................................34
FIGURA 4.2.21-Parabólica com toda superfície espelhada.....................................................................35
FIGURA 4.2.22-Vistas do protótipo montado.........................................................................................35
9
Resumo
No século XVIII, a maquina a vapor revolucionou o mundo das indústrias e
também dos operários. Acidentes ocorriam com freqüência devido à explosão de
caldeiras as quais eram fabricadas com materiais inadequados devido à precariedade da
tecnologia metalúrgica. Sensibilizado com a freqüência de acidentes que vinham
ocorrendo, o pastor escocês Robert Stirling desenvolveu um mecanismo que trabalha
com baixa pressão para substituir a usual máquina a vapor. Robert Stirling obteve
sucesso no seu invento, porém seu mecanismo entrou em desuso com o
aperfeiçoamento do sistema a vapor e com o surgimento dos motores a combustão
interna.
Atualmente, o conceito de Stirling tem sido estudado e desenvolvido, no entanto,
motivado por outros propósitos: a escassez energética e o meio ambiente estão em pauta
quando o assunto se trata de geração de energia. Por ser uma máquina de combustão
externa, o motor de Stirling pode ser alimentado por diversos tipos de combustíveis,
inclusive pela luz solar, caso no qual a emissão de poluentes chega a ser zero.
Pelo mesmo propósito, este trabalho tem como escopo utilizar este conceito,
construindo um protótipo em baixa escala de um sistema de geração de energia
composto por um motor de Stirling acoplado a uma parabólica que capta a energia solar.
O processo se deu desde o projeto, passando pela fabricação e montagem dos
componentes, até os testes de funcionamento do modelo, o qual apresentou resultados
satisfatórios.
PALAVRA-CHAVE: Motor de Stirling, energia solar.
10
Abstract
In 18th century, the steam engine revolutionized the world industries and the
workers also. Frequently, there were several accidents due to boiling vessel explosions
which were produced with improperly materials because of the lack of metallurgical
technology. The high number of accidents sensitized the priest Robert Stirling who
developed one mechanism that works with low pressure in order to replace the current
steam machine. His discover achieved success, but his mechanism became obsolete
with the improvement of the steam mechanism and the emergence of the internal
combustion engines.
Nowadays, the Stirling´s concept has been studied and developed, though
motivated by other proposes: energy scarceness and the environment are highlighted
when the issue is energy generation. Being an external combustion engine, it can be
feed by a variety types of fuel, including solar energy which has no pollutant emission.
Following this same concept, the scope of this project is to construct a small
scale prototype of an energy generation system, composed with Stirling engine coupled
with a solar capture parabolic.
The process embraces since the project, manufacture and components assembly
until the model tests, which presents satisfactory results.
KEYWORDS: Stirling engine, solar energy.
11
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, com a alta do preço do petróleo e com os efeitos colaterais evidentes no
ecossistema provocados pela poluição atmosférica, as fontes alternativas de energia
deixam de atuar como fonte pura e simplesmente “alternativa” e passam a ter um papel
com uma atuação um tanto obrigatória na sociedade. Mudanças climáticas, fenômenos
naturais catastróficos, superaquecimento global, aumento do nível do mar, enchentes,
etc., são notícias freqüentes nos dias atuais. A grande maioria dessas catástrofes da
natureza é resultado da utilização de combustíveis fósseis e não renováveis em larga
escala, como ocorre com a maioria dos meios de transportes, que utilizam derivados do
petróleo (gasolina e óleo diesel) para locomoção. Sendo assim, busca-se neste projeto
não somente a construção de um sistema de geração de energia, mas também uma
possível solução de contribuição para um futuro próspero para o planeta Terra.
1.1. Objetivos
O objetivo deste trabalho se foca na construção de um protótipo em baixa escala de um
sistema de geração de energia, utilizando a luz solar como principal fonte de
alimentação, introduzindo assim, mais uma opção no segmento de geração a partir de
energias renováveis. O sistema será composto por um motor de Stirling e uma placa
parabólica coletora de energia solar.
12
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Revolução Industrial
Em meados do século XVIII, em pleno cenário da Revolução Industrial, a
máquina a vapor foi o principal meio utilizado para movimentar os maquinários das
indústrias daquela época. Seu principio básico de funcionamento é transformar energia
térmica, geralmente extraída da combustão do carvão mineral, em energia mecânica,
com a pressão gerada pelo vapor. Essa energia é confinada e temporariamente
armazenada nas caldeiras sob forma de pressão, podendo chegar a valores muito
elevados.
Contudo, isso se tornava um agravante, devido à precária tecnologia metalúrgica
e a falta de equipamentos confiáveis para controle da pressão das caldeiras para a época,
sendo que estas não raramente se rompiam e causavam acidentes muitas vezes fatais aos
operários.
FIGURA 2.1. Máquina a vapor de James Watt.
13
2.2 Motor de Stirling
No início do século XIX, sensibilizado com o número de acidentes que ocorriam
periodicamente nas indústrias, o pastor escocês Robert Stirling auxiliado pelo seu irmão
engenheiro James Stirling, buscou uma forma de substituir o mecanismo convencional
da máquina a vapor, por um mecanismo mais seguro. Seu sonho se concretizou no ano
de 1818, quando construiu seu primeiro motor após uma longa jornada de pesquisas e
experiências.
FIGURA 2.2. Robert Stirling.
Essa máquina funciona isenta de gases de combustão interna, utilizando somente
o ar confinado em seu interior. O ar é aquecido por uma fonte de externa de calor, que
pode ser baseada no uso do carvão, gasolina, álcool, betume ou a própria radiação solar,
iniciando uma cadeia de ciclos de expansão e contração que são usados para a produção
de movimento mecânico. O ciclo de trabalho da máquina é denominado "Ciclo de
Stirling" ainda uma homenagem ao seu inventor. O Ciclo de Stirling se assemelha muito
com o conhecido "Ciclo de Carnot".
Os motores de Stirling funcionam através da expansão de um gás aquecido por
uma fonte de calor externa, seguindo-se de uma contração desse mesmo gás quando
resfriado. O motor contém, internamente, uma quantidade fixa de gás que é transferida
continuamente da carcaça quente, aquecida por uma fonte térmica, para a carcaça fria e
vice e versa, composto também por dois pistões dos quais, um é o “pistão de
14
deslocamento”, que tem como único objetivo transferir o gás da parte fria para a parte
quente enquanto outro pistão, chamado de “pistão de força”, realiza trabalho e altera o
volume interno da parte quente a medida em que o gás se expande ou contrai.Um das
maiores descobertas feita por Robert Stirling para aperfeiçoamento do seu projeto, seria
o regenerador, conhecido também como economizador. Esse dispositivo possibilitou um
aumento significante da eficiência dos motores que funcionavam com esse ciclo.
FIGURA 2.3. Primeiro protótipo de Stirling.
No entanto, por vota de 1922, os motores de Stirling foram perdendo mercado e
passaram a ficar obsoletos frente ao salto do desenvolvimento dos motores a combustão
interna. Funcionando segundo o ciclo “otto” ou ciclo “diesel”, esses motores tinham
grande aplicação e vantagens para a época, fazendo com que os motores de Stirling
fossem parcialmente “esquecidos” com o passar do tempo.
15
3. DESENVOLVIMENTO E APLICAÇOES ATUAIS
Entre 1950 e 1960, a empresa holandesa Philips construiu protótipos de motores
a combustão externa que funcionam segundo ciclo de Stirling, os quais chegavam a
atingir índices de 45% de eficiência. Para base de comparação, as máquinas a vapor
possuem eficiência em torno de 20% a 30% e os motores a combustão interna, com todo
aparato tecnológico e tecnologia de combustível não ultrapassam 40% de eficiência.
Devido á essa e outras vantagens, as máquinas de Stirling voltaram atualmente a
despertar interesses de algumas empresas para aplicações diversas, principalmente no
setor de geração de energia, como é o caso da NASA, que investe no estudo para
obtenção de energia para centros espaciais, utilizando motores com este conceito. Outra
aplicação, a qual se assemelha com o propósito desse projeto, é a geração de energia
elétrica em larga escala, através da energia solar. A exemplo disto, o laboratório situado
no Novo México, possui atualmente 6 protótipos em funcionamento para geração de
energia. Os protótipos funcionam através da captação da energia solar por meio de
painéis espelhados em forma côncava, os quais convergem os feixes de raios luminosos
em um único ponto, chamado de receptor. O receptor então é aquecido e fornece energia
para o motor, o qual trabalha com gás hidrogênio selado em seu interior, realizando
ciclos de aquecimento e resfriamento. Esse ciclo provoca consequentemente a expansão
e contração do gás interno, produzindo então, trabalho motriz que por sua vez, acoplado
a um gerador, produz energia elétrica.
FIGURA 3.1. Planta de geração de energia da Sandia National Laboratories.
16
4. ASPECTOS TEÓRICOS
4.1 Descrição de Funcionamento do Ciclo
O ciclo de operação é composto basicamente por quatro diferentes eventos, dos
quais podemos classificar como compressão, expansão, aquecimento e resfriamento.
Peguemos o motor do tipo Alfa para ilustrar os processos termodinâmicos que ocorrem
internamente.
1. Expansão: Nesta etapa, o gás que
se deslocara para o cilindro quente, se
expande devido ao calor, gerando
pressão
em
todo
o
sistema
e
consequentemente, desloca ambos os
pistões para o centro.
2. Migração: Nesta etapa, a inércia do
conjunto do volante acoplado ao
virabrequim faz com que o pistão
quente retorne à posição inicial,
deslocando parte da massa de ar
quente para o cilindro frio.
17
3. Contração: Agora que a maioria do
gás foi transferido para a câmara fria,
ocorre o processo de contração devido
ao resfriamento daquele volume de
gás, deslocando assim, os pistões em
direções contrárias ao centro (processo
contrário ao da primeira etapa).
4. Migração: Novamente a inércia do
conjunto faz com que os pistões
voltem
às
posições
iniciais,
deslocando a massa de gás frio para a
câmara quente, completando assim o
ciclo.
É importante observar que cada etapa descrita é responsável pela movimentação
equivalente a ¼ de volta. Após a conclusão das 4 etapas, completa-se 1 ciclo, o qual se
demonstra um processo reversível, compondo-se em 2 processos isovolumétricos e 2
isotérmicos, como é possível observar no quadro a seguir:
FIGURA 4.1. Diagramas p-v e T-s do ciclo de Stirling.
18
Etapa
Processo
Equação Relacionada
Compressão Isotérmica – onde há compressão do
1⇒ 2
gás de trabalho.
2⇒3
3⇒ 4
4 ⇒1
O calor é absorvido em forma de energia
acumulada no regenerador a um volume constante.
Expansão Isotérmica – onde o gás aplica força no
sistema
O gás de trabalho é transferido para o regenerador,
como no 2º caso, porém, a um volume constante.
P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2
P1 P2
=
T1 T2
P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2
P1 P2
=
T1 T2
Processo Isotérmico Sem variação de temperatura (ΔT = 0)
Processo Isovolumetrico Sem variação de volume (ΔV = 0)
FIGURA 4.2. Diagrama p-v do processo isotérmico.
O comportamento conferido ao gás durante os ciclos resultantes do trabalho do
motor, segue a seguinte equação, baseada nas leis de Charles, Boyle e Gay-Lussac:
19
P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2
=
T1
T2
(4.1.1)
1 ⇒ 2 = expansão isotérmica ⇒ T1 = T2
Definindo-se a pressão P2 a partir da expansão a uma temperatura constante
temos:
P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 ∴ P2 =
P1 ⋅ V1
V2
(4.1.2)
Neste processo há uma queda na pressão P2 devido ao volume da câmera estar
maior, ou seja, há um aumento do volume especifico, o que provoca a migração dos
gases para a câmera com menor pressão.
2 ⇒ 3 = resfriamento isovolumétrico ⇒ V2 = V1 .
Definindo-se a pressão P2 a partir do resfriamento a um volume constante
temos:
(4.1.3)
P1 P2
T
= ∴ P2 = P1 ⋅ 2
T1 T2
T1
Devido a diferença de temperatura entre as duas câmeras e o volume constante,
percebemos que a pressão P2 é menor do que Sendo a fração menor do que P1 .
3 ⇒ 4 = compressao isotermica ⇒ T1 = T2
Assim como no primeiro caso, a pressão P2 a partir da um compressão a uma
temperatura constante é calculada da seguinte forma:
P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2 ⇒ P2 =
P1 ⋅ V1
V2
4 ⇒ 1 = aquecimento isovolumétrico ⇒ V2 = V1 .
(4.1.4)
20
Assim como no segundo caso, a pressão P2 a partir da um aquecimento a um
volume constante é calculada da seguinte forma:
P1 P2
T
=
⇒ P2 = P1 ⋅ 2
T1 T2
T1
(4.1.5)
4.2. Eficiência Térmica
De acordo com a lei da conservação da energia, a energia no estado inicial (E1)
somada ou subtraída de qualquer energia inserida no sistema deverá se igualar a energia
no estado final (E2), conforme a expressão a seguir:
E1 + (+Q) − (+W ) = E 2
(4.2.1)
Assim, chegamos na equação da 1ª lei da termodinâmica ou da conservação da
energia para um sistema termodinâmico fechado:
Q − W = E 2 − E1 = ΔE
(4.2.2)
Para um sistema fechado, a mudança de estado é equivalente a zero quando este
completa seu ciclo, ou seja:
ΔEciclo = 0
(4.2.3)
Podemos também expressar da seguinte forma:
∫ δQ = ∫ δW
Onde:
∫ δQ → Transferência de calor resultante durante cada ciclo.
∫ δW → Trabalho resultante durante cada ciclo.
(4.2.3)
21
Sabemos que num sistema não é possível armazenar calor ou trabalho devido a
estes serem classificados como fenômenos transitórios, que deixam de existir uma vez
que o ciclo se completa.
O motor de Stirling é uma maquina térmica que opera em ciclo regenerativo
entre dois reservatórios térmicos, assim como uma maquina de Carnot. A eficiência
térmica de uma maquina de Carnot é expressa conforme a seguir:
ηcarnot = 1 −
(4.2.4)
TF
TQ
Portanto, podemos utilizar a mesma expressão para calcular a eficiência do
motor de stirling:
ηstirling = 1 −
(4.2.5)
TF
TQ
Na prática, podemos concluir a partir dessa expressão, que maior será a eficiência
do motor quanto maior for a diferença de temperatura entre os reservatórios térmicos ou
carcaça quente e fria.
4.3 Estudo da Ótica dos Espelhos Côncavos
Os espelhos esféricos são provenientes do corte de uma esfera (fig. 4.3.1), onde
uma de suas partes (interna ou externa) possui uma superfície espelhada.
FIGURA 4.3.1 Seccionamento de uma esfera.
22
No caso em estudo, utilizamos o espelho com a parte interna espelhada, ou seja,
um espelho côncavo. A idéia principal do espelho côncavo é convergir os raios
luminosos provenientes de um objeto ou fonte luminosa em um único ponto. No caso,
concentramos cada feixe de raio luminoso que chega na superfície espelhada e
convergimos em um único ponto, concentrando assim, a energia térmica, aumentando o
poder calorífico para que seja transferido ao sistema. Este ponto onde os raios
luminosos se encontram é chamado de ponto focal ou simplesmente foco. Este
fenômeno pode se ilustrado conforme a figura 4.3.2:
FIGURA 4.3.2 Esquema de feixes luminosos em um espelho côncavo.
Centro de curvatura C : centro da superfície esférica que deu origem ao espelho.
Vértice A : pólo da calota.
Eixo principal : reta definida por C e A
Raio de curvatura R : raio da superfície esférica de onde retiramos a calota.
Distância focal f : distância entre o foco e o vértice do espelho.
F = R/2
(4.3.1)
23
A distância focal é que determinará a distância entre o cabeçote do cilindro
quente e o pólo da calota do espelho côncavo, o que proporciona um melhor foco e
consequentemente, um melhor aproveitamento da energia calorífica disponível.
5. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
5.1 Desenvolvimento do Protótipo
Anteriormente à fase de projeto, foram feitas diversas pesquisas sobre os tipos
de motores de stirling e suas configurações. Existem basicamente 3 tipos de
configurações, classificadas como Alfa (α), Beta (β) e Gama (γ), conforme figuras
abaixo:
FIGURA 5.1.1 Três tipos básicos de esquema de motores de stirling.
A partir das pesquisas feitas, chegou-se a conclusão que o motor que melhor se
adequaria ao projeto seria do tipo Alfa pelas seguintes justificativas: simplicidade de
construção, baixo custo e fácil compreensão de funcionamento.
24
Após selecionada a configuração do motor, deu-se o início à fase de projeto com
rascunhos de desenhos, os quais foram sendo modificados ao longo tempo devido a
implementação de melhorias para aumento da eficiência do mesmo. Dos rascunhos,
foram criados desenhos das peças separadas os quais foram inicialmente feitos no
software Inventor e posteriormente passados para o software Solidworks 2007, devido à
padronização do seu uso para ensino na instituição. Os desenhos de usinagem das peças
que foram fabricadas estão dispostos na figura 5.1.2.
25
FIGURA 5.1.2 Desenhos de Usinagem.
As peças foram fabricadas em uma empresa de usinagem a partir dos desenhos
fornecidos. As furações foram feitas no laboratório de mecânica da Universidade São
Francisco de Campinas com o auxílio do técnico. Foram utilizados a furadeira de
bancada e em alguns casos, o centro de usinagem para a execução dos furos.
5.2 Montagem do Protótipo
5.2.1 Montagem do bloco
A montagem se deu inicio pelo bloco que divide as duas câmeras. Para fazer a
interligação entre as câmeras quente e fria, foi feito um furo de 5mm de diâmetro da
lateral do bloco até o centro do outro furo, devido à falta de acesso para furar somente
entre as paredes internas.
26
FIGURA 5.2.1 Furação de interligação no bloco.
Como o gás de trabalho não pode deixar o sistema, o orifício da parte externa
foi obstruido com um pino de alumínio que possibilitava uma montagem com
interferência. Para garantir a vedação, foi passado cola de vedação a base de silicone de
alta temperatura.
FIGURA 5.2.2 Obstrução do orifício externo com um pino.
A parte do pino que invadiu a câmera foi lixada com uma retífica elétrica e
posteriormente foi dado um polimento para redução de carga e conseqüentemente
melhor escoamento do ar durante o funcionamento do motor.
27
FIGURA 5.2.3 Lixamento do pino de alumínio.
FIGURA 5.2.4 Polimento da superfície.
Visando uma melhor eficiência do sistema, o furo de interligação entre as duas
câmeras foi feito numa posição de tangenciamento dos cilindros ao invés de ser no
centro. O furo nessa posição possibilita criar um vórtice durante a injeção do gás na
câmera, aumentando assim o poder de troca de calor com as paredes do cilindro.
5.2.2 Montagem das Camisas nos cilindros
Feito os ajustes no bloco, o próximo passo foi o encamisamento dos cilindros
com as camisas de vidro, provenientes das seringas cirúrgicas. Foi selecionado o vidro
devido a sua ótima vedação com o mínimo de atrito possível, além de resistir a altas
temperaturas. Os copos das seringas foram seccionados, cortando-se as pontas superior
e inferior. Os cortes foram executados no laboratório de vidraçaria da Universidade
Unicamp.
Os cilindros foram desenvolvidos com diâmetro maior do que das camisas de
vidro, possibilitando uma montagem livre de interferência. Essa folga é necessária
devido à diferença de dilatação entre o alumínio e o vidro, que durante um aquecimento
ou resfriamento, pode provocar a trinca ou mesmo a quebra do vidro, comprometendo a
vedação do sistema. No entanto, essa folga impossibilita o contato integral entre a
superfície do vidro e a carcaça externa, prejudicando as trocas de calor com o meio
externo. Esse fenômeno se agrava ainda mais para a câmera fria do motor, que necessita
28
dissipar a maior quantidade de calor possível para não comprometer o rendimento. Para
contornar o problema, foi utilizando pasta térmica a base de óxido de zinco com silicone
entre a camisa e a carcaça. Essa pasta é a mesma utilizada nos processadores de
computadores para preenchimento entre a superfície do mesmo com a placa dissipadora.
A pasta preenche os espaços vazios entre as superfícies e por ter uma ótima
condutividade térmica, aumenta a eficiência de troca de calor.
FIGURA 5.2.5 Pasta térmica, camisa e Cilindro.
FIGURA 5.2.6 Aplicação da pasta no
cilindro.
FIGURA 5.2.7 Aplicação da pasta na camisa.
FIGURA 5.2.8 Camisa montada no cilindro.
Como a pasta térmica não possui propriedades colantes, foi utilizado cola de
silicone de alta temperatura para travar e vedar a camisa no cilindro.
29
FIGURA 5.2.9 Aplicação do silicone para travamento.
5.2.3 Montagem da câmera quente
O cilindro quente tem objetivo de captar o calor do meio externo para
aquecimento do gás no seu interior. Como a energia utilizada é a solar, proveniente da
concentração dos raios pelo espelho côncavo, a superfície foi projetada para que os raios
solares incidam perpendicularmente a mesma. Por isso, a cabeça do cilindro possui um
raio que acompanha a curvatura do espelho, aumentando sua eficiência na captação de
energia. Ainda para aumentar a eficiência na absorção de calor, o cilindro quente foi
pintado de preto fosco com tinta de alta temperatura. Sabemos que a cor preta absorve
maior quantidade de luz do que qualquer outra cor, portanto, essa foi a cor utilizada.
FIGURA 4.2.10 Montagem da câmera quente.
30
Conforme descrito no item 4.2.5, a eficiência do motor de stirling está
diretamente ligada à diferença de temperatura entre os dois recipientes térmicos. Quanto
maior essa diferença, maior sua eficiência. Portanto, foi verificado em testes que com o
passar do tempo, o calor recebido pelo cilindro quente, acabava migrando para o
restante do motor, perdendo assim sua eficiência. Para contornar o problema, foi
colocado uma junta entre a flange do cilindro e o bloco do motor, com o objetivo tanto
de selar quanto isolar parte do calor proveniente do cilindro.
5.2.4 Montagem dos pistões
Como os pistões são confeccionados em vidro, foi necessário fabricar uma peça
que fizesse a conexão dos pistões com as bielas, sendo estas, coladas com silicone na
base de vidro conforme figura 4.2.11.
FIGURA 4.2.11 Bases coladas nos pistões.
Como é possível ver na figura 4.2.11, os pistões possuem uma certa rugosidade,
uma espécie de jateamento fino, que não compromete a vedação. No entanto, para
conferir menor atrito e maior durabilidade ao conjunto, foi optado por uma lubrificação
a seco com grafite em pó. Para isso os pistões foram impregnados com grafite conforme
as figuras 4.2.12 e 4.2.13:
31
FIGURA 4.2.12 Grafite em pó.
FIGURA 4.2.13 Aplicação de grafite no pistão.
5.2.5 Montagem das bielas
As bielas foram fabricadas em alumínio. Sabemos que o alumino apesar de ser
um material leve, não possui uma ótima resistência ao desgaste. Para isso, foram feitas
inclusão de rolamentos e buchas de bronze, fazendo furações com o diâmetro dos
rolamentos e das buchas respectivamente.
FIGURA 4.2.14 Biela e buchas.
Com a técnica de travamento por interferência, as bielas foram aquecidas no
fogo para dilatação do furo e os rolamentos assim como as buchas foram resfriadas no
congelador para contração do diâmetro.
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FIGURA 4.2.15 Aquecimento da biela em fogo.
FIGURA 4.2.16 Biela com as buchas.
Com as peças ajustadas, os componentes foram montados dando o corpo ao
motor.
FIGURA 4.2.17 Motor montado.
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5.2.6 Construção do espelho côncavo
Para que os raios solares incidissem em um mesmo ponto, foi necessário a
utilização de um espelho côncavo. Por não possuir utilidade pratica no dia a dia, os
espelhos côncavos são dificilmente encontrados no mercado, diferente dos espelhos
convexos, utilizados comumente em estacionamentos e estabelecimentos comerciais.
Por isso a alternativa foi construir um espelho a partir de uma superfície côncava. Foi
optado a utilização de uma antena receptora de sinais de telefonia, adquirida em uma
sucateira.
FIGURA 4.2.18 Antena receptora de sinais de telefonia.
As partes de pouco interesse foram desmontadas e a superfície recebeu um
polimento para melhorar sua rugosidade.
34
FIGURA 4.2.19 Superfície da antena limpa e polida.
Após a preparação da superfície, foi aplicado um filme adesivo com acabamento
espelhado para dar aparência reflexiva na face côncava. Por se tratar de uma superfície
curva, foram feitas aplicações a partir de tiras com 60 mm de largura para evitar que o
filme se deformasse de forma incorreta à superfície, provocando bolhas ou vincos.
FIGURA 4.2.20 Aplicação do filme espelhado.
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Foram feitas aplicações até cobrir toda a superfície da antena, como
demonstrado na fig. 4.2.18.
FIGURA 4.2.21 Parabolica com toda superfície espelhada.
Com todos os componentes ajustados, foi possível executar a montagem do
conjunto, conforme figura 4.2.22:
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FIGURA 4.2.22 Vistas do protótipo montado.
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6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Primeiramente, foram dados os ajustes nos volantes para que houvesse uma
defasagem de 90° entre os colos de apoio das bielas. Sem essa regulagem, não é
possível fazer o motor funcionar, pois descaracteriza o ciclo termodinâmico no seu
interior. Após os ajustes, o motor foi testado utilizando o fogo como fonte de energia. O
cilindro quente foi então aquecido e dado o embalo para o inicio do ciclo. Infelizmente
o motor não conseguiu funcionar, pois foi verificado que o curso dos pistões estava
muito grande, ou seja, desproporcional para as dimensões dos volantes. Em outras
palavras, devido à defasagem de 90° entre os pistões e ao curso muito longo, gerou-se
uma pressão elevada entre as câmeras, sendo que a massa do conjunto de volantes não
imprimia inércia suficiente para completar ciclos sucessivos. Foi feita uma furação nova
no volante passando a distância de 15 mm para 5 mm do centro, resultando em um
curso total de 10mm. Um novo teste foi feito e o motor funcionou, porém foi necessário
imprimir uma velocidade grande para que fosse mantido em funcionamento e após certo
tempo de teste, seu rendimento caiu devido à migração do calor do cilindro quente para
as demais partes do motor. Para contornar o problema, foi colocada uma junta de
1,5mm de celulose com grafite, possibilitando um melhor isolamento do calor,
aumentando substancialmente o seu rendimento.
Foi feito um novo teste e os resultados foram satisfatórios. A junta isolou boa
parte do calor, impedindo que o mesmo migrasse para o cilindro frio, melhorando assim
sai eficiência.
Na seqüência, foi verificado o funcionamento da parabólica espelhada, expondoa na luz solar. A parabólica foi então direcionada para o sol e foi colocado um pedaço
de madeira na região do foco para verificação do poder calorífico e, em poucos
segundos, o material de teste entrou em chamas.
Enfim, todo o conjunto foi montado para teste final. Como apoio da antena, foi
utilizado um suporte de monitor, que possibilita colocar o conjunto em diversas
posições devido a sua mobilidade nas juntas. Como suporte do motor na parabólica, foi
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utilizada uma barra roscada, a qual possibilita fazer regulagem da distância entre a
superfície receptora do cilindro e o foco do espelho.
Durante a fase de montagem e testes do protótipo, foi possível verificar na
prática pontos de defeitos e melhorias no projeto, ou seja, a influência de cada ponto
positivo ou negativo no resultado final. Como apresentado no capítulo de objetivos do
trabalho, a proposta deste trabalho é a construção de um protótipo simples que converta
energia solar em calor para alimentar um motor de stirling. No entanto, o protótipo
apresenta alguns pontos que ainda devem ser implementados para uma aplicação prática
no dia-a-dia:
•
Deve ser implementado um sistema automatizado para que o espelho siga a direção
do sol e o mesmo funcione com eficiência máxima durante todo o dia;
•
A energia mecânica gerada pelo motor pode, por exemplo, ser convertida em
energia elétrica, acoplando-se um gerador no eixo motriz;
•
Atualmente é preciso girar o motor manualmente para que ele possa dar inicio ao
ciclo. Deve ser implementado um sistema de partida automatizado composto, por
exemplo, de um motor de partida alimentado por uma bateria, a qual é abastecida
por parte da energia elétrica gerada pelo protótipo.
Apesar dos problemas apresentados durante a fase de montagem e testes pode-se
concluir que, de um modo geral, os resultados finais foram satisfatórios e que os
objetivos do trabalho foram atingidos em sua grande maioria.
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7. BIBLIOGRAFIA
[1] MORAN, M..; SHAPIRO, H.; Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 4. Ed.
Rio de Janeiro/; Ed LTC, 2002, 342p.
[2] CULP A. W. Principles of Energy Convertion, Singapore, McGraw-Hill Series in
Mechanical Engineering, 1991.
[3] SAAD, M. A., Thermodynamics: principles & practice, USA: Prentice-Hall,
1997.
[4] STIRLING ENGINE. http://www.solarnavigator.net/stirling_engine.htm.
[5] UNIVERSITAT KARLSRUHE. http://www-ifkm.mach.uni-karlsruhe.de/Htmle/Project/Stirling/stirling.html.
[6] AQUINO, Denize e Oscar. Históra Geral 3 ed. Rio de Janeiro Ed. Ao Livro Técnico
89 p.
[7] SANDIA NATIONAL LABORATORIES. News Center. Disponível em:
<http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2004/renew-energy-batt/Stirling.html>
Acessado em 05 de Novembro de 2007.
[8] NASA. Thermo-Mechanical Systems Branch. Disponível em:
<http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling.html> Acessado em 15 de Novembro de
2007.
[9] WIKIPÉDIA. Motor Stirling. Disponível em
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling> Acessado em 15 de Novembro de 2007.