CONSTRUÇÃO DE UM MOTOR STIRLING MOVIDO À ENERGIA SOLAR COMO FERRAMENTA DE ENSINO DA TERMODINÂMICA Bráulio Morais braulio_morais@hotmail.com ¹ Francisco Santiago P. da Silva frsanti07@gmail.com ¹ Gabriel N. da S. Dantas gabrielnsd@bct.ect.ufrn.br ¹ Sergio Augusto N. de França Junior sergiofrancajn@gmail.com ¹ Gabriel Ivan Medina Tapia gmedinat@ct.ufrn.br¹ ¹ Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Mecânica Campus Universitário Central, s/n, Lagoa Nova 59078-900 Natal Rio Grande do Norte Resumo: O presente trabalho tem por objetivo a construção de um motor Stirling do tipo gama movido a energia solar com um sistema de resfriamento interno. Para a construção do motor e do concentrador solar foram utilizados materiais de fácil obtenção, todo o processo de construção é explicitado. O motor Stirling é, teoricamente, o motor térmico de maior eficiência térmica, quando comparado a motores de combustão interna como Otto e Diesel. São apresentados resultados obtidos a partir da medição com instrumentos e de equações da termodinâmica. De acordo com os resultados encontrados, pode-se destacar o rendimento ideal de 54,78%, a temperatura de 364 C atingida com a concentração de raios solares e a diferença entre os regimes de funcionamento com e sem a presença do sistema de resfriamento interno. O projeto promove a aplicação dos conteúdos estudados no curso de engenharia e fomenta o pensamento crítico para solução de problemas de engenharia. Palavras-chave: Motor Stirling, Energia Solar, baixo custo, engenharia 1. INTRODUÇÃO O ensino de engenharia no Brasil conta com uma extensa carga horária teórica, o que acaba dificultando o aprendizado dos alunos, que carecem de uma abordagem mais prática dos conteúdos estudados. Considerando isso, é avaliado, neste trabalho a construção de um motor Stirling do tipo gama movido a energia solar, com a adição de um sistema de resfriamento interno. O motor e o concentrador solar foram construídos com materiais de fácil obtenção. O Sistema de resfriamento construído possibilita a operação do motor em diversas posições, uma exigência para o sistema, já que este deve estar sempre voltado para o Sol. Foram medidos a temperatura obtida a partir da concentração de raios solares e a rotação do motor com e sem sistema de resfriamento interno. A partir desses dados é possível se calcular a eficiência térmica ideal em ambos os casos. O estudo das formas de aproveitamento da energia solar tem mostrado uma importância crescente no atual cenário global. O Brasil possui um imenso potencial para o desenvolvimento de tecnologias de uso desta energia, sua localização geográfica proporciona altos níveis de irradiância solar. Países com menor incidência solar investem bem mais no
desenvolvimento de tecnologia nesta área, projetos como o realizado neste artigo reafirmam o potencial de produção de energia a partir do Sol, que existe no Brasil. O funcionamento do motor Stirling se baseia na expansão e compressão de um gás de trabalho. No motor do tipo gama, estes processos ocorrem em dois cilindros, o cilindro quente e o cilindro frio, dentro desses cilindros estão o pistão deslocador e o pistão de trabalho, respectivamente. O pistão de trabalho tem a função de deslocar o fluido de trabalho entre as partes de alta e baixa temperatura do cilindro. O pistão de trabalho, que se encontra no cilindro de trabalho, tem a função de comprimir o fluido de trabalho, movendo o motor. Os dois pistões estão conectados ao mesmo virabrequim. 2. CONSTRUÇÃO O motor Stirling, mostrado na Figura 1, e o concentrador solar, mostrado na Figura 2, foram construídos a partir de materiais reutilizados e facilmente encontrados no mercado. O motor foi dimensionado baseando-se em modelos anteriormente construídos, porém adaptado para este caso específico. O concentrador solar foi construído a partir de uma antena de TV por assinatura. Figura 1 Motor Stirling do tipo gama construído Figura 2 Concentrador solar construído
2.1. Materiais Para a construção do motor foram utilizadas três latas de alumínio de 350ml, um joelho de PVC de 20mm de diâmetro, um redutor de PVC com diâmetros de 50mm e 20mm, 3 raios de bicicleta de 2mm de diâmetro, 1 raio de bicicleta de 2,5mm de diâmetro, 3 CD s, 2 moedas, 8 conectores de fios elétricos, 1 tubo de cobre de 6,5mm de diâmetro externo e 4,5mm de diâmetro interno, 1 balão de festa tamanho 9, lã de aço, selante para motor, cola resistente a altas temperaturas, tinta preta para objetos expostos a altas temperaturas, tampas de garrafas plásticas, massa epoxi, mangueira plástica flexível de 4,5mm de diâmetro externo e 3mm de diâmetro interno, duas latas de leite em pó, uma antena de TV por assinatura com 60cm de diâmetro e 5 sacolas de presente prateadas 2.2. Construção do motor O cilindro quente, o cabeçote do motor e o suporte para o virabrequim foram construídos com latas de alumínio de 350ml. O pistão deslocador construído possui 20mm de altura e cerca de 57mm de diâmetro e corre em um curso de 40mm. A partir dessas dimensões foram calculadas as dimensões do cilindro quente, este possui 85mm de altura, medido a partir do fundo da lata. Um furo lateral, na altura de 50mm, com diâmetro de 20mm, este é a entrada para a conexão entre os cilindros quente frio, a parte de baixo do cilindro quente, onde é posicionada a fonte de calor, foi pintada de preto, diminuindo a quantidade de calor refletido. O pistão deslocador, que corre dentro do cilindro quente, é formado por uma haste e pelo pistão em si, sua haste é construída com um raio de bicicleta de diâmetro de 2mm, comprimento 14mm. O pistão é construído com duas placas de alumínio com a superfície com vários furos, obtidas das paredes de uma lata comum e furadas, e entre essas placas é colocado um chumaço de lã de aço. As dimensões do pistão são cuidadosamente ajustadas de modo que ele corra livre por dentro do cilindro, mas que não haja uma folga grande. O cabeçote possui 70mm de altura, medido a partir do fundo da lata. Este deve possuir um furo de 2mm de diâmetro, no centro. Este furo permite a passagem da haste do pistão deslocador. Outros dois furos, de diâmetro 6,5mm, no fundo da lata, permitem a passagem do tubo de cobre, como mostra a Figura 3, que tem a função de trocador de calor. Após a montagem do trocador de calor os furos foram vedados com cola resistente a altas
temperaturas. O trocador de calor é alimentado e descarregado por duas mangueiras flexíveis de 4,5 mm de diâmetro, sua conexão foi vedada, também, com cola resistente à altas temperaturas. O cabeçote, então, foi novamente furado, desta vez na lateral, para possibilitar a passagem dos tubos flexíveis para o meio externo. Tais furos possuem 4,5mm de diâmetro e são vedados com selante para motor. Figura 3 Parte inferior do cabeçote, onde há a passagem do trocador de calor do sistema de resfriamento O suporte para o virabrequim, é construído com toda a extensão da lata de 350ml. A tampa da lata foi removida por limagem. Um furo de 2mm de diâmetro no centro do fundo da lata permite a passagem da haste do pistão deslocador. Dois furos concêntricos, com 2,5mm de diâmetro, foram feitos nas laterais da lata a uma altura de 105mm, para a passagem do virabrequim, como mancais de deslizamento foram utilizadas duas moedas furadas, coladas na face externa da lata. Para facilitar as operações de montagem do conjunto biela-manivela, foi feita uma abertura na face da lata. O virabrequim foi construído a partir de um raio de bicicleta de 2mm de diâmetro, o raio foi conformado levando em consideração os cursos dos pistões deslocador e de trabalho, onde as dimensões do braço de alavanca de cada pistão, equivalem à metade dos cursos dos pistões deslocador e de trabalho. O cilindro frio foi construído a partir de um redutor de PVC, foi realizado um desbaste na sua câmara de maior diâmetro, reduzindo a altura de 30mm para 25mm com o intuito de diminuir o volume da câmara fria, resultando em uma maior compressão do fluido de trabalho. Para a construção do pistão de trabalho foram utilizados uma bexiga de festa, duas tampas de garrafa PET e um raio de bicicleta, com 2,5mm de diâmetro, mostrados na Figura 4. Figura 4 Cilindro frio e pistão de trabalho
2.3. Construção do concentrador solar O concentrador solar foi construído a partir de uma antena de TV por assinatura com diâmetro de 60cm. Ela foi revestida com sacola de presente prateada que permitem a reflexão dos raios solares. Foi construído um suporte de madeira para acoplar o motor a haste, na distância focal. Esse suporte permite que o motor esteja sempre no foco da parábola. 3. METODOLOGIA Para a obtenção dos resultados foram usados o tacômetro digital ICEL TC-5030 e um termômetro digital Minipa MT-306, mostrados na Figura 5. Foram aferidas Rotação no volante do motor e temperatura atingida a partir da concentração dos raios solares no cilindro quente, temperatura ambiente e temperaturas de alimentação e descarga do sistema de resfriamento. Os testes foram realizados em horários com maior irradiância solar no campo de testes. Figura 5 tacômetro digital ICEL TC-5030, à esquerda, e termômetro digital Minipa MT-306, à direita
A partir da definição de entalpia, representada na Equação 1, é possível se estimar a quantidade de calor que o sistema de resfriamento retira do motor, desconsiderando algumas irreversibilidades, como a transferência de calor com o meio externo e atrito na tubulação. Onde o fluxo de massa m, foi encontrado a partir da tomada do tempo que se levou para encher um recipiente de 150ml. O calor específico da água, c p, é o valor para a água a 300K, este calor é 4,18 kj. A variação de temperatura, T, foi obtida a partir da diferença entre kg K as temperaturas da descarga e alimentação do sistema de resfriamento. H = c p m ( T) (1) Todos os motores térmicos, atualmente, estão sujeitos a transferência de calor, perdas térmicas internas e perdas mecânicas. Considerando o sistema como ideal, pode-se encontrar o valor de sua eficiência ideal, que não pode ser maior que a eficiência térmica do ciclo de Carnot. Sabendo que o trabalho realizado, em um ciclo ideal, é a razão entre as quantidades de trabalho realizado e energia fornecida, desenvolvendo esta igualdade, obtemos a Equação 2. T T L 1 (2) H 4. RESULTADOS Os resultados de funcionamento do motor Stirling foram coletados em duas situações, com e sem o fluxo de água no sistema de resfriamento. Na segunda situação foi utilizada água a 15 C. Na primeira situação, os picos de temperatura da fonte quente e rotação do motor foram, respectivamente, 316 C e 421rpm, nesta situação o motor manteve uma rotação estável de, aproximadamente, 320rpm. Nos testes realizados com o fluxo de água através do sistema de resfriamento, os picos de temperatura da fonte quente e rotação do motor foram, respectivamente, 364 C e 460rpm, nesta situação o motor manteve uma rotação estável de, 3 aproximadamente, 370rpm. O fluxo de água no sistema de resfriamento foi de 0,003 l s ou 3 6 3x10 m kg, considerando uma densidade de 997 s m tem-se um valor de 2,991x 3 3 10 kg. Aplicando estes valores na Equação 1, resulta em 12,5W de calor retirado do motor através do sistema de resfriamento. Em ambos os testes, a temperatura nas proximidades do motor foi de 33 C. Os resultados de eficiência térmica ideal foram calculados a partir da Equação 2, onde T H são os picos de temperatura e T L são temperatura ambiente e temperatura de entrada da água no sistema de resfriamento. Estes dados estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1 - Resultados obtidos nos testes de funcionamento do motor. Fluxo de água no Temperatura da Temperatura da Pico de sistema de fonte quente, T H fonte fria, T rotação L resfriamento (K) (K) (rpm) Eficiência térmica ideal (x100%)
Não 589,15 306,15 C 421 48% Sim 637,15 288,15 460 54,78% 5. CONCLUSÃO A construção do motor Stirling do tipo gama movido à energia solar foi bem-sucedida. O motor apresenta uma eficiência térmica ideal elevada, quando comparado a motores de combustão interna. O motor construído apresentou um funcionamento satisfatório, tendo como fonte a energia solar. A realização de tal projeto proporciona aos estudantes de engenharia uma maneira de colocar em prática grande parte de seus conhecimentos teóricos acerca de diversas áreas da engenharia, como termodinâmica e dinâmica, além de fomentar a criatividade para desenvolvimento de projetos e solução de problemas da vida real. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ÇENGEL, Yunus A. Termodinâmica.7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. 1018 p, il POSSAMAI, Daniel Giovani; CENTRO UNIVERSITÁRIO DE JAGUARÁ DO SUL, Centro de Tecnologia e Artes. Análise Termodinâmica do Motor Stirling, 2009. 70p, il. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). CONSTRUCTION OF A STIRLING ENGINE POWERED BY SOLAR ENERGY AS A TEACHING TOOL OF THERMODYNAMICS Abstract: The present paper has as objective the construction of a type gama Stirling engine powered by solar energy in addition to an internal cooling system. For the construction of the engine and solar concentrator were used easy acquirement materials, the entire building process is explained. The Stirling engine theoretically is the most efficient thermal engine, when compared to others internal combustion engines like Otto and Diesel. Results obtained from instrument measurements and thermodynamics equations are presented. According to results found can be highlighted the ideal thermal efficiency of 54,78%, the temperature of 364ºC achieved with the concentration of solar rays and the difference between the operating regime with and without the existence of the internal cooling system. The project promotes the application of the subjects studied during engineering undergraduate course and foments the critical thinking for engineering problem solving. Keywords: Stirling engine, Solar Energy, low cost, engineering.