Motor Stirling p Geração de Eletricidade

[Fernando Berlinck d'Utra Vaz]

Prezados Membro do Grupo,

Estou trabalhando para desnevolver um motor Stirling SOLAR para geração de eletricidade.

Não sei se vcs tem esta planilha (Jean-Pierre Van Dormael Spreedsheet for Stirling calculating performance), mas estou anexado pois acho muito boa para mostrar a teoria (sei que prática é outra coisa) mas me ajuda a pensar.

 A meta é ter um motor com as seguintes caracterisitcas:

Tipo Alfa.

RPM 1800

Pressão a Frio: 18 Kg/cm2 (ou +-260 psi)

Gerar 25 HP

Volume dos Cilindros quente e frio: 280 cm3

Temperatura do frio 40C

Temperatura do Quente: 300C

Refriamento com água circulante

Aquecimento com CSP (Disco Parabólico ou Lente Fresnel

Contrução em Aço inox nos cilindros, pistões, bielas, virabrequim e aneis.

Demais Alumínio para o bloco, cartér com aneis de isolamento térmico entre cilindros e bloco

Lubrificação com óleo de alta resistencia

OM com 4000 horas de fucnionamento

Fico no aguardo de comentários e tudo mais (criticas as mais duras serão bem vindas!!).

Abraços,

FBVD

[Leandro Wagner]

Olá Fernando, bem vindo ao grupo!

Estive analisando essa planilha que postou com as suas características. Eu pergunto, além dessa teoria, esse motor já funciona com todas essas características? Ou é um projeto ainda não implantado na prática?

Achei meio estranho o fato do cilindro em aço, mas não comentou em que metal é feito o pistão, que não deve ser em aço.

Também achei estranho ser lubrificado com óleo, pois óleo produz muito arrasto, reduzindo sua eficiência.

Também achei meio estranho, a baixa pressurização (18 bar), a baixa temperatura (300 °C), para toda essa potência!

Uma coisa, a teoria aceita muita coisa, mas na prática, o bicho pega!

Abraço,

Leandro

[Fernando Berlinck d'Utra Vaz]

Prezado Leandro,

O Motor não está feito não! É por isso que eu postei para receber criticas e dicas para melhorar as chances de que a coisa funcione bem. 

Com relação aos materiais, cilindro e pistões em aço sim. A pressão baixa tem a ver com o gás, ar. Se colocar Nitrogenio ai sim poderei aumentar a pressao de trabalho, porem terei problemas de vedação dos pistões. A temperatura é para não criar problemas com o óleo, pois em alta temperaturas a coisa vira graxa!

Vc já fez algum Stirling comgrnade potencia, tipo 5HP? Todos os projetos que tenho acesso são de pequeno porte, demosntrativos. Os maiores que achei utilizam biomassa como fonte de energia ou são produzidos por empresas européias/americanas que obviamente não divulgam os desenhos e especificações.

Estou tabém interessado em discutir a relação tamanho do pistão X curso (motor quadrado X retangular). Ontem eu vi um vídeo de um russo que colocou um sobrepistão (feito de uma ceramica pelo jeito) ligeiramnte menor que o pistão quente para forçar o gás a ficar próximo da parede do cilindro, aumentando a troca de energia metal-gás. Infelizente isso aumenta o volume morto do motor, porem achei interessante. Gostaria de saber se alguem tem experiencia com isso?

Bom é isso, gostaria de seguir trocando informações, ideias e dicas práticas. Este motor é para um nicho de marcado que acredito existir aqui no NE.

Abraços,

FBDV

[Leandro Wagner]

Boa tarde Fernando!

Isso que comentei acima, não são criticas, mas observações, pois existem coisas que na pratica não acontece ou quase impossível.

Bom, em primeiro lugar, nunca o pistão e o cilindro podem ser metais de uma mesma liga (aço com aço ou alumínio com alumínio), isso o próprio Rodrigo pode confirmar. Você terá um desgaste prematuro dessas peças. Repare em outros motores, quando o pistão é em alumínio, o cilindro é em aço.

Quanto ao óleo, outro grande problema! Todos os motores um pouco maiores que conheci na internet, operam secos. Quando adicionado lubrificante, podes perder a metade da potência ou até nem funcionar, devido o arrasto mecânico que o óleo produz sobre os pistões. Até mesmo o motor da Philips (250 Watts) não usa óleo:

https://www.youtube.com/watch?v=M9UKu-AP02k

Porém eles não conseguiram desenvolver um motor de baixo custo com grandes potências.

Este motor do Americano Andy Ross, tem 200 Watts, 60 cc e pode ser pressurizado até 3 bar, acima de 3 bar, o motor perde rendimento:

https://www.youtube.com/watch?v=402tNFGY23Q, esse o cilindro é em aço os pistões em alumínio com anéis de teflon, na verdade o alumínio não possui contato físico com o cilindro, somente o teflon, além disso não necessita de lubrificação;

Em contra partida, a inclinação na biela deve ser mínima, isso implica desenvolver um motor com virabrequim convencional, com grandes cursos.

Este outro motor abaixo, tem o pistão em aço poroso, mas não me recordo do que foi feito o cilindro. Mas o que eu queria esclarecer, os pistões não necessitam ter uma vedação fantástica, pois você deve pressurizar pelo cárter. O cárter sim deve estar bem vedado, sem fuga de ar, essa pressão irá infiltrar para dentro de cada câmara. Repare nesse outro vídeo abaixo, conforme ele vai pressurizando o cárter, vai melhorando o desempenho do motor:

https://www.youtube.com/watch?v=F9oQeq54NP8

Outra coisa, as bielas e o virabrequim, devem ser rolamentados e não com broncinas ou buchas do tipo. Assim o cárter do motor irá trabalhar seco. Se fizer com buchas como um motor de carro, o motor nem vai rodar.

300 °C, é relativamente baixo para atingir o seu objetivo. Até onde eu tenho conhecimento, a maioria dos motores opera na faixa de 500 °C e uns outros até mais. Mas para suportar essa temperatura, o cilindro quente (Permutador) deve ser feito em inox, irrugado por fora, e por dentro frisos finos, para aumentar a área de contato com o fluído de trabalho (gás ou ar). Caso faça um cilindro quente (permutador de calor) liso, não terá calor suficiente para descarregar ao gás pressurizado, assim como já aconteceu com o americano, o motor tinha maior desempenho à 2.4 bar que aos 3 bar, por não conseguia vencer a maior quantidade de ar, como se fosse um motor gigante com um pouquinho de calor, isso acontece em um motor pressurizado, veja essas fotos do motor de Andy Ross, do permutador de calor que eu me referia:

Também deves trabalhar com devoção, na construção de um regenerador eficiente, pois ele recicla o calor interno do motor, que seria rejeitado, assim aumentando a disposição de calor dentro do cilindro quente. Veja o meu vídeo, com o sem regenerador:

https://www.youtube.com/watch?v=5OdqD0wCyaQ

O Andy fazia os seus com este metal:

Quanto ao curso do motor, bom até onde eu sei, o ideal é curso quadrado, mas isso não é regra, depende de cada projeto.

Eu mesmo consegui ótimos resultados com um protótipo onde curso é 30 mm e o diâmetro é 14,5 mm:

https://www.youtube.com/watch?v=8hkJO2314KA

Já os motores de Andy é o inverso!

A vantagem de pequenso curso: você reduz a possibilidade de ter atrito lateral do pistão sobre o cilindro.

A desvantagem de pequenso curso: tem pouco torque, e alta rotação, mas ás vezes, essa soma resulta em maior potência.

A vantagem de grande curso: bom torque e baixa vibração, mas obriga ter uma biela maior, para evitar atrito.

Então isso depende de um série de fatores!

Meu conselho, primeiro preocupe-se em fazer o motor funcionar e depois sim vá fazendo as devidas melhoras. Não esqueça, deve evitar qualquer tipo de atrito, motores stirling não são como motores à combustão.

Você pretenderia usinar ou fundir os pistões?? Recomenda que faça a fixação da biela, mais próximos do topo do pistão, isso reduz o atrito do pistão sobre o cilindro.

Sim, o volume morto deve ser evitado ao extremo, pois acarreta em perda de pressão.

Abraço,

Leandro.

[Jesus batista de oliveira]

25 HP em um motor de 280 cc com combustao interna já é bastante. Em um motor Stirling é praticamente impossivel.

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[Rodrigo]

Prezado Fernando,

Bem-vindo ao grupo. Quanto mais membros, maior a possibilidade de encontrar soluções.

Quanto ao material que você trouxe, mostro abaixo um exemplo parecido (ou pelo menos com a mesma ordem de grandeza) para ter uma ideia do tamanho de um empreendimento desse tipo:

Veja o site https://spectregroup.wordpress.com/2010/04/09/the-stirling-age/

Nele é mostrado um sistema para o aproveitamento da energia solar através de uma estrutura parabólica com espelhos que refletem e concentram os raios solares numa região focal onde está um motor de Stirling. Este motor possui 4 cilindros de 95 cc cada, usa hidrogênio como fluido de trabalho a uma pressão de até 20 MPa (aproximadamente 200 vezes a pressão atmosférica) e consegue produzir até 25 kW da potência, o que é cerca de 34 HP. O motor opera com uma temperatura de 720 ºC em seu lado quente. A estrutura parabólica de espelhos possui cerca de 7 metros de diâmetro.

Como no referido site aparece uma pessoa próxima ao motor, é possível ver que ele possui cerca de 1 metro de largura, 1 metro de altura e uns 2 metros de comprimento.

É importante lembrar que um motor como este é construído com muita tecnologia, usando um fluido de trabalho muito mais eficiente do que o ar e sob pressão. Mesmo assim, precisa ter esse tamanho todo. O fato é que os motores Stirling são máquinas térmicas com baixa "potência específica", ou seja, conseguem produzir uma potência relativamente baixa por unidade de volume de seu corpo, isso quando comparados, por exemplo, com motores de combustão interna, sobretudo os que funcionam sob um ciclo de dois tempos. Isso porque os motores Stirling precisam ter grandes superfícies para a troca de calor, tanto para o lado quente quanto para o lado frio.

Assim, como a tua proposta é semelhante, é possível ter uma ideia do tamanho que o teu projeto terá. Veja também este outro site:

http://www.solarfeeds.com/after-stirling-bankruptcy-whats-next-for-u-s-solar/

Espero ter acrescentado algo com o comentário.

Abraço,

Rodrigo.