MOTOR STIRLING

PRESENTADO POR:

LEINNER APONTE DEVIA

PEDRO CORREA

PRESENTADO A:

LUIS ANGEL LARA GONZALES

ING. INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD SECCIONAL SOGAMOSO

ESCUELA INGENIERIA DE MINAS

TERMODINAMICA

SOGAMOSO BOYACA

2015

INTRODUCCIÓN.

El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempos de los egipcios para desarrollar trabajo mecánico, accionando de esta manera trampillas, puertas y pesadas cargas, pero fue en la revolución industrial cuando las máquinas llamadas “térmicas” se estudiaron, desarrollaron y aplicaron de manera general.

El Motor Stirling objeto de nuestro estudio es un tipo de motor térmico y como tal, genera trabajo mecánico a partir de la diferencia de temperaturas entre dos focos.La actual preocupación medioambiental y la cada vez más acuciante escasez de recursos energéticos de carácter fósil ha hecho que se haya rescatado del olvido este genial artilugio

esta maquina nos genera ventajas tales como la facilidad de operación , utilización de diversos materiales como combustibles, sencillez de mecanismos y bajo costo de mantenimiento hacen que estos motores se perfilen como una alternativa practica para aquellos lugares donde no llega fluido eléctrico o no hay otras posibilidades de generación de potencia.

HISTORIA.

El motor Stirling fue inventado por el reverendo escocés Robert Stirling (1790-1878) en 1816.

Stirling vivió en los primeros tiempos de las máquinas de vapor, cuando éstas explotaban con cierta frecuencia (debido a la mala calidad de los aceros) hiriendo gravemente a quienes trabajaban cerca. Preocupado por esta peligrosidad de las máquinas de vapor decidió investigar en máquinas más seguras. Las investigaciones y el trabajo de Stirling dieron el fruto del motor que hoy lleva su nombre. Por su fundamento el motor inventado por Stirling no podía estallar, además su rendimiento era superior a los motores de vapor, generando más trabajo a partir de la misma cantidad de combustible.

No obstante, el motor Stirling tenía el inconveniente de generar menos potencia que la máquina de vapor y otros motores en igualdad de tamaño y peso, razón por la que no desbancaron a las otras máquinas y motores. Además, hasta finales del siglo XIX, llegaron a utilizarse con cierta frecuencia para mover bombas de agua, gramófonos, máquinas de coser, ventiladores, centrifugadoras, etc.

En la actualidad el motor Stirling es objeto de diferentes líneas de investigación y desarrollo, de las cuales una muy curiosa es la aplicación en la refrigeración de ciertos dispositivos electrónicos.

En aparatos de alta tecnología tiene utilidad. La marina sueca ha instalado motores Stirling en varios de sus submarinos. Kawasaki realiza investigaciones sobre este tema para la marina japonés. Otro campo abierto es la generación de energía cerca del punto de consumo, es decir, podrían producirse minicentrales adecuadas a un pueblo o distrito. De este modo la generación de electricidad se adaptaría al consumo de la zona y se evitarían las pérdidas ocasionadas como consecuencia del transporte y redes de distribución en largas distancias.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.

El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

En nuestro diseño, aplicamos calor en la parte inferior, y frío en la parte superior a un recipiente hermético que contiene el medio de trabajo (aire), y un pistón desplazador, para mover el aire de una zona del recipiente a otra. Al aplicar calor a la base del recipiente, y con el pistón desplazador en la parte opuesta (arriba), aumenta la temperatura del aire, por lo que según la ley general de los gases aumenta la presión, empujando una superficie elástica, mediante la cual conseguiremos movimiento. Este movimiento de la superficie elástica se transmitirá a un cigüeñal, que a su vez irá conectado al pistón desplazador con en ángulo de noventa grados, de forma que, al subir la superficie elástica el pistón desplazador baje y desplace el medio de trabajo de la parte caliente del recipiente a la parte fría, lo que hará que disminuya el volumen y la presión del medio de trabajo, por lo que la superficie elástica volverá a su estado inicial, completando el recorrido del cigüeñal. Al volver a la posición inicial, volverá a subir el pistón desplazador, desplazando el medio de trabajo de nuevo a la parte caliente del recipiente, aumentando su volumen, la presión y repitiendo el proceso.

TIPOS DE MOTORES DE AIRE CALIENTE.

Todos los motores Stirling tienen un funcionamiento similar, pero se pueden clasificar en diferentes tipos según la posición del pistón de potencia y el desplazador.Los tres grupos en los que se pueden diferenciar estos motores son:

Motores de tipo beta:

Este tipo de motor fue el diseño original que hizo Robert Stirling. Consta de un cilindro con dos zonas, una caliente y otra fría. En el interior del cilindro también se encuentra un desplazador que posibilita el movimiento de aire, y concéntrico con este, se encuentra el pistón de potencia, que está desfasado a 90º respecto al desplazador. Este tipo de motor es el más eficaz, pero también el más complejo y voluminoso.

Motores de tipo alfa:

Este motor fue diseñado por Rider. Este tipo, a diferencia del tipo beta, tiene dos cilindros, uno donde se sitúa la zona fría, y otro donde se sitúa la caliente. En cada cilindro, hay un pistón que está desfasado a 90º del pistón del otro cilindro. Los cilindros están conectados entre sí por un cigüeñal, que hace que la relación potencia/volumen sea bastante alta. El mecanismo de este tipo de motor es bastante sencillo, pero es complicado que no se escape el aire, sobretodo en el cilindro caliente, ya las altas deterioran los materiales.

Motores de tipo gamma:

Este motor es muy parecido al de tipo beta, pero es más sencillo de construir. Lo que diferencia al beta y al gamma es que el gamma tiene el pistón de potencia y el desplazador en diferentes cilindros, que están desfasados a 90º. Los dos cilindros están unidos por un cigüeñal. Este motor es más sencillo, pero su potencia es menor que la de tipo beta.

Motor Ringbom:

En 1905 Ossian Ringbom inventó un motor derivado del de tipo gamma, con una simplicidad mayor, pues el pistón desplazador no está conectado con el de potencia, sino que oscila libre movido por la diferencia de presiones y la gravedad. Posteriormente se fueron descubriendo pequeñas modificaciones en el motor Ringbom original, que posibilitaba un motor muy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma).

Motor de pistón líquido:

En este tipo de motor se sustituye el pistón y el desplazador por un líquido. Está formado por dos tubos rellenos de unos líquidos; uno de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador.

Motor Stirling termo acústico:

Probablemente es la evolución última de este motor en el que se simplifica al máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador y por lo tanto carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor original. Funciona gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí el nombre de “acústico”, merced al calor suministrado en el foco caliente.

APLICACIONES.

Aplicaciones iníciales del motor Stirling:

Nació como competencia a la máquina de vapor, ya que intentaba simplificarla se aplicó en principio a máquinas que requerían poca potencia ventiladores o bombas de agua. Perdió el interés después del desarrollo del motor de combustión interna y se ha retomado el interés estos últimos años debido al gran número de características favorables que presenta, en concreto su elevado rendimiento.

Coches híbridos: Los vehículos híbridos son señalados por muchas voces hoy en día como los medios de transporte que ocuparemos a mediano plazo en especial en las grandes ciudades. Esto principalmente debido a las bajas emisiones de contaminantes y a la elevada economía de combustible que se obtiene con esta tecnología

DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN MOTOR STIRLING

Un motor Stirling está compuesto, generalmente, de las siguientes partes:

Zona caliente

Esta es la parte del motor donde se le entrega calor, y, por consiguiente, estará sometido a altas temperaturas Los materiales a utilizar para su fabricación deberían ser materiales resistentes al CREEP. Se podría utilizar acero inoxidable austenítico, acero al Cr-Mo, etc.

Esta parte puede ser de varias formas. Su forma más simple es cuando no hay ningún tipo de presurización dentro del cilindro, ésta puede ser un cilindro con una tapa plana Esta configuración la podemos adoptar en motores pequeños y experimentales que no estén presurizados.

El diseño de la zona caliente varía de acuerdo al fluido de trabajo a utilizar, esto es debido a las propiedades del fluido. Por ejemplo, el He tiene una conductividad térmica de seis veces la conductividad del aire, por esta razón el diámetro interno de los tubos de la zona caliente debería ser mas pequeño si utilizamos aire como fluido de trabajo, esto es para hacer más eficiente la transferencia de calor debido a la baja conductividad térmica del aire. Un motor diseñado para utilizar aire, si funciona eficientemente utilizando He y H2, pero no ocurre lo contrario

Zona fría

En esta parte se extrae calor del motor. La extracción de calor puede realizarse por convección libre o forzada. En el caso que sea libre, ésta puede realizarse mediante la colocación de aletas de aluminio para disipar rápidamente el calor.

En el caso de una refrigeración forzada, ésta se realiza acondicionando una camiseta de agua. Esta parte puede hacerse de acero inoxidable, fierro fundido, aluminio, cobre, etc.

Estos dos últimos materiales se pueden utilizar en motores de baja potencia o experimentales, ya que en motores de alta potencia sería necesario un mayor espesor de éstos, y el costo sería elevado.

Sistema de refrigeración de un motor Stirling

El sistema de refrigeración tiene como objeto evacuar el calor del fluido de trabajo hacia un medio exterior más frío. Este es una parte muy importante del motor, porque debe ser capaz de evacuar por lo menos el 50% del calor que recibe el motor, y que lo debe hacer a la menor temperatura posible para mejorar la eficiencia térmica del motor. Existen dos tipos de refrigeración:

Refrigeración por aire

Puede ser por convección natural o forzada. Es necesario acoplar aletas al cilindro; es una transmisión poco eficiente y se utiliza en motores lentos y no presurizados, mayormente se utiliza en pequeños motores demostrativos.

Refrigeración por agua

Es la más eficiente si se dispone de una fuente inagotable de agua a temperatura ambiente (ríos, lagos, red pública). Sólo se puede utilizar en motores estacionarios. En motores que no son estacionarios lo más recomendable es utilizar un circuito de agua con radiador, el único inconveniente es que se consume energía para bombear el agua e impulsar el aire.

Para las pruebas en el motor construido se utilizó los dos tipos de refrigeración. A continuación hablaremos de la experiencia adquirida durante este trabajo.

PistónEsta parte es la que realiza el trabajo motriz, y va conectado al mecanismo de transformación de movimiento. El pistón debe ser ligero porque el gas realiza trabajo sólo durante la expansión. Debido a que el pistón está en la zona fría del motor, sí se puede utilizar aluminio para su construcción. Para motores pequeños experimentales, también utilizan teflón.

El pistón debe llevar anillos en el caso de que el motor sea presurizado y se podría obviar éstos en el caso de ser un motor pequeño o experimental.

Desplazador

Esta parte es la encargada de desplazar el aire de una zona a otra. Esta parte debe ser capaz de generar un gradiente de temperatura entre la zona caliente y la zona fría.

Idealmente, esto se lograría haciendo que la cámara central del desplazador sea un aislador térmico, pero debido a que sería complicada su construcción, se puede hacer el desplazador largo y que el material tenga baja conductividad térmica; por otra parte, éste debe ser capaz de soportar altas temperaturas, porque la zona caliente siempre se mantendrá a alta temperatura. En motores pequeños y experimentales, el desplazador suele comportarse como un regenerador haciendo que éste tenga paredes lo más delgadas posible.

MATERIALES DE CONSTRUCCION

Base de madera 4 soportes en madera

Tubo de ensayo

Jeringa de vidrio

Corcho Manguera Mechero Canicas

Resorte

alambre

PROCEDIMIENTO

conseguimos la base de madera, a la cual le haremos un soporte en madera en la que mas tarde instalaremos la probeta

adecuamos la base para mas tarde hacer la instalación del dispositivo

introducimos un resorte al fondo del tubo de ensayo y seguidamente introduciremos 4 canicas en el interior de este mismo.

Luego al corcho le hacemos un agujero para luego introducir un tubo de plástico que comunicara el tubo de ensayo con la jeringa de vidrio.

Instalamos la jeringa en la base de madera.

Instalamos el tubo de ensayo en el soporte previamente instalado en la base de madera

Ubicamos en tubo de ensayo en el alambre que esta instalado entre los dos soportes de madera y nos aseguramos que quede amarrado al tubo de ensayo en la mitad aproximadamente

Por ultimo ubicamos el mechero en el fondo del tubo de ensayo para poder proceder con el experimento.

PROBLEMAS ENCONTRADOS

Al construir nuestro motor Stirling encontramos una serie de fallos que

tuvimos que ir solucionando. El tubo de ensayo no realizaba el movimiento

correspondiente, ya que la probeta no se encontraba sujeta en la mitad, y

toco ir acomodando la probeta hasta encontrar el punto de equilibrio y

realizara el respectivo movimiento realizado por este tipo de motor.

Otro inconveniente fue encontrar la posición indicada de la jeringa de vidrio,

para que el tubo de ensayo quedara inclinado inicialmente en la posición de la

jeringa, pero estos son problemas menores que se pueden solucionar sin

inconveniente.

La altura de la jeringa con respecto al nivel de la probeta fue otro

inconveniente, ya que toco al final agregar plastilina para aumentar el nivel,

ya que íbamos a colocar un corcho de base, pero toco desistir, y recibir un

poco de ayuda de un compañero que tenia conocimientos de ese motor.

Inicialmente también teníamos estipulado elaborar un mechero con una

bombilla, pero debido a que no generaba la suficiente calor, toco ingeniar y

decidimos generar fuego con un pequeño sarten con alcohol.

Conclusiones.

Es un motor de combustión externa.

El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas.

Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante)

El regenerador tiene la función de recuperar parte de la energía que se cede en uno de los procesos isócoro donde se enfría el gas de trabajo para aportarlo de nuevo en el proceso isócoro restante.

Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior.

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot.

Bibliografia

http://www.todomotores.cl http://www.ecotec2000.de http://www.moteur-stirling.com http://personales.able.es/jgros/

http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/maquinastermicas/index.html http://ventanadelaciencia.blogspot.com/2007/12/el-motor-stirling-en-aplicaciones-de.html

http://www.taringa.net/posts/info/4157798/Como-Hacer-Un-Motor-Stirling.html

http://salesianospamplona.es/maquinas/Historia.htm

www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm

http://www.fayerwayer.com/2007/08/hagalo-usted-mismo-motor-stirling-que-funciona-con-tu-cafe/