Descrição
Maurício Klein Gussoli
ISBN: 978-65-5765-184-1 | 2023
164p.
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Comparação de Motores de Stirling
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Os motores de Stirling compõem uma tecnologia secular de máquinas termodinâmicas. Ainda que estudados teórica e experimentalmente desde o século XIX, há diversas temáticas inexploradas. A literatura recente foca na modelagem matemática para previsão teórica de potência de saída, assim como na precisa descrição dos comportamentos dinâmicos e cinemáticos. Tais esforços são observados nos últimos 20 anos na literatura internacional com uma espécie de redescobrimento dessa tecnologia para diversas aplicações. Apesar do intenso empenho no estudo desses motores e do crescente número de publicações acerca dessa temática, pouco é explorado quanto à comparação de motores de Stirling entre si. Acumulou-se uma elevada quantidade de informações, mas pouco se discute acerca da comparação dessas máquinas. Nesse contexto, o livro propõe um método para comparar diferentes motores de Stirling a partir de uma metodologia baseada em curvas adimensionais de potência. Essas curvas possibilitam a caracterização de desempenho dessas máquinas, como também a extrapolação de parâmetros, a fim de simular diferentes cenários de aplicação para motores diferentes e, consequentemente, comparar motores. A obra é indicada para profissionais de engenharia, estudantes de graduação e de pós-graduação.
1 A RELEVÂNCIA DOS MOTORES DE STIRLING………………………………………………………………………………………………..25
1.1 Motivação para o estudo de motores de Stirling………………………………………………………………………………………………..35
1.2 Objetivo Geral……………………………………………………………………………………………………………………………………………….37
1.3 Objetivos Específicos……………………………………………………………………………………………………………………………………..37
2 ESTADO DA ARTE DOS MOTORES DE STIRLING……………………………………………………………………………………………39
2.1 Configurações de motores de Stirling………………………………………………………………………………………………………………39
2.1.1 Classificação quanto à temperatura de operação…………………………………………………………………………………………….40
2.1.2 Classificação quanto à disposição dos pistões: motores a, b e g……………………………………………………………………….41
2.2 Componentes dos motores cinemáticos…………………………………………………………………………………………………………..44
2.2.1 Mecanismos de transmissão de movimento…………………………………………………………………………………………………..44
2.2.2 Câmaras fria e quente…………………………………………………………………………………………………………………………………46
2.2.3 Pistões e deslocador……………………………………………………………………………………………………………………………………46
2.2.4 Regenerador………………………………………………………………………………………………………………………………………………47
2.3 Fluidos de trabalho……………………………………………………………………………………………………………………………………….50
2.4 Combustíveis e fonte externa de calor…………………………………………………………………………………………………………….52
2.5 Modelos matemáticos……………………………………………………………………………………………………………………………………53
2.5.1 Ordens dos modelos……………………………………………………………………………………………………………………………………53
2.5.2 Modelos mais utilizados……………………………………………………………………………………………………………………………..54
2.5.3 Modelo ideal do ciclo de Stirling………………………………………………………………………………………………………………….55
2.5.3.1 Modelo isotérmico…………………………………………………………………………………………………………………………………..60
2.5.3.1.1 Modelo isotérmico de Schmidt……………………………………………………………………………………………………………….65
2.5.3.2 Modelo adiabático…………………………………………………………………………………………………………………………………..69
2.5.3.3 Outros modelos………………………………………………………………………………………………………………………………………69
2.6 Perdas energéticas………………………………………………………………………………………………………………………………………..71
2.6.1 Perdas de carga………………………………………………………………………………………………………………………………………….71
2.6.2 Perdas de transporte………………………………………………………………………………………………………………………………….72
2.6.3 Perdas térmicas…………………………………………………………………………………………………………………………………………72
2.6.3.1 Condução interna…………………………………………………………………………………………………………………………………….73
2.6.3.1.1 Imperfeições no regenerador………………………………………………………………………………………………………………….73
2.6.3.1.2 Correção de temperatura nas câmaras quente e fria…………………………………………………………………………………75
2.6.4 Perdas mecânicas………………………………………………………………………………………………………………………………………75
2.6.4.1 Perda por atrito……………………………………………………………………………………………………………………………………….76
2.6.5 Perdas matemáticas……………………………………………………………………………………………………………………………………76
2.6.5.1 Perdas devido ao modelo adotado para o fluido de trabalho…………………………………………………………………………77
2.6.5.2 Perdas devido ao modelo de gás………………………………………………………………………………………………………………..77
2.7 Resumo sobre modelos e perdas…………………………………………………………………………………………………………………….78
2.8 Adimensionalização………………………………………………………………………………………………………………………………………79
2.9 Considerações sobre o estado da arte dos motores de Stirling…………………………………………………………………………..80
3 METODOLOGIA DE COMPARAÇÃO DE MOTORES DE STIRLING…………………………………………………………………..83
3.1 Parâmetro de comparação: potência específica………………………………………………………………………………………………..84
3.2 Levantamento e obtenção de parâmetros e dados de operação da literatura……………………………………………………….85
3.2.1 Considerações sobre parâmetros obtidos………………………………………………………………………………………………………87
3.2.2 Considerações estatísticas…………………………………………………………………………………………………………………………..90
3.3 Procedimento para obter faixas de temperaturas……………………………………………………………………………………………..91
3.4 Procedimento para avaliação da influência das variáveis de operação e comparação de motores………………………….93
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES SOBRE OS MOTORES DE STIRLING………………………………………………………………..97
4.1 Avaliação da classificação das faixas de temperaturas dos motores de Stirling……………………………………………………97
4.2 Avaliação da influência das variáveis de operação na potência específica…………………………………………………………..101
4.2.1 Influência da razão de temperatura na potência específica…………………………………………………………………………….101
4.2.2 Influência da pressão média de operação na potência específica…………………………………………………………………….109
4.3 Análise estatística dos motores………………………………………………………………………………………………………………………115
4.3.1 Estatística descritiva dos motores de Stirling………………………………………………………………………………………………..115
4.3.1.1 Verificação de curvas ajustadas com dados experimentais…………………………………………………………………………..120
4.4 Estudo de caso nº. 1: comparação de motores de Yang e Cheng (2017) e Aksoy et al. (2017)………………………………..123
4.5 estudo de caso nº. 2: comparação de motores de Yang e Cheng (2017) e Bert et al. (2014)…………………………………..129
4.6 Comparação de máquinas a partir da potência adimensional……………………………………………………………………………132
5 CONCLUSÕES………………………………………………………………………………………………………………………………………………..133
6 REFERÊNCIAS……………………………………………………………………………………………………………………………………………….137
7 APÊNDICE A…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..149
Lista Autor-Data…………………………………………………………………………………………………………………………………………………149
8 APÊNDICE B…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..152
Rotina de estimativa de volume varrido………………………………………………………………………………………………………………..152
9 APÊNDICE C…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..157
10 APÊNDICE D…………………………………………………………………………………………………………………………………………………159
11 ANEXO A……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….161
Correlações de perda de potência mecânica…………………………………………………………………………………………………………..161
Maurício Klein Gussoli
Perito oficial criminal na Polícia Científica do Espírito Santo, lotado na Seção de Engenharia Forense (SENF) – Departamento de Criminalística.
Mestre em Engenharia Mecânica com ênfase em ciências térmicas (UEM/PR), especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho e bacharel em Engenharia Mecânica (UFPR).
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