UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPEDEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGIA Y MECANICACARRERA DE INGENIERIA AUTOMOTRIZGUIA DE LABORATORIO MOTORES ESPECIALES

INTEGRANTES Altamirano Geovanny Llerena Sebastin Mesa Francisco Ortiz Ivn Rosero Stalin Torres Jhonny Vallesteros David

TEMA PRACTICA DE MEDICIONES Y FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR STIRLING.

INTRODUCCION

El motor Stirling fue inventado en 1816 por el Reverendo escocs Robert Stirling quien lo concibi como un primer motor diseado para rivalizar con el motor de vapor, en la prctica su uso se redujo a aplicaciones domsticas.Los motores Stirling tienen una alta eficiencia, si se los compara con los motores de vapor, y gran facilidad para ser aplicados a cualquier fuente de calorEl motor Stirling es el nico capaz de aproximarse (tericamente lo alcanza) al rendimiento mximo terico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores trmicos se refiere, es la mejor opcin. Conviene advertir que no servira como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento ptimo slo se alcanza a velocidades bajas.En sus primeros tiempos, fue empleado como fuente de poder para pequeas maquinas, herramientas y bombas de agua. Posteriormente un barco logro ser movido con un motor de esta clase. Cabe destacar que se realizaron ventas posteriormente de ventiladores con una mecha al costado del artefacto. Surgi la perfeccin de las mquinas de vapor, tambin la creacin del motor de combustin interna y aos despus la disfuncin por medio de las redes elctrica, originaron el deploro y abandono del motor de aire caliente.

OBJETIVOS

GENERAL

Revisar y comprender el funcionamiento de un motor Stirling.

ESPECIFICOS

Tomar datos del voltaje que genera el motor Stirling. Tomar datos de la velocidad que genera el motor Stirling. Medir la temperatura a la cual empieza el funcionamiento del motor Stirling. Medir el valor de la relacin a la que se encuentra el motor.

REVISION TEORICA

MOTOR STIRLINGEs un motor trmico operando por compresin y expansin cclica de aire u otro gas, el llamado fluido de trabajo, a diferentes niveles de temperatura tales que se produce una conversin neta de energa calorfica a energa mecnica.El motor de aire caliente Stirling, utiliza una fuente de calor fija, para calentar aire en su cilindro.

Fig1. Descripcin de fase motor StirlingFuente: http://stirlingengineforum.com/viewtopic.php?f=1&t=1694

Se le puede considerar de combustin externa y proceso adiabtico, ya que no requiere quemar combustible en su interior y al operar, no transfiere calor al entorno. Su movimiento obedece a las diferencias de presin de aire, entre la porcin ms caliente y la fra. El mecanismo central de un Stirling consiste de dos pistones/cilindros, uno para disipar calor y desplazar aire caliente hacia la seccin fra (viceversa). En la prctica este cilindro funciona como intercambiador de calor y se le denomina regenerador.EFICIENCIA DEL STIRLINGEs posible obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigeal, lo que hace de este motor el ms eficiente que se conoce. Sin embargo, presenta un problema que lo condena a ser el propulsor de un nmero limitado de maquinaria: no es posible ponerlo en funcionamiento en forma instantnea.DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTOEl motor Stirling es el nico capaz de aproximarse (tericamente lo alcanza) al rendimiento mximo terico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores trmicos se refiere, es la mejor opcin. Conviene advertir que no servira como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento ptimo slo se alcanza a velocidades bajas.

Fig2. Funcionamiento motor StirlingFuente: http://stirlingengineforum.com/viewtopic.php?f=1&t=1694

El ciclo terico de Carnot es inalcanzable en la prctica, y el ciclo Stirling real tendra un rendimiento intrnsecamente inferior al Ciclo de Carnot, adems el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fros como el invierno en los pases nrdicos, mientras tendra menos inters en climas como los de los pases ecuatoriales, conservando siempre la ventaja de los motores de combustin externa de las mnimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustin.Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresin y expansin a temperatura constante) Fig3. Diagrama P-V Ciclo StirlingFuente: http://stirlingengineforum.com/viewtopic.php?f=1&t=1694

0TIPOS DE MOTOR STIRLINGMOTORES TIPO ALFADesde un punto de vista termodinmico, la funcin es similar a la patentada por Stirling, diseado por Rider (Estados Unidos). Consta de dos cilindros desfasados entre si 90, conectados a un cigeal que hace que la relacin potencia/volumen sea bastante alta, uno de los cilindros se calienta promedio de alcohol y un mechero y el otro se enfra mediante aletas o agua.

Fig4. Motor tipo alfaFuente: http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5157/1/T-ESPE-033127.pdf

MOTOR TIPO BETASe basa en el tipo originalmente diseado por Stirling. Consta de un solo cilindro el cual presenta dos zonas una fra y otra caliente. En el interior un desplazador permite pasar el aire de una zona fra a caliente. Su movimiento est desfasado 900 respecto al deplazador, todo lo que se aade al sistema es de alta temperatura y todo lo que se elimina es de baja temperatura (residuos) de calor.

Fig5. Motor Tipo BetaFuente: http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5157/1/T-ESPE-033127.pdf

MOTOR TIPO GAMMAConsta de dos cilindros separados, uno contiene el separador y el otro un pistn de potencia. Los sistemas de enfriar y calentar son idnticos al de tipo beta, es ms fcil de construir pero menos eficaz que el beta.Los sistemas para enfriar y calentar son idnticos a los del tipo beta, pero su potencia es menor, siendo menos eficaz termodinmicamente debido a la expansin de trabajo se realiza en su totalidad a una temperatura ms baja.

Fig6. Motor Tipo GammaFuente: http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5157/1/T-ESPE-033127.pdf

MOTORES ESPECIALESSe puede mencionar el Ringboom, la necesidad de simplificar el movimiento del pistn, en 1905 Ossian Ringboom, patenta este motor, el desplazador es movido por las variaciones internas de la presin en el motor y las fuerzas de gravedad. No era tan exitoso debido a la fuerza requerida en desplazador, restaba fuerza al movimiento del pistn.COMPONENTES DE UN MOTOR STIRLINGZona caliente: Esta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por consiguiente, estar sometido a altas temperaturas (alrededor de 800C). Los materiales a utilizar para su fabricacin deberan ser materiales resistentes al CREEP. Se podra utilizar acero inoxidable austentico, acero al Cr-Mo, etc. Esta parte puede ser de varias formas. Su forma ms simple es cuando no hay ningn tipo de presurizacin dentro del cilindro, sta puede ser un cilindro con una tapa plana, como se muestra en la Ilustracin 4. Esta configuracin la podemos adoptar en motores pequeos y experimentales que no estn presurizados.

Fig7. Zona caliente del motorFuente: (Cacuango & Falcon, 2009)Zona fra: En esta parte se extrae calor del motor. La extraccin de calor puede realizarse por conveccin libre o forzada. En el caso que sea libre, sta puede realizarse mediante la colocacin de aletas de aluminio para disipar rpidamente el calor. En el caso de una refrigeracin forzada, sta se realiza acondicionando una camiseta de agua. Esta parte puede hacerse de acero inoxidable, fierro fundido, aluminio, cobre, etc. Estos dos ltimos materiales se pueden utilizar en motores de baja potencia o experimentales, ya que en motores de alta potencia sera necesario un mayor espesor de stos, y el costo sera elevado.Regenerador: Entre la zonas fra y caliente hay un regenerador (no en motores pequeos, solo tienen una holgura para permitir el paso de aire), que es el encargado de refrigerar el gas de trabajo, puede estar compuesto por aletas, circulacin de agua, etc.Estos motores no pueden arrancar en fro, malos para respuesta inmediata, sin embargo son ms eficientes, siendo si rendimiento por unidad de combustible mayor, y menos ruidoso que los CI, su potencia es mucho menor por unidad de peso, puesto que son ms pesados y voluminosos.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Fig 8. Ciclo del motor Stirling tipo Beta'Fuente: (Chvez & Orquera, 2012)Fase 1:Est entre los pasos 4-1 (calentamiento isocrico), donde el pistn de potencia se encuentra en el PMI y el aire en el interior del cilindro se encuentra comprimido, con alta temperatura y con alta presin.

Fig 9. Calentamiento isocricoFuente: (Chvez & Orquera, 2012)

Fase 2:Est entre los pasos 1-2 (expansin isotrmica), donde el pistn de potencia se encuentra en el PMI y el aire en el interior del cilindro se encuentra comprimido, con alta temperatura y con alta presin.

Fig 10. Expansin isotrmicaFuente: (Chvez & Orquera, 2012)Fase 3:Est entre los pasos 2-3 (enfriamiento isocrico), debido a que el aire queda expuesto a la regin fra del cilindro el pistn de desplazamiento baja rpidamente hacia la regin caliente del cilindro permitiendo que la temperatura y la presin del aire desciendan.

Fig 11. Enfriamiento isocricoFuente: (Chvez & Orquera, 2012)Fase 4:Est entre los pasos 3-4 (compresin isotrmica), en este punto, el volante conectado al cigeal que sincroniza el movimiento de los pistones lleva suficiente inercia para hacer que el pistn de potencia realice trabajo sobre el sistema comprimiendo el aire.

Fig 12. Compresin isotrmicaFuente: (Chvez & Orquera, 2012)

MATERIALES E INSUMOS

Motor Stirling Tipo Beta (Maqueta) Multmetro Alcohol Industrial Franela Fsforos Cronometro Mandil

PROCEDIMIENTO

ANALISIS DE RESULTADOSVariablevalorUnidadImagen

Temperatura ambiente 9C

Presin ambiente 1,029 hPa

Temperatura 2152C

Temperatura 3223C

Volumen 15,8 cc

Volumen 20,25cc

Clculos

Ilustracin. Etapas ciclo Stirling

Clculo de potencia

Clculo de la Fuerza

Clculo del Torque

Los datos obtenidos de acuerdo al anlisis terico e ideal se asemejan a los obtenidos en la prctica, donde se puede evidenciar un aumento de la presin atmosfrica de 1,029 hPa a que corresponde a la P2 donde luego aumenta en y posteriormente en P4 disminuye a 1,5 hPa. A partir de la Presin P3 se calcula la fuerza que es 1,4 N; la potencia con el voltaje y Amperaje arrojados en la prctica con la utilizacin del multmetro, CUESTIONARIO1. Describa los tipos de motor Stirling existentes

Motores tipo Alfa: Este tipo de motor no utiliza desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinmico el funcionamiento es similar. Fue diseado por Rider en Estados Unidos.Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sita el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistn que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.Uno de los cilindros se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se enfra mediante aletas o agua. El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentndose, enfrindose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.

Motores tipo Beta: El motor original de Stirling era de este tipo. Consta de un cilindro, con una zona caliente (mediante un mechero de gas, alcohol etc.), una zona fra (refrigerada por aletas, agua, etc.).En el interior del cilindro est el desplazador cuya misin es pasar el aire de la zona fra a la caliente y viceversa.Concntrico con el desplazador est situado el pistn de potencia.Mediante un cigeal especial el movimiento del pistn y el desplazador estn desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione.Desde el punto de vista termodinmico es el motor ms eficaz, pero su construccin es complicada ya que el pistn debe de tener dos bielas y permitir el paso del vstago que mueve el desplazador.

Motor tipo Gamma: Este tipo esta derivado del beta, pero es ms sencillo de construir.Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sita el desplazador y en otro el pistn de potencia.Los sistemas para enfriar y calentar son idnticos a los del tipo beta.En este tipo el pistn de potencia es mucho ms sencillo de construir ya que es similar al de un motor de motocicleta. Aqu el pistn y el desplazador tambin deben de moverse desfasados 90 grados, lo cual se consigue mediante el cigeal adecuado.Desde el punto de vista termodinmico es menos eficaz que el tipo beta, puesto que la expansin de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.

2. Describa el funcionamiento del motor StirlingTodos los motores de ciclo Stirling son motores de "ciclo cerrado". En estos motores existe una cantidad fija de aire en el interior, no variando sta ni para aumentar ni para disminuir. Si se produjese por cualquier causa variacin, el circuito no funcionara por prdida de compresin y por tanto de energa.

Como la combustin es externa la contaminacin qumica se reduce al mximo. De hecho los gases generados pueden filtrarse o, incluso, condensarse en un depsito y trasladarse despus a un vertedero. En caso de energa solar o geotrmica la contaminacin sera nula.Cuando el aire se calienta ste se expande y aumenta la presin interior al no variar el espacio en el que est cerrado; este calentamiento viene seguido de un enfriamiento. El motor realiza ambas variaciones de calor y fro en cada revolucin del volante.- Calentamiento del aire Aumento de presin.- Enfriamiento del aire Disminucin de presin.La variacin de presin acta en el cilindro del desplazador -zona de enfriamiento- con lo que la energa termal (calor) se convierte en energa mecnica (giro del volante y cigeal).El desplazador es el elemento que facilita el desplazamiento del aire hacia las zonas deseadas: zona de calentamiento y zona de enfriamiento de forma cclica por cada revolucin del volante de inercia.En la mayora de los motores Stirling, el desplazador y el pistn de trabajo estn mandados por el acoplamiento mecnico en un cigeal con un desfase de 90, esta condicin es obligatoria y necesaria para el funcionamiento satisfactorio; de otra manera se perdera eficacia o no funcionara el motor.

3. Explique el ciclo ideal Stirling

El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinmicos que actan sobre el fluido de trabajo: De 1 a 2: Compresin isotrmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fra. De 2 a3: Absorcin de calor a volumen constante (isocrico o iscoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presin. De 3 a 4: Expansin isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente. De 4 a 1: Cesin de una cantidad de calor al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.

4. Mencione las ventajas y desventajas del motor StirlingVentajasLo extraordinario es que casi cualquier fuente calrica puede aprovecharse para hacer funcionar el motor. Calor solar, energa geotrmica y calor residual de procesos industriales pueden utilizarse con ventajas para generar energa mediante motores Stirling especialmente acondicionados.Combustin externa (se puede quemar cualquier combustible para calentar el motor)No hay explosin por lo que el motor es extremamente silencioso y libre de vibraciones.Se genera a la vez energa elctrica, mecnica y trmica (cogeneracin).DesventajasEl motor Stirling tiene una potencia especfica relativamente baja. Un motor Stirling debe ser mucho ms voluminoso que un motor de combustin interna para obtener de ambos la misma potencia. Un mtodo para aumentar la potencia puede ser utilizar gases distintos del aire, por ejemplo helio. El helio tiene la caracterstica de ser un elemento muy liviano y al contrario de la mayora de los gases es tambin un buen conductor del calor. Si el gas se encierra a presin, puede aumentarse la potencia sin incrementar el tamao de la mquina. Obviamente un motor presurizado, tiene un costo de fabricacin y de mantenimiento muy superior al de un motor cuyo fluido de trabajo sea el aire atmosfrico. Por otra parte, la variacin rpida de potencia es ms difcil que en un motor tradicional. Otra respuesta es que la competencia de las mquinas de ciclo Otto han ocultado las ventajas de este tipo de motores.

Sin embargo, a medida que el horizonte de escasez de combustibles fsiles se ve ms cercano, el motor Stirling ser una alternativa viable.

CONCLUSIONES Se pudo obtener valores de voltaje, los cuales fueron entregados en el funcionamiento del motor Stirling e indicados en el voltmetro interno del mismo, este voltmetro nos indic un valor de 1,1 V. El valor mximo alcanzado de las revoluciones por minuto de este motor fue de 315 RPM. El motor Stirling es de tipo Gamma, debido a la disposicin separada de los cilindros y pistones. El motor empieza su giro con una fuerza externa, que fue suministrada a la parte del accionamiento La temperatura a la cual el motor comenz a impulsarse fue de 150 C, y con la ayuda de un pequeo impulso el motor continuaba en funcionamiento hasta quitar la fuente de calor, donde la eficiencia trmica del regenerador afecta en forma directa la eficiencia trmica del motor Stirling en su conjunto. Sin embargo no influye sobre la potencia entregada por el motor, debido a que el regenerador solo juega el papel de almacenar el calor, y en un momento dado entregar nuevamente este calor al fluido de trabajo. Si se intercambian regeneradores fabricados con mallas diferentes calibres en un mismo motor, bajo las mismas condiciones de operacin, se obtendr una misma entrega de potencia; lo que vara es la eficiencia trmica del regenerador y, por ende la eficiencia trmica del motor Stirling. El valor de la relacin de engranajes obtenido fue de 4:1.RECOMENDACIONES Tener mucho cuidado al momento de realizar la manipulacin de los instrumentos o componentes del motor. Asegurarse de haber limpiado muy bien la probeta con alcohol, adems, de esperar que este sea disipado o secado completamente. Utilizar una pistola laser de temperatura para tener medidas ms exactas en el funcionamiento de motor. Observar en el mechero ya que cuando el alcohol industrial se termina, empieza a quemar la mecha del instrumento

BIBLIOGRAFIA

Cacuango, E., & Falcon, M. (Febrero de 2009). Escuela Politcnica del Ejrcito. Recuperado el 15 de Febrero de 2015, de Diseo y construccin de un motor prototipo de ciclo Stirling a base de energa solar.: http://repositorio.espe.edu.ec/handle/21000/2876Chvez, P., & Orquera, D. (Marzo de 2012). Escuela Poletcnica del Ejrcito. Recuperado el 15 de Febrero de 2015, de Modelamiento energtico y mecnico de un motor stirling tipo beta para la generacin de 70 We para un DECEM-UGI: http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5157/1/T-ESPE-033127.pdfhttp://www.todomotores.cl/motores-stirling.htmhttp://www.monografias.com/trabajos102/motor-stirling/motor-stirling.shtml#ixzz3SFvovulQhttp://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5157/1/T-ESPE-033127.pdf

ANEXOSMOTORES ESPECIALES LATACUNGA, FEBRERO DEL 2015