Robert Stirling

Robert Stirling
Conhecido(a) por	Motor Stirling
Nascimento	25 de outubro de 1790
Morte	6 de junho de 1878 (87 anos)
Nacionalidade	Escocesa

Robert Stirling (25 de outubro de 1790 – 6 de junho de 1878) foi um pastor escocês e inventor do motor Stirling. Stirling nasceu em Cloag Farm perto de Methven, Perthshire e herdou do seu pai o interesse pela engenharia. Estudou teologia na Universidade de Edinburgh e na Universidade de Glasgow e tornou-se ministro da Igreja da Escócia. A 10 de julho de 1819 se casou com Jean Rankin com quem teve 7 filhos.^[1]

Robert Stirling^[2] nasceu na Fazenda Cloag, uma localização na Escócia perto da vila de Methven, Perthshire.^[3] Membro do ramo Dublane da família Stirling, Robert nasceu de Patrick e Agnes Stirling.^[4] Ele era um dos oito filhos que Patrick e Agnes tiveram.^[4]

Seu avô era Michael Stirling, mais famosamente conhecido por sua invenção da debulhadora.^[3] O pai de Robert, Patrick, também passou tempo experimentando e inovando com equipamentos agrícolas industriais.^[3]

Embora Robert, como seu pai e avô, tivesse uma inclinação natural para a engenharia, ele começou a frequentar a Universidade de Edimburgo em 1805 aos quinze anos de idade para estudar divindade na esperança de se tornar um ministro.^[3][5] Seu irmão James, que desempenharia um papel importante nos futuros empreendimentos de engenharia de Stirling, também frequentou Edimburgo aos 14 anos de idade.^[5]

Ele terminou seus estudos na Universidade de Edimburgo e continuou em novembro de 1809 a estudar na Universidade de Glasgow onde, de acordo com Keith Laidler,^[6] ele estudou os clássicos, filosofia, teologia e matemática, mas provavelmente muito pouca ciência.^[3][5] Em 1814, ele retornou à Universidade de Edimburgo estudando divindade por uma última vez.^[5]

Robert foi licenciado para pregar na Igreja da Escócia em 1816 pelo Presbitério de Dumbarton. Em setembro de 1816, o comissário do Duque de Portland concedeu a Stirling o título de Ministro como o segundo cargo para a paróquia de Laigh Kirk em Kilmarnock.^[3][7] Finalmente, em fevereiro de 1824, Stirling foi nomeado como o ministro da vizinha Igreja Paroquial de Galston onde continuou seu ministério até 1878.^[8]

Em julho de 1819, Robert Stirling casou-se com Jane Rankine.^[4] Juntos, eles tiveram sete filhos, cinco filhos e duas filhas.^[3]

Robert Stirling é considerado um dos pais dos motores de ar quente. Poucos antes dele se aventuraram a construir motores de ar, sendo Guillaume Amontons o primeiro a construir um motor de ar quente funcional em 1699.^[9]

Amontons foi seguido em 1807 por George Cayley cujo motor era daqueles nos quais o fogo é fechado e alimentado por ar bombeado por baixo da grelha em quantidade suficiente para manter a combustão, enquanto de longe a maior porção do ar entra acima do fogo, para ser aquecido e expandido; o todo, juntamente com os produtos da combustão, então age sobre o pistão e passa através do cilindro de trabalho; e a operação sendo uma de simples mistura apenas, nenhuma superfície de aquecimento de metal é necessária, o ar a ser aquecido sendo trazido em contato imediato com o fogo.^[10]

Stirling veio com uma primeira patente para um motor de ar em 1816. O princípio do Motor de Ar Stirling difere do de Cayley, no qual o ar é forçado através da fornalha e exaurido, enquanto no motor de Stirling o ar trabalha em um circuito fechado. Foi a isso que o inventor dedicou a maior parte de sua atenção. Um motor de ar quente Stirling de dois cavalos de potência, construído em 1818 para bombear água em uma pedreira de Ayrshire, continuou a funcionar por algum tempo, até que um atendente descuidado permitiu que o aquecedor ficasse superaquecido. Este experimento provou ao inventor que, devido à baixa pressão de trabalho obtível, o motor só podia ser adaptado para pequenas potências para as quais não havia demanda naquela época.^[11]

A patente de Stirling de 1816 também era sobre um "Economizador", o predecessor do regenerador. Nesta patente (# 4081) ele descreve a tecnologia do "economizador" e várias aplicações onde tal tecnologia pode ser usada. Delas surgiu um novo arranjo para um motor de ar quente. Em 1818, um motor foi construído para bombear água de uma pedreira em Ayrshire, mas devido a problemas técnicos, o motor foi abandonado por um tempo.^[12]

Stirling patenteou um segundo motor de ar quente, juntamente com seu irmão James, em 1827. Eles inverteram o design de modo que as extremidades quentes dos deslocadores ficassem embaixo da maquinaria e adicionaram uma bomba de ar comprimido para que o ar dentro pudesse ser aumentado em pressão para cerca de 20 atmosferas.^[13]

Os dois irmãos Stirling foram seguidos logo após em 1828 por Parkinson & Crossley e em 1829 e Arnott.^[14][15] Estes precursores, aos quais John Ericsson^[16] deve ser adicionado, trouxeram ao mundo a tecnologia do motor de ar quente e suas enormes vantagens sobre o motor a vapor. Cada um deles veio com sua própria tecnologia específica, e embora o motor Stirling e os motores Parkinson & Crossley fossem bastante semelhantes, Robert Stirling se distinguiu ao inventar o regenerador, o primeiro exemplo de um Trocador de calor regenerativo.

Parkinson e Crosley introduziram o princípio de usar ar de maior densidade do que a da atmosfera, e assim obtiveram um motor de maior potência no mesmo espaço. James Stirling seguiu esta mesma ideia quando construiu o famoso motor de Dundee.^[17]

A patente de Stirling de 1827 foi a base da terceira patente de Stirling de 1840.^[18] As mudanças em relação à patente de 1827 foram menores mas essenciais. Foi esta terceira patente que deu origem ao motor de Dundee.^[19]

James Stirling fez uma apresentação de seu motor perante a Institution of Civil Engineers em 1845.^[20] O primeiro motor deste tipo que, após várias modificações, foi eficientemente construído e aquecido, tinha um cilindro de 12 polegadas (aprox. 30 cm) de diâmetro, com um comprimento de curso de 2 pés (aprox. 61 cm), e fazia 40 cursos ou revoluções em um minuto (40 rpm). Este motor moveu toda a maquinaria das obras da Dundee Foundry Company por oito ou dez meses, e foi previamente considerado capaz de elevar 700 000 lbs a um pé em um minuto (aprox. 21 HP).

Considerando esta potência insuficiente para suas obras, a Dundee Foundry Company ergueu o segundo motor, com um cilindro de 16 polegadas (aprox. 40 cm) de diâmetro, um curso de 4 pés (aprox. 1,20 m), e fazendo 28 cursos em um minuto. Este motor está agora em operação contínua há mais de dois anos, e não apenas realizou o trabalho da fundição da maneira mais satisfatória, mas foi testado (por um freio de fricção em um terceiro motor) na extensão de levantar quase 1.500.000 lbs (aprox. 45 HP).

Isso dá um consumo de 2,7 lbs. (aprox. 1,22 kg) por cavalo de potência por hora; mas quando o motor não estava totalmente carregado, o consumo ficava consideravelmente abaixo de 2,5 lbs. (aprox. 1,13 kg) por cavalo de potência por hora. Este desempenho estava no nível dos melhores motores a vapor cuja eficiência era de cerca de 10%. Segundo James Stirling, tal eficiência só foi possível graças ao uso do economizador (ou regenerador).

A invenção mais conhecida de Robert Stirling é o motor térmico agora referido como motor Stirling. Em 1816 os irmãos Stirling solicitaram uma patente tanto na Escócia quanto na Inglaterra para um dispositivo que inventaram, um Economizador de Calor. A função desta invenção era armazenar e liberar calor à medida que o ar circulava através de seus mecanismos. Isso diferia da maioria dos motores térmicos que usavam vapor como método de armazenar e liberar energia.^[21]

Enquanto estava em Kilmarnock, ele colaborou com outro inventor, Thomas Morton, que forneceu instalações de oficina para a pesquisa de Stirling.^[22] Em 1818 Stirling havia incorporado este Economizador de Calor em um motor de pistão que criou um motor térmico de ciclo fechado, que era movido a ar, um contraste com os motores a vapor que eram predominantes na época. Esta versão atualizada do motor térmico foi usada para bombear água de uma pedreira.^[23] O motor térmico de Stirling era capaz de funcionar bem, mas era limitado pelos metais mais fracos disponíveis na época. Devido à fragilidade dos materiais usados, os vasos de ar foram eventualmente esmagados pela alta pressão do ar aquecido.^[24]

Em 1824 Stirling procurou melhorar a eficiência do motor térmico tentando separar o ar presente no economizador. Isso foi feito fazendo os êmbolos no motor de ar de placas finas de metal. Isso foi para melhorar o fluxo de ar e oferecer melhor aquecimento e resfriamento do motor.^[25] Embora esta ideia tenha recebido uma patente, ela foi em última análise malsucedida em melhorar a eficiência geral do motor térmico.^[26]

Em 1840 Stirling recebeu outra patente para o motor térmico após alterar o design em uma nova tentativa de aumentar a durabilidade. As melhorias adicionadas por Stirling incluíram a adição de hastes ou placas na passagem através da qual o ar quente viajava para a seção fria do motor. Ao ter estas superfícies, o ar era capaz de ser resfriado a uma temperatura mais baixa ao viajar da seção quente do motor para a seção fria do motor. Adicionalmente, Stirling adicionou colares de couro em forma de copo ao redor das hastes do pistão para vedar lacunas e minimizar o vazamento de ar do motor.^[27] Após desenvolver estas melhorias, Stirling construiu dois destes motores térmicos para usar em uma fundição de ferro que gerenciava em Dundee.^[26] Um destes motores de ar foi iniciado em março de 1843 onde funcionou até dezembro de 1845 quando um vaso de ar falhou. A falha do vaso de ar poderia ser atribuída aos metais sendo incapazes de suportar as altas temperaturas nas quais o motor estava funcionando. Após substituir o vaso de ar algumas vezes, o motor de ar foi desmontado em 1847 após Stirling deixar a fundição de ferro de Dundee.^[28]

Em 1876 Robert Stirling escreveu uma carta reconhecendo a importância da nova invenção de Henry Bessemer, o processo Bessemer para a fabricação de aço. Stirling estava otimista de que o novo aço melhoraria o desempenho dos motores de ar.

O desenvolvimento do motor de ar quente de Robert Stirling foi em parte motivado pela segurança. Seu motor foi projetado para falhar de forma muito menos catastrófica do que os motores a vapor da época, ao mesmo tempo que obtinha maior eficiência.^[3] Embora o motor Stirling seja raramente usado hoje, sua capacidade de movimento aparentemente perpétuo continua a atrair o interesse de instituições de pesquisa como o Laboratório Nacional de Los Alamos e a NASA.^[3]

Referências