Agradecimiento: Se les agradece a todas las personas cercanas a nosotros que día a día nos impulsan al estudio; estudio; a la vez agradecer a nuestro gran profesor el Ing. Aguinaga Paz Amado, ya que con sus enseñanzas nos ayuda a que seamos mejores para el futuro.
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INDICE Datos preliminares
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Resumen
4
Introduccion
7
Materiales y métodos
8
Resultados
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Discusión
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Conclusiones
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Recomendaciones
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Bibliograf´ía
18
Anexos
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Los Stirlilianos I.
DATOS PRELIMINARES: 1. TÍTULO: 2.
AUTORES:
Motor Stirling Jhon Aponte Villacorta Antonio Arévalo Canario Eder Balcázar Cruz Efrain Salazar Roalcaba Oscar Samamé Astonitas Jeanmarco Torres Saldaña Giancarlo Vargas Iñoñán
3.
TIPO DE INVESTIGACIÓN: Teórica-experimental; para la Obtención
de
datos
a
partir
de
algunas variables.
4. ÁREA DE INVESTIGACIÓN: Termodinámica 5. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: Esta es una investigación hecha para el campo de los motores Stirling en lo que concierne a los ciclos termodinámicos; ya que se dispone de unos limitados instrumentos para la medida de las variables pero una innumerable cantidad de elementos para la elaboración del proyecto. 6.
LOCALIDAD E INSTITUCIÓN DE EJECUCIÓN: Lambayeque UNPRG 3
7. DURACIÓN DEL PROYECTO: FECHA DE INICIO:
10 de Abril
9. FECHA DE ENTREGA:
24 de Julio
8.
II.
3 meses y 15 días
CUERPO DEL INFORME: 1. RESUMEN: ¿Qué es un motor Stirling? Al igual que la gasolina, diesel y motores de jet que todos conocemos, el Stirling es un motor térmico; es decir, un motor que se deriva su poder de fuego. Pero a diferencia de los otros motores, la Stirling obtiene su calor desde fuera, en lugar de hacerlo dentro de los cilindros de trabajo. En este sentido, el Stirling es similar a ese caballo viejo encanto de la revolución industrial, la máquina de vapor.
Así, el Stirling puede utilizar directamente la energía solar concentrada, o puede grabar queroseno, carbón, paja, madera, aserrín, árboles de Navidad de cartón, descartados o cualquier otra sustancia inflamable imaginable.
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RENDIMIENTO DEL CICLO: La definición de rendimiento para una máquina térmica es:
El trabajo neto :
y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a:
.
El gas sólo absorbe calor durante dos etapas: el calentamiento a volumen constante y la expansión isotérmica.
.
En la práctica, el regenerador no es perfecto y parte de esa energía se pierde. Definiendo su eficiencia como
, se
obtiene
.
Finalmente el rendimiento total de la máquina resulta
5
.
En la medida que el funcionamiento del regenerador se acerca al caso ideal, el rendimiento del ciclo se aproxima al del ciclo de Carnot
TIPOS DE MOTORES STIRLING: Según el pistón de potencia y desplazador:
Motores de tipo beta: 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.
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Motores de tipo alfa : 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.
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.
2. 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
“térmicas”
se
llamadas estudiaron,
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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 como una de las posibles soluciones a tales
problemas, dado su
excepcional rendimiento. Aquí el problema radica en tener el motor lo más hermético posible ya que de esto depende que el sistema del desplazador no arroje pérdidas por fugas en el ciclo termodinámico para obtener una mayor velocidad de giro; nuestro pensamiento (hipótesis) para lograr esto nos lleva a colocar unos elementos adicionales en el desplazador para lograr nuestro cometido y al hacer esto lograremos tener una gran eficiencia para el giro respectivo.
3. MATERIAL Y MÉTODOS: Para lo que son métodos primero tenemos que entender el ciclo a lo que corresponde el motor Stirling, para esto mencionaremos acerca de su funcionamiento: El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, 8
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 un a 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 (agua), 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 un 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. Para nuestro trabajo se utilizó el motor tipo del tipo gamma 9
Y los materiales son:
2 soldimix
2 latas de cerveza
1 lata de atún
1 lata de leche
½ docena de globos
3 siliconas
1 caja de velas
1 hilo naylon
1 cable delgado
1 cable grueso
Taladro
Se hiso los siguientes pasos:
Primero con un abrelatas debes de sacarle a la lata de cerveza lo de encima y también hacerle un orificio en la parte delantera para que se vea el desplazamiento del pistón.
Cortar
y
perforar
el
tapón
de
la
botella
Haga un agujero de 2 mm en cada lado de la tapa de la botella para el pivote de manivela, y un agujero en el centro para el alambre desplazador.
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Taladre los orificios de apoyo
Separe algunos conectores eléctricos y taladrar
Diseñar el cigüeñal con los conectores
Mostrar las vielas y cojinetes
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Hacer el desplazador
Hacer el recipiente de presión
Hacer los desplazadores
Hacer el volante
12
Conectar el volante
Conexión de todos los elementos y en equilibrio
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Hacer la lata de calentamiento
Poner la protección anti-cortes a la lata de calentamiento.
Hacer la prueba correspondiente y así queda.
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4. RESULTADOS: Después de la elaboración del motor Stirling se tiene en cuenta que a partir de datos se obtendrá la eficiencia del mismo en un ciclo termodinámico.
Estado
T(K)
H(KJ/Kg)
1
358.15
2
333.15
3
298.15
4
313.15
El volumen de fluido dentro del cilindro es de:
Se considera h/2 para tomar en cuenta el volumen del desplazador. En nuestro caso r=3.15 cm y h/2 = 0.50 cm, de donde:
V = 15.58 cm3
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Ahora debemos calcular la masa del fluido de trabajo. Supongamos una temperatura media de 25 C = 298 K. Para ello aplicamos la ecuación de estado de gases perfectos:
Hallando las entalpias correspondientes: Hallando h1:
Hallando h2:
Hallando h4:
Hallando h3:
Hallando los calores:
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Hallando los trabajos:
La eficiencia:
5. DISCUSIÓN: En un primer motor echo por este grupo de alumnos de la facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, pensamos que ya lo teníamos hecho pero el día que se probó no dio un buen funcionamiento tanto así que la eficiencia del ciclo no llegaba ni al 5% ya que se demoraba masomenos 20 segundos en dar una vuelta llegando a 17
calcular un rendimiento térmico demasiado bajo, después de este motor se buscó aún más información sobre la fabricación del motor y se llegó a dar un segundo motor que por cuestiones de la elaboración tuvo una mejor eficiencia pero que tampoco cubría nuestras expectativas, llegando a tal punto que se hizo un tercer motor y llegando hacerlo lo más hermético posible y con buenos materiales se obtuvo una gran eficiencia que a continuación se la mostramos:
Eficiencias térmicas de los motores Stirling 1
2
3
5.67%
15.25%
39.63%
Wneto=1.563kj/kg
Wneto=4.352kj/kg
Wneto=10Kj/kg
6. CONCLUSIONES:
Se comprueba que con una diferencia de presiones se puede hacer girar cualquier tipo de elementos
Que la eficiencia del motor estará basado en los elementos utilizados para realizarlo; ya que de esto comprenderá la velocidad y el número de giros en el disco en este caso.
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Que si se requiere de una mejor eficiencia se tiene que colocar una mayor fuente de calor y tratar de hacer lo más hermético posible el desplazador y el pistón.
7. RECOMENDACIONES: Para hacer estos tipos de trabajos tienes que tener en cuenta que:
Los elementos que van a funcionar como cilindros de captación y desplazamiento de aire caliente y frío deben de ser lo más aproximado posible a ser herméticos, ya que logrando esto se va poder contar un mejor aire desplazado para obtener así una mejor eficiencia.
El cilindro tiene que tener una buena altura para poder captar mejor el aire y poder así también conseguir un buen volumen desplazado
Con el cigüeñal se debe tener en cuenta que debe estar correctamente doblado para evitar así pérdidas en el giro del mismo.
En cuanto a los émbolos se tiene que tener en cuenta que deben ser de un buen material y que tenga buena resistencia hacer doblado ya que tiene que ser capaz de desplazar el aire.
En cuanto al volante tiene que estar bien colocado y a la vez que vaya de acuerdo al tamaño del motor propiamente diseñado.
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En cuanto al elemento que proporciona calor tiene que estar a muy cerca distancia para poder calentar mejor al cilindro
8. REFERENCIAS BICLIOGRÁFICAS: http://www.electricscotland.com/history/men/stirling_robert. htm http://www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyectostirling-2010-ies-leonardo-da-vinci.pdf http://www.moteur-stirling.com http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling
9. ANEXOS:
CICLO TERMODINAMICO DEL MOTOR STIRLING:
El ciclo termodinámico del motor de Stirling visto en la gráfica de presión contra volumen, se compone de dos procesos isotermos (se mantiene constante la temperatura) y de dos procesos isócoros (se mantiene constante el volumen), veámoslo en detalle:
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Si partimos por ejemplo de la situación en la que el pistón desplazador se encuentra en la posición más baja, el aire se encontrará por competo en la cámara fría del cilindro, supongamos pues que esas condiciones son de temperatura T1, volumen V1 y presión P1. Ahora el pistón desplazador comienza subir y en consecuencia el aire comienza a ser enviado a la parte caliente del cilindro [trazo A, isócoro], se supone que este proceso se hace a volumen constante y por lo tanto cuando ya está todo el aire en la parte caliente las condiciones son de volumen V1, de temperatura T2 (mayor que T1) y de presión P2 (mayor que P1). El aire, al estar más caliente y con mayor presión comienza a expansionarse generando trabajo mecánico [trazo B, isoterma], al expandirse su
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volumen pasa a ser V2 (mayor que V1) y su presión desciende a P3 sin embargo mantiene su temperatura T2. Llegado este punto el pistón desplazador comienza de nuevo su recorrido descendente y envía de nuevo todo el aire a la parte fría del cilindro sin cambiar el volumen V2 [trazo C, isócoro], la temperatura baja a T1 y la presión a P4. Por último volvemos al punto de partida del ciclo al comprimirse el aire manteniendo su temperatura T1 y reduciendo su volumen a V1 y con presión P1 [trazo D, isoterma]. De esta manera comienza el ciclo de nuevo. El diagrama Presión-Volumen aporta la ventaja de poder “ver” gráficamente:
El trabajo externo desarrollado por la máquina pues coincide con el área encerrada en el ciclo (al multiplicar presión por volumen las unidades físicas resultantes son de trabajo). Cuanto mayor sea el área del ciclo mayor es la potencia del motor de lo que se puede deducir que a mayor diferencia de temperaturas entre los focos mayor es la distancia entre las dos isotermas y por
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lo tanto mayor es la potencia del motor, esto es precisamente lo que queremos demostrar en nuestro experimento que posteriormente describiremos.
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