Motor Stirling

O motor de Stirling foi inventado em 1816 por Robert Stirling com o auxílio de seu irmão. Eles buscavam substituir os motores a vapor, que causavam diversos acidentes entre os seus funcionários. Esse motor é de combustão externa – a combustão ocorre fora do motor – e utiliza como fluido de trabalho somente o ar aquecido pela combustão.

Trata-se de um motor muito simples, pois consiste basicamente em duas câmaras com temperaturas diferentes. 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 considerados 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.

A eficiência dos motores de Stirling pode ser calculada da mesma maneira que ocorre no ciclo de Carnot:

Sendo:

• R: Rendimento do motor;

• T_f: Temperatura da câmara de temperatura mais baixa (em Kelvin);

• Tq: Temperatura da câmera de temperatura mais elevada (em Kelvin).

Além disso, praticamente qualquer fonte de calor pode ser usada no funcionamento desses motores: a chama de uma vela e até mesmo o calor transferido pela palma de uma mão. Basta que haja uma diferença significativa entre as temperaturas das partes quentes e frias do motor.

Ciclo do motor de Stirling

Os motores de Stirling funcionam por meio do Ciclo Stirling: um ciclo termodinâmico reversível e cíclico que apresenta quatro tempos de funcionamento.

1. Expansão isotérmica – processo em que o ar presente no motor sofre uma expansão aproximadamente isotérmica, absorvendo calor de fontes externas (queima de carvão, velas etc.);

2. Resfriamento isovolumétrico – 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 grandemente, em um processo que ocorre em temperatura constante;

4. Aquecimento isovolumétrico – o último processo ocorre a volume constante e envolve transferência de calor da fonte quente para o ar contido dentro do cilindro do motor.

Na figura a seguir, o diagrama P-V (Pressão x Volume) representa o funcionamento do ciclo Stirling:

Vantagens e desvantagens do motor Stirling

Os motores baseados no ciclo de Stirling apresentam as seguintes vantagens:

• Causam pouca poluição;

• São bastante silenciosos e geram pouca vibração;

• Podem utilizar praticamente qualquer fonte de calor como combustível: gasolina, diesel, GLP, energia solar, calor geotérmico etc.;

• São motores de alto rendimento – sua eficiência depende exclusivamente da diferença de temperatura entre suas câmaras quente e fria, assim como o Ciclo de Carnot.

Podemos listar como desvantagens dos motores Stirling:

• Por serem pouco populares, seu custo de produção é elevado;

• O sistema de vedação do gás utilizado nas câmaras é de difícil controle;

• Mudar a velocidade de rotação desse tipo de motor é um processo complexo.