Juan Ricardo Vidal Medina

Vidal Medina, Juan Ricardo

Motor stirling: uma alternativa para a geração de eletricidade a partir da biomassa / Juan Ricardo Vidal Medina.-- Primera edición.-- Cali: Programa Editorial Universidad Autónoma de  Occidente, 2017. 204 páginas, ilustraciones.

Contiene referencias bibliográficas.

ISBN: 978-958-8994-41-3

1. Motores Stirling. 2 Energía biomásica. 3. Modelos matemáticos. I. Universidad Autónoma de  Occidente.

621.42 -  dc23

Motor Stirling:

Uma alternativa para a geração de electricidade a partir da biomassa

ISBN 978-958-8994-41-3

Primera edición, 2017

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© Juan Ricardo Vidal Medina

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INTRODUÇÃO

Os baixos níveis de desenvolvimento nas regiões isoladas estão diretamente relacionados com a falta de energia elétrica (Bassam, 2001), é de grande importância a procura de tecnologias de geração de energia que possam subsidiar o desenvolvimento sustentável destas regiões.

A inviabilidade econômica e ambiental dos sistemas de geração convencionais faz com que o fornecimento de energia elétrica nas regiões isoladas do norte do Brasil se torne cada dia mais complexo. Além disso, uma população conformada por assentamentos, em sua maioria dispersos e com poucas pessoas, faz mais evidente a inviabilidade dos sistemas de geração convencionais. Neste contexto, o problema do fornecimento energético não pode ser resolvido com tecnologias de grande escala, que por sua natureza precisam de sistemas de transmissão e distribuição e grandes consumidores, mas sim com um enfoque voltado para as tecnologias de pequena ou média escala e localizadas próximo dos consumidores. Enfoque que concorda com a definição dada por Barros et al. (2004) para os sistemas de geração distribuída.

No caso destas regiões isoladas, a biomassa como fonte de combustível é outra variável a ser considerada no fornecimento energético. Esta variável, junto com suas vantagens econômicas e ambientais frente a outras fontes como os combustíveis fósseis, faz quase obrigatória sua consideração no momento de projetar sistemas de geração distribuída.

Neste contexto, o desenvolvimento de uma tecnologia de geração distribuída que possibilite o uso da biomassa como combustível, torna-se de grande interesse para a sociedade, em especial os pesquisadores. Uma tecnologia capaz de operar na situação descrita anteriormente é o motor Stirling, que apesar de ter sido inventado no século XVIII, ainda está em desenvolvimento, aproveitando os novos avanços em modelagem computacional e materiais. Este motor pode ser considerado uma alternativa promissora, pois é um motor de combustão externa com potencial de utilização de qualquer tipo de combustível. Por esta razão, com um desenvolvimento apropriado, o motor Stirling pode ser mais econômico e menos poluente que alternativas de geração como o motor Diesel e até mesmo do que a turbina a gás (Campos, 2004).

As vantagens do motor Stirling operado com biomassa sobre outros sistemas de geração distribuída, além das já mencionadas, estão no fornecimento de energia de forma sustentável, os baixos custos de operação, os baixos custos na capacitação de seus operários e baixos custos em manutenção.

Uma análise do mercado indica que a grande maioria destas máquinas se encontra comercialmente como equipamentos de frio, utilizando-se principalmente para o resfriamento criogênico e a liquefação do ar. Como motor, segue sendo alvo de numerosas pesquisas e desenvolvimento (Formosa e Despesse, 2010). Além disso, as tendências mundiais apontam à geração elétrica com motor Stirling como um valor agregado à calefação doméstica. Assim, na atualidade, a microcogeração com motor Stirling, se considera uma alternativa para o aproveitamento do combustível utilizado para aquecimento (Alanne et al. 2010).

O problema que enfrentam os pesquisadores em motores Stirling, é a procura de um perfeito equilíbrio entre seu volume morto, potência de saída e eficiência. Este problema envolve diretamente os três trocadores de calor e seus equipamentos secundários ou acessórios. Para o caso dos motores operados com biomassa sólida, além do problema antes mencionado, é preciso considerar o problema dos resíduos de cinzas do gás de exaustão na parte externa do trocador de calor quente, já que estas se incrustam nesta superfície afetando significativamente a operação do motor (Pålsson e Carlsen, 2003; Kuosa, 2007; Thy et al. 2006).

Por tais motivos, o motor Stirling Amazon, projetado pelo Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída (NEST), introduz uma geometria inovadora visando uma relação entre potência, volume morto e eficiência aceitável e capaz, em teoria, de cumprir com as exigências de fácil construção, baixos níveis de incrustação no trocador de calor quente, fácil manutenção e, no caso de se precisar, fácil conserto. Desta forma, o sistema básico de geração projetado, onde o motor Stirling se aloca, se complementa com uma fornalha, cujo gás de exaustão fornece calor ao motor Stirling, e um circuito de água de resfriamento.

Nos laboratórios do NEST foi testado o primeiro protótipo deste motor, mas os resultados em relação à potência de saída do motor foram abaixo do esperado, mesmo sendo atingidos os valores requeridos de temperatura e velocidade do gás de exaustão e água para seu ótimo desempenho. Desta forma, o livro aborda o tema da modelagem e otimização da potência de saída e a eficiência do motor Stirling Amazon, com o objetivo de fornecer energia nas regiões isoladas do Brasil a partir de biomassa; conservando suas características geométricas inovadoras.

Para atingir o objetivo, é desenvolvido um modelo matemático de segunda ordem para simular a operação do motor Stirling Amazon visando a sua otimização. Este modelo matemático está baseado no modelo ideal adiabático de Urieli e Berchowitz (1984), corrigido com perdas de calor internas e externas e perdas de carga, incorporando cálculos detalhados dos trocadores de calor, inclusive, do regenerador e dos acessórios. Posteriormente o modelo matemático é ajustado com simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) utilizando o software ANSYS CFX®. O modelo matemático, formado pelos modelos do trocador quente, regenerador, trocador frio, tubos conectores, flange e o modelo adiabático, é codificado em VISUAL FORTRAN®. Uma das vantagens do modelo desenvolvido é que pode-se adaptar para simular o comportamento de outras conFigurações dos motores Stirling, como a beta e a gama.

Em seguida é feita a validação do modelo matemático com dados experimentais de dois motores, o Amazon projetado pelo NEST e o 3kW projetados pelo Joanneum Research. Finalmente é feita a otimização multiobjetivo da potência e eficiência do motor Amazon com ajuda do software mode FRONTIER®

1. FUNDAMENTOS

O presente capítulo aborda os conceitos básicos dos motores Stirling, sua modelagem matemática, os esforços para sua otimização e, uma análise comparativa quando operados com biomassa citadas na literatura; assim como os fundamentos básicos da otimização multiobjetivo aplicada para a otimização da potência de saída e eficiência do motor Stirling Amazon.

1.1 Generalidades dos motores Stirling

Alguns historiadores indicam que a razão pela qual o pastor escocês Robert Stirling inventou um motor de combustão externa foi a sua preocupação pelos trabalhadores de sua paróquia, dado que ao seu redor estavam sendo utilizadas máquinas de vapor, e dada a pouca capacidade dos materiais daquela época para suportar as altas pressões, estas explodiram com muita facilidade, trazendo resultados catastróficos. A hipótese de Stirling foi que o motor, ao invés de explodir, simplesmente pudesse parar no caso de uma falha do material (Stirling Enenrgy Society USA, 2006).

Patenteado em 1816 (Figura 1.1.), este motor funciona num ciclo termodinâmico fechado e regenerativo que troca energia com o meio ambiente, sem que se apresente variação de massa no seu fluido de trabalho. O trabalho de saída (ou entrada, no caso de trabalhar como máquina de refrigeração) é gerado pelos processos de compressão, aquecimento, expansão e resfriamento. Esta invenção, gerada antes da formulação das leis da termodinâmica, desfrutou de um sucesso comercial até o início do século XIX, quando o rápido desenvolvimento dos motores de combustão interna e das máquinas elétricas comprometeu seriamente seu desenvolvimento (Thombare e Verma, 2008). Além disso, os motores Stirling requeriam uma atenção especial em sua fabricação, já que eles precisam de uma tolerância mais estreita na sua manufatura do que a requerida pelos motores de combustão interna (Barros, 2005).

Figura 1.1. Motor original de Robert Stirling

Fonte: Barros (2005)

Nos anos 1930, pesquisadores da Philips Company, na Holanda, notaram várias possibilidades neste antigo motor, melhorando as técnicas de engenharia para a sua fabricação. Assim, a Philips Company investiu milhões de dólares, criando uma posição de destaque para a tecnologia de motores Stirling (Martini, 1983).

Na década de 1980, com a chegada da crise dos combustíveis e os desenvolvimentos em novos materiais, os motores Stirling começaram a diminuir a diferença de custo-benefício frente aos motores de combustão interna. As características destes motores, apresentadas na Tabela 1.1., indicam uma série de vantagens que fizeram com que os pesquisadores da área de energias renováveis apresentassem interesse neles, marcando uma nova etapa no desenvolvimento dos motores Stirling.

O motor Stirling é um motor de combustão externa, que utiliza um fluido de trabalho compressível. O mesmo, teoricamente, pode ser muito eficiente na conversão de calor em trabalho mecânico (Kongtragool e Wongwises, 2006). Em condições ideais de zero volume morto, regeneração ideal, absorção e rejeição de calor de forma isotérmica e movimentação quase estática, o ciclo Stirling pode-se representar pelos quatro processos básicos mostrados na Figura 1.2. A Figura apresenta os diagramas de pressão-volume e temperatura-entropia do ciclo Stirling.

Tabela 1.1. Vantagens e desvantagens dos motores Stirling

Figura 1.2. Ciclo Stirling. a) Diagrama P-v do ciclo Stirling, b) diagrama T-s do ciclo Stirling

Fonte: Omaña (2007).

O ciclo ideal consta de dois processos isotérmicos e dois processos isocóricos. O fornecimento de calor é realizado durante o processo isotérmico de alta temperatura (TH) através do trocador de calor quente. A rejeição de calor é realizada durante o processo isotérmico de baixa temperatura (TK) através do trocador de calor frio. O fluido de trabalho ganha calor no processo isotérmico a TH com expansão da pressão de P3 a P4. O regenerador ideal ganha e armazena calor no processo isocórico de 4-1, e a pressão do gás de trabalho se reduz a P1 e sua temperatura desce a TK. Depois, o gás de trabalho rejeita calor de forma isotérmica a TK e o sistema se comprime até atingir a pressão P2. Por último, o calor armazenado no regenerador ideal retorna ao fluido de trabalho num processo isocórico, e a temperatura e pressão chega a TH e P3 respectivamente (Batmaz e Ustun, 2008). Nos processos reais, a regeneração não é ideal, e tem que se considerar a eficiência do regenerador. Os pontos 1’ e 3’ representam os estados que atinge o gás de trabalho quando a regeneração não é ideal.

1.1.1. ConFiguração dos motores Stirling

Os quatro processos que compõem o ciclo Stirling fizeram com que os pesquisadores desenvolvessem diversos tipos de conFigurações em função de sua necessidade de potência, eficiência e complexidade de fabricação. Assim, na atualidade, os motores Stirling convencionais se agrupam em diferentes tipos, alguns mais complexos e eficientes que outros, mas seguem apresentando as mesmas conFigurações básicas; tipo Alfa, tipo Beta e tipo Gama. Estes três tipos de motor, basicamente, se compõem de dois pistões, onde um deles pode trabalhar como deslocador no caso das conFigurações beta e gama. A seguir, são apresentadas estas três conFigurações:

STIRLING TIPO ALFA

A conFiguração do motor Stirling tipo alfa consiste em dois pistões articulados pelo mecanismo de transmissão, alocados em câmaras independentes unidas pela série de trocadores de calor (Figura 1.3). A vantagem deste motor reside na relativa facilidade de sua fabricação. Frequentemente, os pesquisadores usam mecanismos de motores de combustão interna e compressores, casos Podesser et al. (1995), Zeiler et al. (2007) e Scollo et al. (2008), para a redução dos custos de fabricação e das perdas por atrito neste mecanismo. Este tipo de motor tem problemas técnicos pela durabilidade de suas vedações, volume morto e atrito pelas forças laterais dos anéis sobre os cilindros de expansão e compressão.

Figura 1.3. Motor na configuração Alfa

Fonte: Mello (2001).

STIRLING TIPO BETA

O motor tipo Beta tem um pistão de potência e um deslocador alocado numa mesma câmara (Figura 1.4). Pela sobreposição entre os movimentos de ambos os pistões, é obtida uma maior taxa de compressão no motor, e também se pode obter maior potência específica que nos motores Stirling tipo alfa e Gama. Entretanto, as hastes do deslocador e do pistão de trabalho estão alinhadas, o que torna complexo o mecanismo de transmissão (Hirata e Iwamoto, 1999).

Figura 1.4. Motor na conFiguração Beta

Fonte: Mello (2001).

STIRLING TIPO GAMA

É simplesmente um motor tipo beta onde os pistões de potência e o deslocador estão alocados em diferentes câmaras (Figura 1.5). Esta conFiguração, comparada com a beta, apresenta uma relação de compressão mais baixa, mas o mecanismo de transmissão é mais simples, o qual o faz frequentemente usado nos motores com vários cilindros (Biotechsector, 2011). Além disso, apresenta volumes mortos maiores, e parte do processo de expansão ocorre no espaço de compressão, causando redução na potência especifica.

Figura 1.5. Motor na conFiguração Gama

Fonte: Mello (2001).

As conFigurações antes descritas precisam de mecanismos de transmissão para transformar o movimento alternativo dos pistões do motor Stirling em movimento rotacional. Entre os mecanismos mais utilizados em motores Stirling está o biela-manivela, utilizado basicamente para motores tipo alfa (Thombare e Verma, 2008), o mecanismo rômbico, patenteado por R.J Meijer Philips em 1953 (Hargreaves, 1991) e otimizado por Shendage et al.(2011), permitindo motores mais compactos, o platô oscilante que permite variar a potência de saída, caso Meijer (1958) e Chien e Liou (1983), o Z-manivela que permite conFigurações com múltiplos cilindros e cuja versão melhorada foi apresentada por Naotsugu et al. (2007) e o Rocker Ross patenteado por o pesquisador Andy Ross em 1979.

1.1.2. Gás de Trabalho nos motores Stirling

Quanto ao fluido de trabalho, as propriedades como viscosidade, condutividade térmica, calor especifico e a densidade são consideradas das mais importantes para a escolha do gás de trabalho num motor Stirling. Assim, o calor específico e a condutividade térmica relacionam-se com a troca de calor, portanto tem que ter valores altos. Mas a densidade e a viscosidade relacionam-se com as perdas de carga, precisando-se de valores baixos destas duas propriedades. Baseado na analogia de Reynolds, Walker (1980) desenvolveu uma relação entre as perdas de carga e a transferência de calor por convecção numa tubulação para um escoamento estacionário (equação 1) com o objetivo de relacionar as propriedades antes nomeadas.

Sendo Q o calor, ηΒ a Eficiência de bombeamento, Cp o calor especifico do fluido, ΔT a diferença de temperatura entre a parede do tubo e temperatura média do fluido, T1 e T2 as Temperaturas do fluido na entrada e saída da tubulação respectivamente e P a Pressão do fluido.

Considerando a equação (1), pode-se dizer que, dos gases comumente utilizados, a melhor opção é o hidrogênio. Mas tem que se avaliar outras características associadas aos gases como perigo de explosão, absorção nos metais, difusão e custos. Albístur e Fernandez (2008) demonstraram que o hidrogênio absorvido pelo aço-carbono causa perda de ductilidade e aumento do endurecimento, tornando o conjunto aço-carbono com hidrogênio inviável para a construção de motores Stirling. Organ e Finkelstein (1992) demonstraram que um motor com ar bem projetado pode ter, teoricamente, eficiência similar à de um motor com hidrogênio ou hélio, mas estes dois últimos gases fornecerão maior potência por unidade de volume deslocado.

1.1.3. Motores Stirling a biomassa

Usinas de microcogeração se apresentam como uma solução promissora no fornecimento energético para regiões isoladas. Embora o uso da biomassa como combustível nestas usinas diminua a poluição ambiental (Gaun e Schmautzer, 2007; Katsura et al. 2007), são necessários processos de transformação para ser utilizada como fonte energética. Desta forma, seu aproveitamento pode ser em forma de combustível sólido, líquido ou gasoso. Na Figura 1.6 são apresentados os processos de transformação: físicos, termoquímicos e biológicos que pode ter a biomassa.

Figura 1.6. Processos de conversão energética da biomassa

Fonte: adaptado de Scarpete et al. (2010).

A alternativa de melhor potencial, no presente, para plantas de cogeração menores de 100 kW é o motor Stirling, como considerado por Pålsson e Carlsen (2003), mesmo sendo que o interesse na fabricação massiva destes motores se remonte aos anos 40, quando a Philips inicia o desenvolvimento destes, apresentando uma grande diversidade de motores para uma variedade de aplicações. Seu modelo 1-98, por exemplo, é um dos mais descritos na literatura e testados com diferentes combustíveis. Outros motores com grande destaque são o Ground Power Unit - (GPU-3) desenvolvido pela General Motor (Thieme e Tew, 1978) e a General Pneumatics Western Research Center (PWRC) que incorpora o mecanismo (Rocker Ross) no projeto de um motor de 3 kW operado com biomassa (Atkins et al.1990).

Estes motores podem-se alimentar com biomassa derivada de cada um dos três processos de transformação antes citados, dada sua característica de combustão externa; porém, o problema para a utilização destes combustíveis, se apresenta na transmissão de calor dos gases de combustão para o gás de trabalho (Obernberger et al. 2003). Assim, o projeto do aquecedor ou trocador de calor quente depende diretamente da fase do combustível, afetando indiretamente a quantidade de volume que não realiza trabalho nele (volume morto). Deste modo, para fazer uma caracterização dos motores Stirling operados com biomassa, tem que se dividir a análise em função do estado do combustível a utilizar.

MOTORES STIRLING A BIOMASSA SÓLIDA.

Na maioria dos casos, o trocador quente tem que trocar calor entre os gases da combustão da biomassa e o fluido de trabalho do motor, mas os gases de exaustão apresentam grande quantidade de resíduos ou cinzas que terminam prejudicando a operação do motor. É por esta razão que o trocador não pode ter superfícies estendidas (aletas) (Podesser, 1999), e seus tubos devem ser colocados de tal forma que não altere, em grande medida, a uniformidade de temperatura na superfície do trocador. Outro problema apresentado pela combustão direta de combustível sólido é o tamanho da câmara de combustão, muito maior que as câmaras para combustível líquido ou gasoso, além da necessidade de grande quantidade de ar em excesso para controlar a temperatura dos gases de exaustão (Pålsson e Carlsen, 2003). Tentativas para superar este problema se encontram na literatura, por exemplo, o trabalho apresentado por Thy et al. (2006) em que se consegue a diminuição do depósito destes resíduos mediante a mistura de dois tipos de combustíveis sólidos (palha de arroz e madeira).

No ano 2007 a companhia japonesa Suction Gas Engine Mfg apresentou um novo mecanismo chamado Alfa+ instalado em seu motor AP1-10/250. O mecanismo é composto por um deslocador superior e dois inferiores integrados a um pistão de potência alocado no médio dos deslocadores inferiores. Este mecanismo permite trabalhar com uma fonte de calor de baixa temperatura. O protótipo de 10 kW trabalha com ajuda de um circuito de óleo térmico como fonte de calor que, por sua vez, é aquecido com a combustão da biomassa (Takeuchi et al. 2007).

A Stirling Technology inc. desenvolveu o modelo ST-5, um motor capaz de trabalhar com biomassa proveniente da indústria madeireira. Este motor, alimentado por um forno com capacidade para queimar serragem, lenha ou pellets, entre outros, trabalha com uma pressão média do gás de trabalho de 5 bar, temperatura da fonte quente 923 K e sua potência eléctrica é de 3,7 kW a 650 RPM (Stirling Technology, 2011). Este motor foi avaliado por Nobutoshi et al. (2007) e Hoshi et al