O ciclo Stirling

Autor: 
Karim Nice

O princípio fundamental de um motor Stirling é que uma quantidade fixa de gás é encerrada no interior do motor. O ciclo Stirling envolve uma série de eventos que alteram a pressão do gás no interior do motor, fazendo com que ele funcione.

Há diversas propriedades dos gases que são essenciais para o funcionamento dos motores Stirling:

  • se você tiver uma quantidade fixa de gás em um volume fixo de espaço e a temperatura desse gás aumentar, a pressão também irá aumentar;
  • se você tiver uma quantidade fixa de gás e comprimi-lo (diminuir o volume de seu espaço), a temperatura desse gás irá aumentar.

Vamos analisar cada parte do ciclo Stirling enquanto conhecemos um motor Stirling simplificado. O motor simplificado usa dois cilindros. Um cilindro é aquecido por uma fonte de calor externa (como uma fogueira) e o outro é resfriada por uma fonte externa de resfriamento (como gelo). As câmaras de gás dos dois cilindros são conectadas e os pistões são conectados um ao outro mecanicamente por uma articulação que determina como eles se movimentarão entre si.

Há quatro partes no ciclo Stirling. Os dois pistões na animação acima passam por todas as partes do ciclo:

  1. calor é adicionado ao gás no interior do cilindro aquecido (à esquerda), causando a elevação da pressão. Isso força o pistão a se mover para baixo. Essa é a parte do ciclo Stirling que realiza trabalho;
  2. o pistão esquerdo se move para cima enquanto o pistão direito se move para baixo. Isso empurra o gás aquecido para o cilindro resfriado, o que resfria rapidamente o gás para a temperatura igual a  da fonte de resfriamento, baixando  também sua pressão. Isso facilita comprimir o gás na próxima parte do ciclo;
  3. o pistão no cilindro resfriado (direito) começa a comprimir o gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela fonte de resfriamento;
  4. o pistão direito se move para cima enquanto o pistão esquerdo se move para baixo. Isso força o gás para o interior do cilindro aquecido, onde se aquece rapidamente, aumentando a pressão, ponto no qual o ciclo se repete.

O motor Stirling somente gera potência durante a primeira parte do ciclo. Há duas maneiras principais de aumentar a geração de potência.

  • Aumentar a geração de potência no estágio 1 - na parte 1 do ciclo, a pressão do gás aquecido empurrando o pistão realiza trabalho. Aumentar a temperatura durante essa parte do ciclo aumentará a geração de potência do motor. Uma maneira de aumentar a pressão é por meio do aumento da temperatura do gás. Quando dermos uma olhada em um motor Stirling mais adiante, veremos como um dispositivo chamado regenerador pode melhorar a geração de potência do motor ao armazenar calor temporariamente.
  • Diminuir o consumo de potência no estágio 3 - na parte 3 do ciclo, os pistões realizam trabalho sobre o gás, consumindo uma parte da potência produzida na parte 1. Baixar a pressão durante esta parte do ciclo pode diminuir a potência consumida durante esse estágio do ciclo, aumentando efetivamente a geração de potência do motor. Um modo de diminuir a pressão é resfriar o gás para uma temperatura mais baixa.

Esta seção descreveu o motor Stirling ideal. Os motores reais trabalham variando o ciclo levemente por causa das limitações de seu projeto. Nas próximas seções, vamos conhecer alguns tipos diferentes de motores Stirling. O motor tipo deslocador é provavelmente o mais fácil de se entender, assim, começaremos com ele.