- AMBROCIO MORENO LUIS
- CARRION LECCA PIERO RICARDO
- TAPIA PURIZACA VICTOR CARLOS
2017
__________________________________________________________________________________
MOTOR STIRLING
INTRODUCCION
Uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan los
ingenieros de hoy en día, es encontrar nuevas alternativas energéticas
confiables de las que se pueda depender en un futuro cercano. Muchos avances se
han hecho en el campo, nuevas tecnologías se han creado y otras se han dejado
de lado por no ser aplicables en su tiempo. Este proyecto se enfoca a uno de
estos últimos, el ciclo de Stirling, descubierto hace cerca de 200 años por un
reverendo escocés en búsqueda de una alternativa más eficiente y segura a las
máquinas de vapor de la época. La situación actual en Perú y el mundo llevan a
tomar nuevamente el camino de Robert Stirling, innovando con elementos ya
existentes en aplicaciones que requieren de una alternativa a las soluciones
convencionales.
En este presente trabajo aprendemos a fabricar un motor Stirling, el cual se define como una máquina que convierte trabajo en calor y viceversa, a través de un ciclo termodinámico, con compresión y expansiones cíclicas del fluido de trabajo. El motor Stirling que fabricamos es un motor tipo Beta, que genera trabajo a partir de diferencias temperaturas. Una de las ventajas del motor Stirling es la combustión externa y no hay explosión por lo que el motor es extremadamente silencioso y libre de vibraciones. Hoy en día se utiliza estos motores para generar calor, para impulsar cosas y aproximadamente como motores en automóviles híbridos, existen aún pocas aplicaciones comerciales y muchos proyectos de investigación, es por estas cosas que el motor Stirling es muy útil.
OBJETIVOS
General
Construir un Motor Stirling usando materiales caseros.
Específicos
- Estudiar y evaluar el funcionamiento del motor Stirling.
- Aplicar la Segunda Ley de la Termodinámica en la fabricación del motor Stirling casero.
- Dar a conocer un mecanismo que permita generar energía a partir de calor.
- Mostrar la reutilización del material reciclable para crear un mecanismo el cual genere energía.
ANTECEDENTES
El motor Stirling fue inventado en 1816 por el reverendo Robert Stirling (1790-1878) en Escocia, unos ochenta años antes de la invención del motor diésel y unos cuarenta años después de la construcción de la máquina de vapor de James Watt (1736 – 1819). La búsqueda de potencia en las máquinas de vapor condujo al desarrollo de calderas de alta presión, sin embargo tenían el problema de que explotaban con facilidad. Motivado por la resolución de dicho problema, Stirling diseñó un motor más simple y eficiente que una máquina de vapor. Este no necesitaba válvulas que regulasen el paso del fluido y obtenía mayor cantidad de trabajo con la misma cantidad de calor aportado. Mejoró la eficiencia gracias al economizador, dispositivo que intercambia calor, posteriormente llamado regenerador. El economizador permitía almacenar una cantidad de calor en una de las fases de ciclo y devolverlo al mismo en otro punto del ciclo (Pascual Toledano, 2013).
Un motor Stirling es un motor térmico operando por
compresión y expansión cíclica de aire u otro gas, el llamado fluido de
trabajo, a diferentes niveles de temperatura tales que se produce una
conversión neta de energía calorífica a energía mecánica.1 2 O más
específicamente, un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo con un fluido
gaseoso permanente, donde el ciclo cerrado es definido como un sistema
termodinámico en el cual el fluido está permanentemente contenido en el
sistema, y regenerativo describe el uso de un tipo específico de intercambio de
calor y almacenamiento térmico, conocido como el regenerador. Esta inclusión de
un regenerador es lo que diferencia a los motores Stirling de otros motores de
ciclo cerrado.
El motor Stirling fue inventado en 1816 por el
Reverendo escocés Robert Stirling quien lo concibió como un primer motor
diseñado para rivalizar con el motor de vapor, en la práctica su uso se redujo
a aplicaciones domésticas por casi un siglo.3 Los motores Stirling tienen una
alta eficiencia, si se los compara con los motores de vapor,4 y gran facilidad
para ser aplicados a cualquier fuente de calor. Estas ventajas están haciendo
que vuelva a tener interés este tipo de motores, y su aplicación en sistemas
captadores de energías renovables.
Los llamaban motores de "Aire caliente", o
"Motores Caloríficos". La máquina de vapor, la conoce toda la gente.
Está presente en todas las enciclopedias y manuales. Los motores de gasolina y
los de Diesel son triunfadores indiscutibles. Pero un periodo de historia del
motor térmico, que era una fase intermediaria en la metamorfosis de la máquina
de vapor a las máquinas de gasolina y de fuel, el motor de aire caliente, se ha
hecho invisible, como si no estuviese jamás.
Cuando la radio firma PHILIPS, Eindhoven, Holanda, buscaba para sus aparatosos de radio y emisoras para el ejército una fuente silenciosa de alimentación, es cuando ha sido descubierto el "Mundo perdido", cuando encontraron en los archivos las descripciones y las patentes de uno motores de aire caliente. Ésta época, desde el año 1934, la llamaremos Renacimiento. Con renacimiento y desarrollo contemporáneo de los motores de aire caliente, ahora llamados motores de Stirling, las sorpresas no han terminado. Según uno de los mejores historiadores del tema: Dr. T. Finkelstein, , una vez por error o por curiosidad, uno de los técnicos del laboratorio Philips ha puesto en marcha el motor eléctrico, que era el freno para tomar las características del Stirling, obligando el eje del motor a girar. Pues, la cabeza del motor, su parte caliente, donde se sitúa el desplazados, se ha cubierto de escarche, se ha puesto fría. Era el año 1954. Éste fenómeno ha confirmado que la maquina Stirling es fácilmente reversible y Philips empezó la segunda línea de investigación paralela sobre las maquinas criogénicas.
El motor Stirling es el único capaz de aproximarse
(teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como
rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos
se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de
coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a
igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.
El ciclo teórico de Carnot es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling
real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al Ciclo de Carnot, además
el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su
eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos,
mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales,
conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las
mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes
de calor sin combustión.
Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isotónicas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante)
Existe un elemento adicional al motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. El regenerador es un intercambiador de calor interno que tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador consiste en un medio poroso con conductividad térmica despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones.
Existe distinta manera denominar estos motores
térmicos: Motores caloríficos, Motores de aire cliente, Motores de Gas, y, por
fin motores de Stirling. La máquina de vapor, como la fuente de energía
mecánica estaba muy desarrollada y ampliamente utilizada ya en el principio del
siglo XIX y era la única fuente de la energía mecánica, si no tener en cuenta
los molinos de agua o de viento. La historia de desarrollo de los motores de
aire caliente demuestra la transformación, que había experimentado la máquina
de vapor, y la ingeniería de motores en general, primero convirtiéndose en el
motor de aire caliente, y después en los motores de combustión interna de Otto,
(gasolina) y de Diesel, (fuel). Los últimos eran el producto de las
transformaciones de petróleo en su desarrollo en diferentes tipos de
combustibles, derivados de fuel, y rápidamente han ocupado, prácticamente todo
el mercado de transporte y otras aplicaciones, expulsando por completo a sus
antepasados, y la máquina de vapor y el motor de aire caliente.
Esta impresionante transformación de la máquina de vapor, ha empezado primero por el invento de Watt de introducir el condensador en la salida del cilindro de trabajo, que ha permitido subir el rendimiento de la máquina y su potencia. El paso siguiente era la introducción de la bomba de agua condensada para alimentación de la caldera. Esto permitía recuperar el agua, inyectándola a la caldera cada vez con la presión más alta, siguiendo la demanda constante de la potencia, que conseguían subiendo la presión en la caldera. Treviathick con sus invenciones ha elevado la presión aún más, después de Watt. Con que ha crecido el problema de seguridad. Los ingenieros empezaron a buscar la forma de sustituir el vapor por el aire. Con cierta seguridad, se puede imaginar la bomba de alimentación de la máquina de vapor inyectando en lugar de agua, los productos de combustión, como un cilindro de compresión, aspirándolos del horno e inyectándolos directamente al cilindro de expansión, o cilindro principal, cilindro de trabajo. Es decir deshacerse de la caldera de vapor.
Los libros y revistas de época nos indican, que entre los primeros inventores, que construyo con el éxito un motor de aire caliente, era Sir George Caley, en 1807. Parece, que no ha dejado bien escritos sus inventos. Se conoce que en el 1837, recibe la patente, y bajo esta patente se inicia la producción de sus motores en "Caloric Engine Compani". Es muy curioso ver su forma de accionar, es una conexión directa entre el horno donde se quemaba el carbón y el cilindro. Faltaba un pequeño paso más para llegar al motor de combustión interna: combustible inyectado o aspirado con el aire directamente al cilindro. Lo ha hecho más tarde Otto. Después Diesel.
Si observamos la literatura técnica desde el periodo de inicio los años 1930, ya no encontramos el motor de aire caliente, ninguno de la gran cantidad y variedad, que existía desde los 1800 hasta 1930. De la máquina de vapor todavía se sabía algo, las locomotoras de vapor y barcos todavía se movían por los ferrocarriles y mares. 1955…1960 debe ser el período de la desaparición completa de la máquina de vapor. Salvo, la turbina de vapor, con el desarrollo de la energía nuclear, ésta turbina resultó la maquina más apropiada. Pero volvemos a la época de la máquina de vapor.
En sus primeros tiempos, el motor se usó como fuente
de poder de pequeñas máquinas herramientas y bombas de agua. El notable
inventor sueco John Ericsson diseño y construyó un barco movido con un motor de
esta clase. Por la misma época logró una patente para una bomba de agua
accionada por un motor Stirling que se convirtió rápidamente en un éxito de
ventas entre los granjeros del oeste norteamericano. Incluso hasta las primeras
décadas del siglo XX se vendían ventiladores de mesa que funcionaban con un
pequeño mechero en la parte inferior del aparato. El perfeccionamiento de las
máquinas de vapor, el desarrollo posterior del motor de combustión interna y
años después la difusión de las redes eléctricas le dieron al motor de aire
caliente un golpe del que nunca pudo recuperarse (hasta ahora).
En la década del '60 hubo un resurgimiento en el interés sobre este tipo de máquinas. Por esos años la empresa Philips desarrolló un generador portátil de energía eléctrica. Este artefacto generaba corriente eléctrica a la par que el sistema de refrigeración del aparato producía agua caliente para uso doméstico. Posteriormente gracias al impulso de investigación en nuevas fuentes de energía, provocadas por la primera crisis energética de principios de la década del '70 hubo nuevos avances en este sentido. En aquellos duros tiempos de surtidores vacíos surgió le necesidad de encontrar motores alternativos a los tradicionales. Entonces la necesidad, llevó a algunas compañías automotrices a desarrollar vehículos con motores de ciclo Stirling, desde el punto de vista energético mucho más eficientes que los tradicionales y amigos del medio ambiente. Los resultados fueron alentadores, pero el fin de la escasez petrolera hizo olvidar aquellas ventajas.
Más recientemente se han utilizado máquinas de ciclo
Stirling para generar energía eléctrica a partir de concentradores solares.
Estos ingenios tienen la ventaja de tener el más alto rendimiento en conversión
de la energía calorífica del sol en electricidad en las plantas solares
termoeléctricas.
En el motor de Stirling se realizaban los mismos
procesos de calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor,
y el gas era aire en vez de vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba
caldera. Fue un tipo de motor bastante común en su época, sobre todo para
pequeñas máquinas de uso doméstico tales como ventiladores, bombas de agua
etc.; su potencia específica no era muy elevada, pero su sencillez y bajo ruido
eran magníficos.
Básicamente, el motor Stirling es un motor de ciclo
cerrado en el que, en un ensayo ideal, el fluido de trabajo, contenido en el
interior del motor, sería desplazado por los pistones del motor a lo largo de
las etapas del ciclo de trabajo. Su fuente de energía puede ser cualquier foco
de calor externo, con lo que puede ser aplicado en multitud de situaciones,
aprovechando el calor residual de origen industrial, la combustión de todo tipo
de materiales, calor solar e incluso el originado en procesos de fisión
nuclear. Dado que la combustión se genera externamente al motor, ésta puede
controlarse a la perfección a través del flujo de energía. Actualmente, en
diversos países desarrollados, estos motores han alcanzado desarrollos
impresionantes, y dentro de algunos años éstos podrían reemplazar a los motores
de combustión interna en diversos usos. Los motores Stirling se usan en
submarinos, en refrigeradores, en automóviles, en plantas de generación de
energía eléctrica, etc.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Motor Stirling:
Un
motor Stirling es un motor térmico operando por comprensión y expansión cíclica
de aire u otro gas, el llamado fluido de trabajo, a diferentes niveles de
temperaturas tales que se produce una conversión neta de energía calorífica a
energía mecánica, tenemos tres tipos de motores.
- Motores tipo Alfa
- Motores tipo Beta
- Motores tipo Gama
Motores tipo Alfa:
Este tipo de motor no utiliza desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos.
Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.
Uno de los cilindros se calienta mientras que el otro se enfría mediante aire o agua.
El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose 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 solo cilindro, con una zona caliente (mediante un mechero de gas, alcohol
etc.), una zona fría (refrigerada por aletas, agua etc.).
En el interior del cilindro está el desplazador cuya
misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa.
Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, únicamente
una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro
para permitir el paso del aire.
Motores tipo Gamma:
Este tipo esta derivado del beta, pero es más sencillo de construir.
Consta
de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en
otro el pistón de potencia.
Los
sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo beta.
En
este tipo el pistón de potencia es mucho más sencillo de construir ya que es
similar al de un motor de motocicleta. Aquí el pistón y el desplazador
también deben de moverse desfasados 90 grados, lo cual se consigue mediante el
cigüeñal adecuado.
Desde
el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el tipo beta , puesto que
la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.
Estos
son los principales diseños de motores Stirling y los más conocidos, pero
también hay otros tipos conocidos como “Especiales” que daremos a conocer en
otro post.
VARIABLES TERMODINAMICAS
Toda sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15 °C) emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura.
Las
variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se
emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la
naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio, pueden elegirse
distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. En el caso de
un gas, estas variables son:
Ø Masa (m ó n): es la cantidad de
sustancia que tiene el sistema. En el Sistema Internacional se expresa
respectivamente en kilogramos (kg) o en número de moles (mol).
Ø Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En
el Sistema Internacional se expresa en metros cúbicos (m3). Si bien
el litro (l) no es una unidad del Sistema
Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a metros cúbicos es:
1 l = 10-3 m3.
Ø Presión (p): Es la fuerza por unidad de área
aplicada sobre un cuerpo en la dirección perpendicular a su superficie. En el
Sistema Internacional se expresa en pascales (Pa). La atmósfera es una unidad de
presión comúnmente utilizada. Su conversión a pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa.
Ø Temperatura (T ó t): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen. Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud que determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el Sistema Internacional se mide en kelvin (K), aunque la escala Celsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las dos escalas es: T (K) = t (ºC) + 273.
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA:
La
incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a
cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la
termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero
satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos
no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada
entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda
ley de la Termodinámica.
El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA: DEFINICIONES CLASICAS
Definición de Kelvin-Planck:
“Es
imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber
calor de una fuente de temperatura y
convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.
Definición de Clausius
“Es
imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea
transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura
mayor”.
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING:
Todos los motores de ciclo Stirling son motores de “ciclo cerrado”. En estos motores existen una cantidad fija de aire en el interior, no variando esta ni para aumentar ni para disminuir. Si se produjese por cualquier causa variación, el círculo no funcionaría por pérdida de comprensión y por tanto de energía.
El
motor Stirling utiliza un foco caliente para expandir el aire
dentro de el y asi el motor va aumentado el volumen; seguidamente,
utiliza un foco frio para contraer el aire reduciendo el volumen;
esta diferencia de volúmenes activa un pistón el cual ejerce
trabajo al motor y asi poder concluir, como el aire realiza trabajo
al expandirse y contraerse moviendo dicho pistón.
Es
necesaria la presencia de una diferencia de temperatura entre dos focos para
que el motor pueda funcionar por eso se le denomina motor térmico.
MATERIALES
- Se dibuja un círculo con el compás con un diámetro de 6 cm para poder tenerlo como molde.
- Cortamos una de las latas en la parte superior y en la parte posterior con el molde circular de 6cm de diámetro para poder hacerle un hueco.
- Cortamos otra lata por la parte superior de todo su
contorno para poderlo usar como base del motor Stirling
- Tomamos un pedazo de alambre de 7 cm y lo envolvemos con un pedazo de esponjilla de acero en la parte superior del alambre le hacemos una curvatura y en la inferior doblamos juntándola con la esponja.
- Con otra de las latas de guaraná hacer un corte tanto por la parte superior como por la parte inferior dejándole un margen de 3cm de altura luego colocar la esponja ya con el alambre envuelto.
- Con el rayo de la bicicleta de 24 cm hacemos lo siguiente:
Dejamos 7 cm libre luego 2 cm para arriba, 1.8 cm para la parte derecha, 2 cm
para abajo, luego dejamos 4 cm rector, después 1.5 para arriba y finalmente
doblamos y dejamos el metal restante recto.
- Colocamos el rayo de la bicicleta ya moldeado dentro de la
lata con el agujero de 6 cm de diámetro haciéndole pequeños orificios en las
partes laterales superiores para que el metal pueda ingresar, después colocamos
los soportes y le hacemos a la lata dos agujeros en la parte inferior por donde
pasara el tubo y el otro por donde pasara el hilo de pescar y ahí mismo
colocamos el ángulo de 90° al costado
izquierdo de la lata y pasamos a colocarle sus pernos para ajustar.
- En el cartón dúplex hacer 2 círculos con un diámetro de 12
cm estos servirán con contrapeso para poder colocarlo en uno de los extremos
del radio de bicicleta ya moldeado.
- En la parte que sobra del ángulo de noventa colocar una
botella pequeña cortada por la mitad con una altura de
- Amarrar el hilo de pescar en la parte del radio de la
bicicleta pasándolo por el pequeño agujero que hicimos anteriormente luego lo
amarramos con el pistón que es el alambre enrollado con la esponjilla de acero
y el pedazo de lata, ahí mismo con la lata que sirve como base del motor medir
y dejar 1.5 cm de espacio libre tanto en la parte superior como inferior para
que el pistón pueda hacer correctamente su trabajo, en la parte de afuera de la
base hacer un pequeño recipiente donde ira el agua con un pedazo de lata más
grande y por ultima ensamblar todas las demás piezas con los pegamentos
respectivos y dejarlos secar un día entero y como adicional crear un pequeño
hornito con dos latas que será ahí donde colocaremos el mechero para que el
motor Stirling pueda calentarse y funcionar.
No hay comentarios.:
Publicar un comentario
Opina por favor.