Motor Stirling

O motor Stirling é um motor de fluido de trabalho de ciclo fechado de combustão externa . O fluido é um gás sujeito a um ciclo que compreende quatro fases: aquecimento isocórico (em volume constante), expansão isotérmica (em temperatura constante), resfriamento isocórico e, finalmente, compressão isotérmica.

Robert Stirling inventou o motor de ar quente em 1816 e, para melhorar sua eficiência, equipou-o com um regenerador , que fornece armazenamento térmico e funções de trocador interno. Este elemento diferencia o motor Stirling de outros motores. Melhorou consideravelmente seu desempenho, dando-lhe um verdadeiro desenvolvimento em termodinâmica .

Pouco conhecido do grande público, este motor apresenta algumas vantagens. Era muito difundido na época do domínio das locomotivas a vapor que apresentavam sério risco de explosão.

História

No início do XIX ° século as caldeiras a vapor explodir com bastante frequência. Para responder a este problema, Robert Stirling imagina um motor sem caldeira sujeito a pressões muito altas, onde o calor é, portanto, trazido de fora da máquina. Ele descobre que basta aquecer o ar ambiente por combustão para fornecer energia a esse motor e é assim que Stirling registra sua patente sobre27 de setembro de 1816. Ele também é o inventor de um regenerador na tubulação do motor que evita muita perda de energia e melhora sua eficiência. A rigor, esse regenerador é o que diferencia o motor Stirling de outras máquinas de ar quente.

Dentro 1843, seu irmão James "industrializou" este motor, para uso na fábrica onde ele era engenheiro. No entanto, devido a várias quebras e uma potência muito baixa em comparação com a máquina a vapor e o motor de combustão interna , o motor Stirling a ar quente, não alcançou o sucesso esperado. O motor Stirling é então apenas um objeto de estudo para físicos , que entendem o funcionamento do motor Stirling, muito depois de sua invenção, com o advento da termodinâmica .

Dentro 1871O progresso da termodinâmica feitas na XIX th século permitir Gustav Schmidt para descrever matematicamente o ciclo Stirling.

A partir de 1878, John Ericsson procura uma solução usando um ciclo Stirling com seu motor “hot air” ( motor Ericsson ) com um deslocador e constrói, em parceria com a DeLameter Iron Works e depois a Rider-Ericsson Engine Company, um novo motor. Este motor também será um sucesso, será produzido nos Estados Unidos até o início da Primeira Guerra Mundial. De todos os motores de ciclo Stirling projetados, esta é a versão mais comum, embora rara porque tem 100 anos; é possível vê-los à venda em revendedores de segunda mão especializados em motores antigos.

Dentro 1889, a empresa americana Rider-Ericsson Engine Company lança sua primeira bomba hidráulica de “ar quente”; vai produzi-lo até o início de 1900 e vai exportá-lo para todo o mundo.

No entanto, foi somente com a pesquisa da empresa holandesa Philips na década de 1930 que o motor Stirling foi novamente estudado seriamente e sua aplicação em todos os tipos de tecnologias testadas. Em 1938, um motor Stirling de mais de 200 hp , com uma eficiência superior a 30% (comparável aos motores a gasolina atuais), foi projetado lá . No entanto, essa tecnologia só é aplicável em criogenia .

Em 1953 , a Philips lançou seu gerador de 180 W : o MP1002CA, projetado a partir de um motor Stirling.

Somente nas últimas décadas os desenvolvimentos de motores voltaram a despertar o interesse da indústria, devido à crescente necessidade de fontes alternativas de energia. Na verdade, o motor Stirling pode funcionar com qualquer fonte de energia que produza calor: energia solar , energia geotérmica , energia nuclear , calor residual de fábricas, etc. Do ponto de vista ecológico, isto é tanto mais interessante quanto o regenerador, porque pré-aquece e pré-arrefece o gás, permite “reciclar” a energia. Assim, os avanços na ciência dos materiais agora permitem o uso de materiais que resistem a grandes diferenças de temperatura e compostos que melhoram a transferência de calor dentro do regenerador.

A situação é tal que os motores Stirling, aliados a gigantescas antenas solares, utilizam a energia solar com maior eficiência do que as células fotovoltaicas , mas a um preço elevado. Em 2008, o recorde de conversão de energia solar foi quebrado, com uma taxa de conversão de 31,25%, graças ao uso de espelhos parabólicos como concentradores solares.

Hoje, o motor Stirling é objeto de inúmeras experiências, tanto por amadores como por empresas especializadas em energia ou pela NASA ( projeto KRUSTY ).

Princípio, vantagens e desvantagens

Princípio

O principal fluido que produz trabalho é um gás ( ar , hidrogênio ou hélio ) submetido a um ciclo que compreende quatro fases:

aquecimento isocórico (em volume constante);
expansão isotérmica (a temperatura constante): o gás fornece trabalho;
resfriamento isocórico;
compressão isotérmica: o gás recebe trabalho.

O objetivo é produzir energia mecânica a partir da energia térmica . No início do ciclo, o gás dentro do motor é colocado na câmara quente, aquecida por uma determinada fonte de energia: sua temperatura e aumento de pressão , o que produz uma expansão do gás (fase 1). O pistão da câmara quente estando em contato, o gás se expande em direção à câmara fria, empurrando para trás o pistão da mesma. A energia térmica é então transformada em energia mecânica que é transmitida à roda (fase 2). Este movimento da roda é transmitido ao pistão da câmara quente, que empurra a maior parte do gás de volta para a câmara fria. Feito isso, o gás que chega na câmara fria esfria (fase 3) e seu volume diminui, fazendo com que o pistão frio na outra direção (fase 4). Novamente, este movimento é transmitido, através da roda, para o pistão da câmara quente que então se move de volta para seu batente. Quase todo o volume de gás é sugado para a câmara quente e o ciclo começa novamente. Este ciclo termodinâmico é chamado de ciclo de Stirling (embora não tenha sido Stirling quem o descreveu).

A fonte quente do motor (o pistão vermelho acima) é alimentado por qualquer fonte externa : combustão externa de derivados de petróleo , gás natural , carvão , mas também energias renováveis , como energia solar , madeira ou energia geotérmica .

Ciclo de Stirling

O ciclo Stirling é um ciclo termodinâmico descrito pelos motores Stirling.

O ciclo é reversível , o que significa que, se houver trabalho mecânico, ele pode funcionar como uma bomba de calor e fornecer calor ou frio (incluindo frio criogênico ).

O ciclo é fechado regenerativo , usando um fluido gasoso:

"Ciclo fechado" significa que o fluido de trabalho está permanentemente contido na máquina termodinâmica. Isso também categoriza um motor de combustão externa;
"Regenerativo" refere-se à presença de um trocador de calor interno que aumenta a eficiência térmica do dispositivo.

O ciclo é o mesmo que a maioria dos ciclos térmicos e inclui quatro fases: 1. compressão, 2. aquecimento, 3. expansão, 4. resfriamento (consulte o diagrama de Clapeyron à esquerda):

pontos 1 a 2: expansão isotérmica. A zona de relaxamento é aquecida de fora, então o gás segue uma expansão isotérmica.
pontos 2 a 3: resfriamento de volume constante ( isocórico ). O gás passa pelo regenerador , esfria transferindo seu calor para ele, que será usado para o próximo ciclo;
pontos 3 a 4: compressão isotérmica. A zona de compressão é resfriada, então o gás segue uma compressão isotérmica;
pontos 4 a 1: aquecimento isocórico. O gás circula no regenerador e recebe calor.

Benefícios

Por produzir pouca vibração graças à ausência de explosão, de válvulas que abrem e fecham e de gases que escapam, o motor Stirling é silencioso e pouco sujeito a esforços mecânicos, o que o torna útil onde calor, frio e vibrações são indesejáveis, por exemplo, em um submarino nuclear .

A falta de trocas gasosas com o ambiente externo o torna útil em ambientes poluídos ou necessidade de evitar contaminação .

É de fácil manutenção devido à ausência de trocas de materiais com o meio ambiente e reação química interna. Pelas mesmas razões, ele se deteriora menos do que um motor de combustão interna .

Tem uma boa eficiência , podendo ficar em torno de 40% , enquanto a eficiência de um motor de combustão interna para uso automotivo chega a 35% para a gasolina e 42% para o diesel. Os motores elétricos, cuja eficiência pode chegar a 99%, não são comparáveis, pois a eletricidade é uma forma de energia cuja qualidade não é comparável às térmicas e / ou químicas utilizadas nos motores Stirling ou de combustão interna (ver a noção de exergia ). Além disso, a eletricidade é difícil de armazenar e transportar com uma eficiência próxima de 100%, o que é um limite severo para certas aplicações. Também podemos discutir o nível de comparabilidade das fontes de energia usadas entre o motor Stirling e o motor de combustão interna e, especialmente, as diferenças de temperatura entre a fonte fria e a fonte quente para as quais os picos de eficiência são anunciados, em relação ao pico da eficiência de Carnot .

O motor é reversível: um motor Stirling acionado por outro motor torna-se uma bomba de calor capaz de resfriar a −200 ° C ou aquecer a mais de 700 ° C , dependendo da direção da tração. Isso, sem o uso de gases especiais com propriedades específicas, que lhes conferem desvantagens práticas ou químicas (como o freon de máquinas de refrigeração de gerações mais antigas, que destroem a camada de ozônio). Além disso, na prática, é a função eficiente da bomba de calor que permite a existência de algumas máquinas.

É multi-fonte. Por causa de seu modo de fornecimento de calor, este motor pode operar a partir de qualquer fonte de calor (combustão de qualquer combustível, solar, nuclear ou até mesmo calor humano).

Possui uma poluição potencialmente menor que os motores térmicos: o calor que vem de fora, é possível, graças às energias não fósseis, fornecê-lo de forma menos poluente do que em muitos motores térmicos em que a combustão é imperfeita.

Desvantagens

Entre as desvantagens, a estanqueidade dos pistões deve ser maior do que em um motor de combustão interna, mas isso é mais difícil de conseguir devido às grandes variações de temperatura e à necessidade de usar um gás que seja o menos viscoso possível, em a fim de minimizar as perdas por atrito (em particular no regenerador). O uso de um gás de viscosidade muito baixa, por exemplo, hidrogênio, muitas vezes apresenta problemas de vedação.

É de design delicado; Enquanto os motores de combustão interna produzem calor diretamente dentro do fluido, muito rápida e uniformemente, um sistema Stirling depende de transferências de calor entre o gás e os trocadores (as duas fontes, o recuperador), enquanto os gases são isolantes térmicos onde as trocas são muito lentas . Além disso, é necessário minimizar o volume "morto" (contendo fluido que não completa o ciclo e, portanto, não contribui para o rendimento). Tudo isso coloca problemas de dinâmica de fluidos , problemas de difícil solução, ao nível dos trocadores, do recuperador, dos tubos ou do pistão que permitem a movimentação do gás durante o ciclo (problemas de diâmetro, comprimento, turbulência para criar ou evitar , etc.).

O parágrafo a seguir parece conter trabalhos não publicados ou declarações não verificadas (setembro de 2016)

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É difícil fazer o pedido. Uma de suas desvantagens é a falta de capacidade de resposta. Para variar a potência do motor, a potência de aquecimento é geralmente variada. Porém, devido à grande inércia térmica dos trocadores, o aumento da potência é muito mais lento do que o dos atuais motores de combustão interna. A variação de velocidade desse motor é difícil de ser alcançada, pois só pode ser feita atuando na taxa de compressão do fluido de trabalho ou aumentando o calor da fonte quente, ou reduzindo o da fonte fria. Esta desvantagem pode ser corrigida com o auxílio de métodos como uma caixa de velocidades, no caso de conduzir um veio de transmissão na direcção das rodas, ou alterando o passo no caso de conduzir uma hélice. É por isso que o motor Stirling é considerado como tendo uma capacidade muito baixa de produzir potência e torque variáveis, uma desvantagem considerada muito importante para a propulsão automotiva, em particular, embora seja justamente essa aplicação que fez a fortuna do motor de combustão interna. No entanto, esta desvantagem poderia ser reduzida no caso de um “sistema híbrido” (o motor então funciona em velocidade constante, a modulação de potência sendo assumida pelo sistema elétrico), mas ainda são raros. Em um barco ou avião de hélice de passo variável, entretanto, isso não é uma desvantagem. Pode-se imaginar também uma válvula colocada no tubo separando os dois pistões, o que poderia, se necessário, diminuir a eficiência e, portanto, a velocidade, por estar mais ou menos fechada. Essa ideia, por outro lado, tem o defeito de desperdiçar energia térmica, pois é a eficiência que diminui e tanto combustível é consumido. Seria, portanto, necessário, por longos períodos de marcha lenta, acoplar esta válvula a um ajuste da taxa de fluxo de combustível de modo a reduzir progressivamente a quantidade de combustível e reabrir a válvula de saída para um valor relativamente alto (mas não máximo, a fim de para garantir a recuperação durante um aumento de potência). Assim, durante a aceleração, poderíamos ter imediatamente melhor eficiência, e portanto mais velocidade, e logo após recuperar a energia fornecida pelo aumento do combustível.

Finalmente, tem um preço alto: hoje tendo apenas algumas aplicações em grande escala (ver geradores Whispergen), ao contrário do motor de combustão interna, é muito mais caro; além disso, pelo mesmo motivo, os fabricantes não lhe atribuem o mesmo interesse pela investigação e desenvolvimento, o que não lhe permite recuperar (se for possível). Esta situação poderá evoluir favoravelmente com o desenvolvimento da investigação sobre a produção de energia e, em particular, sobre as energias renováveis.

usar

O motor Stirling tem aplicações de nicho, em situações onde o custo inicial do sistema não é uma desvantagem séria em relação aos benefícios (militares, pesquisa, aplicações avançadas).

A principal aplicação comercial do motor Stirling é na refrigeração industrial e militar. Ele serve como uma máquina para liquefazer gases e como um resfriador para sistemas militares de orientação infravermelha.
É usado como gerador de eletricidade na Islândia , Japão e em ambientes extremos, como desertos australianos e árticos, por muitas missões científicas e militares.
É usado em conjunto com uma parábola esférica para gerar eletricidade a partir da energia solar . Este sistema é comumente referido como “ prato de stirling ” .
É usado pelos fuzileiros navais sueco ( submarino da classe Gotland ), australiano, e logo os submarinos de ataque dos EUA como o conjunto principal do propelente, não apenas por causa de seu silêncio, uma propriedade crucial para submarinos, mas também para a produção muito menor de gás não queimado necessária para fornecer um gradiente térmico (uma diferença de temperatura) para um motor Stirling; na verdade, um submarino subaquático só pode evacuar gases comprimindo-os a uma pressão pelo menos igual à do ambiente, exigindo (e, portanto, desperdiçando) uma parte não desprezível da energia disponível a bordo.
Este motor também equipa certas classes de fragatas americanas, o sistema de resfriamento do reator nuclear de muitos submarinos e porta-aviões, bem como drones de longo alcance .
Devido à sua capacidade de combustível flexível, foi testado com sucesso pela URSS em alguns protótipos de tanques pesados, incluindo o objeto 167, antes de ser abandonado por razões políticas e econômicas, durante a transição para a economia de mercado com a queda do bloco soviético.
A conta da NASA usa-o para fornecer energia a satélites e sondas espaciais , teste o projeto KRUSTY .
A fabricante de placas-mãe para microcomputadores MSI apresentou no início de 2008 um sistema de refrigeração cuja ventoinha é acionada por um motor Stirling utilizando como fonte de calor a energia liberada pelo chip a ser resfriado.
A maioria dos principais fabricantes de caldeiras ofereceu em 2009 uma planta de micro-cogeração usando um motor Stirling. Este tipo de caldeira do tamanho de um esquentador não só permite o aquecimento de água para uso doméstico (aquecimento, água quente sanitária ), mas também produz eletricidade localmente.
Muitas cópias são usadas para fins de ensino nas aulas de física para demonstrar os princípios da termodinâmica . Alguns operam com o calor do Sol concentrado por uma parábola como os modelos usados em algumas usinas solares que produzem eletricidade, outros requerem apenas o calor de uma xícara de café ou da palma de uma mão para funcionar.

Tipos de motor Stirling

Alpha Stirling

Um alfa Stirling contém dois pistões elétricos separados, um pistão "quente" e um pistão "frio". O pistão quente está localizado próximo ao trocador de calor com a temperatura mais alta, e o pistão frio está localizado próximo ao ponto de troca de temperatura mais baixo.

Este tipo de motor tem uma relação potência-volume muito alta, mas tem problemas técnicos, relacionados (frequentemente) às temperaturas do pistão quente serem muito altas para suas vedações.

Abaixo está um diagrama de um motor Stirling alfa (explicações para rotação no sentido horário). Um dispositivo de recuperação de calor está presente no tubo, mas não é mostrado.

1. O gás de trabalho, aquecido em contato com as paredes do cilindro quente , tende a ocupar mais espaço e empurra o pistão quente para o fundo de seu curso (para a esquerda). Quando para, a expansão do gás continua em direção ao cilindro frio e empurra o pistão frio (para cima). Esses movimentos são transmitidos para a roda.
2. O gás está agora em seu volume máximo. A roda transmite seu movimento para o pistão quente (à direita), que envia a maior parte do gás para o cilindro frio , onde será resfriado.
3. Quase todo o gás está agora no cilindro frio e o resfriamento do gás continua. A pressão do gás está no mínimo. Ele se contrai e o pistão frio desce novamente.
4. O gás está agora em seu volume mínimo e o pistão quente é puxado para a esquerda pela roda e transmissões. O gás é então sugado para o cilindro quente . À medida que aquece, seu volume aumenta e o ciclo recomeça.

Stirling beta

Um beta Stirling também usa um volume limitado de gás entre dois pistões. Esses dois pistões combinam:

movimento relativo quando o volume do gás muda;
um movimento comum que move este volume da parte quente para a parte fria e vice-versa.

Os volumes do outro lado dos pistões não são funcionais. Na ilustração do topo da página, podemos ver a abertura de comunicação de um desses volumes com o exterior. Os pistões são, portanto, ambos selados. O princípio do motor beta realmente se aproxima do motor gama, com a diferença de que as duas zonas quentes e frias estão localizadas no mesmo cilindro. As vantagens são compactação e ausência de perda aerodinâmica ; a principal desvantagem vem das perdas de calor por condução.

Existem motores Stirling de pistão coaxial, também qualificados como motores beta, um dos dois pistões dos quais não é à prova d'água: ele então atua como um deslocador, e o volume localizado acima do deslocador é funcional. Esses motores são, portanto, semelhantes aos motores gama descritos abaixo, mas sem espaço morto .

Gamma stirling

Uma gama Stirling é um motor stirling equipado com um pistão motorizado e um pistão atuando por conta própria como um deslocador. Apenas o pistão do motor possui sistema de vedação.

O deslocador ocupa sucessivamente a zona quente e a zona fria, cada vez conduzindo o gás para a zona oposta. As variações de temperatura por que passa o gás geram variações de pressão que colocam o pistão do motor em movimento.

Visto que o volume varrido pelo deslocador não pode necessariamente ser varrido pelo pistão de força, ele constitui um volume morto. Por esse motivo, o mecanismo Gamma não pode atingir taxas de compressão altas, o que limita as possibilidades de eficiência. Por outro lado, sua simplicidade mecânica faz com que seja um sistema amplamente utilizado, inclusive em motores multicilindros.

Alguns motores Gamma têm um deslocador selado: o gás, portanto, toma emprestado um circuito externo para passar de uma zona para outra; então é possível colocar um regenerador neste circuito externo, aumentando a eficiência.

Outras mudanças no princípio

Muitas variações foram propostas:

um motor de pistão livre com alternador linear foi inventado pelo termodinamicista Hubert Juillet e patenteado no INPI em 4 de setembro de 1967sob o nº PV190063 . Este motor foi posteriormente modificado pela adição de peças elásticas para substituir as peças mecânicas e operando sob um ciclo de Stirling (desenho da NASA ). Em 2015, este gerador Stirling de julho foi produzido industrialmente pela empresa Microgen Motor Corporation Limited, e comercializado para microcogeneration pela empresa Wiessmann ea empresa Dedietrich;

o fluidyne é uma bomba de motor Stirling cujas válvulas são as únicas partes mecânicas móveis;
a montagem dos motores Stirling em série permite que cada pistão desempenhe a dupla função de corpo imerso e motor: por exemplo, o motor Franchot tem dois pistões de dupla ação e o motor Siemens quatro;
a transposição para o motor rotativo (ver quasiturbina ) do princípio do motor Stirling torna possível combinar ciclos em série em um único movimento rotativo;
o motor Stirling-Vuilleumier usa fluidos de trabalho agrupados, mas seu ciclo termodinâmico não é mais o do motor Stirling e se dirige a outra categoria de motores de combustão externa;
O motor Stirling de torre dupla, projetado em 2020 e ainda não testado, baseia-se na transferência de uma câmara a outra de um volume de gás para submetê-lo às quatro fases do ciclo de Stirling. Cada fase ocorre em meia volta do motor. Um trocador de calor em contra-corrente, também trabalhando em meia volta do motor, substitui o regenerador e permite a transferência de calor durante as fases de aquecimento e resfriamento. Como todas as quatro fases do ciclo de Stirling ocorrem simultaneamente, a transferência de calor é imediata. As fontes quentes e frias são distintas, exceto para o trocador, pois sua parede interna permite a transferência de calor. Ao isolar completamente este motor, não permite a cogeração .

Notas e referências

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(em) " The Hot Air Engine of the 19th Century " , em hotairengines.org (acessado em 29 de janeiro de 2019 ) .
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Thierry Rabaliand, Estudo de viabilidade de um conceito de vedação para máquinas de deslocamento positivo com pistões oscilantes [PDF] , relatório de estágio, 2007, página 6.
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(fr) Este artigo foi retirado parcial ou totalmente do artigo da Wikipedia em inglês intitulado " Ciclo de Stirling " ( ver a lista de autores ) .

Apêndices

Bibliografia

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Martaj, N. (2008) Modelagem de energia e exergia, simulação e otimização de motores Stirling em baixa diferença de temperatura: confrontos com a experiência ; Tese de doutorado, Universidade de Paris Ouest Nanterre La Défense ( resumo )
Nepve, F, Ferrière A, Daumas-Bataille F, Verdier I & Lefevre P (2007), Modelagem energética do sistema Parabole / Stirling EURODISH para produção de eletricidade ; French Thermal Congress, SFT 2007, Île des Embiez,29 de maio-1 ° de junho de 2007

links externos

Introdução ao princípio do motor Stirling no site leaystirling.free.fr
Bibliografia do motor Stirling No site enginestirling.com
Site e fórum de entusiastas - fabricantes de motores Stirling No site blooo.fr
Fórum sobre micro-cogeração com motor Stirling na França! No site cogeneration.discutforum.com
microcogeração e motor stirling no site picbleu.fr