Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”
Vive-Rectorado Puerto Ordaz Departamento de Física
PROYECTO DE LABORATORIO: ELABORACIÓN DE UN MODELO FUNCIONAL DE UN MOTOR STIRLING
Profesor:
Integrantes:
Roberto Lárez
Adam Guitian Carlos Matute Yanna Villarroel
Noviembre 2017
ÍNDICE Introducción
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CAPITULO I 1.1. Planteamiento del proyecto
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1.2. Objetivos del proyecto
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1.3. Alcance y limitaciones del proyecto
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CAPITULO II 2.1. Antecedentes
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2.2. Evolución histórica de los motores Stirling
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2.3. Principio de funcionamiento
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2.4. Ciclo Stirling. Teórico y real
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2.5. Componentes claves que conforman el motor
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2.6. Clasificación de los motores Stirling
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CAPÍTULO III 3.1. Materiales utilizados
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3.2. Procedimiento de elaboración
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CAPÍTULO IV 4.1. Funcionamiento observado
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4.2. Ventajas y desventajas del motor Stilring
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Concusión
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Bibliografía
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INTRODUCCIÓN A través de la historia, los humanos hemos buscado simplificar las labores diversos ámbitos, con el fin reducir el esfuerzo y el tiempo empleado en ellas y al mismo tiempo lograr mejores resultados, tanto cuantitativamente y cualitativamente. Esto ha causado la aparición de avances tecnológicos a través de la historia, siendo uno de los más notorios el motor. Si se consultara acerca del motor a través del tiempo, lo primer o que se viene a la mente es el muy famoso motor a vapor, insignia de la revolución industrial del siglo XIX, luego prosiguiendo al motor eléctrico y el motor de combustión interna. No obstante, hay un motor que ha pasado desapercibido, el motor Stirling, un excelente motor que debido a la poca perspectiva de la época, tuvo un potencial poco explorado y explotado, hasta años recientes. No obstante, en la actualidad, el motor Stirling está en el interés de diversos grupos de investigación que desean explotarlo como una alternativa ecológica, pues solo requiere de una fuente de calor externa para trabajar, la cual puede tomarse del Sol con los implementos adecuados, logrando su aplicación en automóviles, bombas de agua y generadores eléctricos. Con el objeto de aprender sobre su funcionamiento, se ha realizado el presente proyecto, donde se dará una introducción a los motores Stirling, esperando motive al lector a interesarse más en el tema y a profundizar en el mismo.
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CAPÍTULO I El proyecto 1.1. Planteamiento del proyecto El poco conocimiento e interés por los motores Stirling en nuestra sociedad, alcanza grandes números. Nuestra facultad de ingeniería, la UNEXPO, no es excepción del caso, por lo cual un número importante de estudiantes ignoran la existencia de este tipo de motores, inclusive cunado pueden verse relacionados en carreras como Ingeniería industrial, mecánica y eléctrica. Esta situación nos motiva a la ejecución de este proyecto, para extender el conocimiento sobre este tipo de motores en la población estudiantil. Sumado a lo anterior, el creciente interés personal por los motores Stirling, los cuales fueron descubiertos recientemente, ha aumentado las ansias de conocer y ver en funcionamiento uno de estos motores, lo cual se suma a las causas de la puesta en marcha de este proyecto.
1.1.2. Objetivos del proyecto 1.2.1. Objetivo general Elaborar un modelo funcional de un motor Stirling empleando materiales fáciles de conseguir bien sea en el hogar o en alguna tienda de ferretería.
1.2.2. Objetivos específicos
Recolectar información acerca del motor Stirling en materia de: funcionamiento, principios físicos y elaboración casera.
Escoger un modelo a realizar
Reunir los materiales necesarios para la elaboración del modelo
Construir el modelo y comprobar su funcionamiento
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1.3. Alcance y limitaciones del proyecto El alcance de este proyecto es el de la elaboración de un modelo funcional de un motor Stirling, sin adentrarnos de manera muy profunda en algunos aspectos técnicos del diseño del motor que podrían mejorar su rendimiento, todo con materiales fáciles de obtener en el hogar y en alguna ferretería, tales como: latas, botellas de vidrio, lanilla de acero, alambre, pega epóxica, silicón, entre otros. En el modelo, nos limitamos a usar el aire como fluido de trabajo del motor, pues la obtención de otros fluidos, por ejemplo nitrógeno o helio, está fuera de nuestro alcance, sumado al hecho de que el uso de dichos fluidos requeriría de un motor hermético, lo cual sería complicado y costoso. Así mismo, para el proyecto sólo contaremos con un quemador y una cámara de combustión al aire libre, es decir, no aislada, haciendo que se pierda una gran parte del calor generado al medio ambiente, influyendo de forma negativa al rendimiento del modelo, mas no lo suficiente como para sea disfuncional.
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CAPITULO II Marco teórico 2.1. Antecedentes Desde su creación en 1816, la alta eficiencia y rendimiento del motor Stirling, han hecho de éste una alternativa doméstica para tareas como la generación de electricidad, propulsión de agua e inclusive de sistemas de ventilación. Sin embargo, la poca potencia que genera ha limitado su expansión hacia vehículos de distinta índole, siendo pocos los casos donde ha sido utilizado para tal propósito. No obstante, el motor Stirling ha sido de gran interés en el área de investigación científica, tal es el caso del libro Air Engines: The History,
Science and Reality of the Perfect Engine , publicado por la American Society of Mechanical Engineers (ASME) en el año 2001 y realizado por Theodor Finkelstein y Allan J. Organ, dos pioneros en la investigación, simulación y diseño de motores Stirling. En el libro, se muestra una breve evolución histórica de los motores térmicos, o de aire, mostrando algunos de sus modelos y aplicaciones en las épocas de su aparición, hasta llegar al primer motor Stirling, punto desde el cual se exponen los diferentes factores considerados para su diseño, desde su surgimiento hasta la actualidad, haciendo hincapié en los cambios más notorios y en cómo éstos influyeron en las especificaciones técnicas del motor. Del mismo modo, se muestra las aplicaciones de los motores Stirling a través de los años y las posibilidades de su uso contemporáneo y futuro, planteándolo como una alternativa de generación eficiente. En contraste a lo escrito en el mencionado libro, en la actualidad uno de los usos del motor Stirling se puede ver en diversos proyectos de generación eléctrica no contaminante, como es el caso del EnviroDish, un prototipo que se encuentra instalado en la Escuela Superior de Ingenieros de Andalucía, 6
España, y ha sido desarrollado por el Centro de Nuevas Tecnologías Energéticas. El dispositivo, instalado en el año 2004, consta de un disco paraboloide de 8,5 metros de diámetro y 57 metros cuadrados de área, que concentra toda la energía solar que refleja en un punto donde calienta un fluido de gas inerte a 800 grados centígrados y 200 bar. Este fluido acciona un motor Stirling que lleva incorporado un alternador con capacidad de generar 10 kilovatios a 400 voltios en corriente alterna. El dispositivo también permite generar calor simultáneamente, lo que ofrece amplias posibilidades para su futuro uso doméstico. A lo largo de los años, se han instalado otros prototipos similares en otras partes del mundo como Alemania, Francia, Chile y Argentina , aunque algunos bajo nombres y patentes diferentes, todos bajo el mismo principio de funcionamiento. Otro de los proyectos, es el SunPulse Water , una bomba de agua de 300 impulsada por un motor Stirling LTD (Low Temperature Differencial, bajo diferencial de temperatura) de 300 vatios, con un capacidad de bombeo de entre 15.000 a 400.000 litros de agua por día, dependiendo del modelo. Éste fue desarrollado por la empresa multinacional Tamera, con sede principal en el sur de Portugal, y fue implementado entre 2011 y 2012 e n países del medio oriente, como Palestina e Israel, y de áfrica, como Kenia. El proyecto, dio excelentes resultados en suplir de agua a comunidades donde su acceso era difícil debido a la falta de desarrollo tecnológico y de infraestructura. Es bien sabido que la incursión del motor Stirling en el campo vehicular ha sido infructuosa en comparación a las expectativas iniciales, pues la implementación del motor se comenzó en automóviles, usándolo como motor principal, donde su reacción lenta lo hacía inadecuado para tales máquinas. No obstante, los diversos vehículos aéreos no poseen este inconveniente pues, una vez iniciado el vuelo, el motor debe permaneces trabajando hasta que el trayecto culmine. 7
Sumado a lo anterior, diversos estudios realizados demostraron que, a diferencia de los motores de combustión interna, los motores Stirling ganan potencia a mayor altitud, pues el frío a altas temperaturas beneficia el ciclo del motor, razón por la cual aumentó su interés en el campo de la aeronáutica, pero no se ha desarrollado extensamente, sin embargo la compañía Air-corp, posee algunos modelos de motores de aviones a escala hechos con motores Stirling.
2.2. Evolución histórica de los motores Stirling A finales del siglo XVIII e inicios del XIX, fueron poco a poco apareciendo las máquinas de vapor, lo cual impulsó la industrialización de diversos procesos, causando un gran impacto en la sociedad. Este tipo de máquinas fueron implementadas en las áreas de transporte… siendo
ampliamente utilizada en el mundo. No obstante, las máquinas de vapor eran de gran tamaño y poca eficiencia, traduciéndose esto en costos operacionales por espacio y combustible, que no facilitaban el surgimiento de pequeñas empresas. Además, eran sumamente peligrosas, porque el material del cual estaban hechas las calderas no soportaba la excesiva presión generada, haciéndolas muy propensas a estallar, hecho que sucedió en diversas ocasiones cobrando la vida de varios trabajadores. Consciente de los defectos de la famosa máquina, sumado a la imposibilidad de desarrollar motores simples, económicos de construir y accesibles a pequeñas industrias, el reverendo escocés Robert Stirling se propuso, junto a su hermano, elaborar una máquina más eficiente y menos peligrosa que las existentes, pero con un principio de funcionamiento similar. Fue entonces en 1816 cuando presentó un motor térmico de combustión externa y ciclo cerrado, que constaba de dos pistones: uno en el cual se calentaba el aire haciendo que se expandiera y otro donde s e enfriaba
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haciendo que se contrajera. Entre ambos pistones, se hallaba un conducto que los conectaba, donde se encontraba un regenerador, un dispositivo que permitía una conservación de la diferencia térmica entre los pistones con mayor facilidad. Poco después de su aparición, los motores Stirling fueron implementados en diversas aplicaciones domésticas, tales como bombas de agua y ventiladores, así como en generadores eléctricos, y estuvieron en operaciones hasta finales del siglo XIX, cuando fueron desplazados por el motor de combustión interna, cayendo en el olvido. No fue sino hasta 1930, cuando la empresa Phillips empezó a interesarse en este tipo de motores, cuando el motor Stirling volvió a ser objeto de investigación. El principal interés de la compañía, era su uso como generador para las ostentosas radios de la época, pues era eficiente y silencioso. Sin embargo, debido al desarrollo de las baterías fue reemplazado a los pocos años, volviendo al campo de investigación hasta la década de los 80. Durante todos esos años, gracias a las inversiones de la empresa el motor pudo desarrollarse y mejorarse notoriamente, logrando la implementación de motores con sistemas de varios pistones, desarrollar el Stirling LTD (Low Temperature Differential), usar la criogenización par a enfriamiento y pudiendo usar el motor en diversos campos. En el campo vehicular, el motor Stirling fue implementado en la década de los 70 en automóviles, siendo inicialmente razonable la relación de costovelocidad-vida útil del motor, pero poco tiempo después no se continuó usando, debido a que la mencionada relación comenzó a desbalancearse en costos, comparándola con el motor de combustión interna, no sin mencionar que poseía una reacción lenta, lo cual lo hacía arrancar unos segundos después de accionado, siendo contraproducente.
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Por otro lado, en 1980 fue implementado exitosamente en un submarino Nacken, como generador, bajo el nombre de “ The Kockums Stirling AIP
System”. El modelo implementado ocupaba 8 metros del submarino y fue puesto a prueba durante algunos años. Éste dio resultados satisfactorios, por lo cual se decidió colocarlo en una flota completa de submarinos clase Gotland. En la actualidad, este tipo de motores han seguido desarrollándose en el campo de la investigación, pues se figuran entre una de las mejores alternativas de generación eléctrica no contaminante, a través del sistema Dish Stirling Engine, donde se usa un disco paraboloide para concentrar la radiación solar en un punto y calentar el motor. Así mismo, se usa en sistemas de refrigeración, aprovechando el calor de lo que se desea enfriar para su funcionamiento. Por otro lado, se figura su uso en aviones, pero ese campo no ha sido plenamente explorado, figurándose en un futuro algo lejano.
2.3. Principio de funcionamiento Los motores Stirling, funcionan aprovechando la variación volumétrica producida debido a los cambios de temperatura en fluidos. Éstos se expanden cuando su temperatura aumenta y se contraen cuando decae. Tomando esa propiedad, se crea un ciclo cerrado de expansión y compresión por variación térmica, en el cual la cantidad de aire en las cámaras es fija pero su volumen varía, junto a su presión, convirtiendo la energía calórica en energía mecánica gracias al uso de pistones y de un volante de inercia. Para explicar mejor lo anterior, se procederá a exponer las fases del ciclo por separado, usando algunos diagramas para referencia:
1- Fase 1: Si contenemos un gas como el aire, encerrado y se aumenta la temperatura, éste aumentara su volumen y la presión del sistema. Ahora imaginemos que el contenedor donde está el gas es un cilindro,
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y que una de sus tapas es un pistón hermético; entonces, la expansión del gas hará que el pistón se mueva hasta cierta posición.
Figura 2.1: Fase 1
2- Fase 2: Si al mismo sistema, en su estado de expansión, se le enfría velozmente, el volumen del gas y la presión generada por éste disminuye, permitiendo que el pistón regrese a su posición inicial.
Figura 2.2: Fase 2
3- Fase 3: Si el proceso de la Fase 1 se repite, pero ahora uniendo el pistón a un volante de inercia, el incremento de la presión forzará al pistón a moverse ocasionando el giro del volante, con lo cual se consigue que el cambio volumétrico se transforme en movimiento.
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Figura 2.3: Fase 3
4- Fase 4: Si se repite el proceso de la Fase 2, enfriando rápidamente el sistema, el pistón retorna por efecto del movimiento del volante y se produce la disminución de la presión y el volumen.
Figura 2.4: Fase 4
5- Fase 5: Si se juntan los procesos 3 y 4, en un solo cilindro, con un desplazador, se producirá el movimiento del motor debido a la expansión del gas, y, durante la compresión el pistón retornará a su posición debido a la energía de la volante
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Figura 2.5: Fase 5
2.4. Ciclo Stirling. Teórico y real. 2.4.1. Ciclo Teórico El ciclo ideal Stirling se compone de dos procesos isotérmicos y dos isométricos; la regeneración se efectúa a volumen constante, tal como se muestra en el gráfico siguiente:
Figura 2.6: Ciclo Ideal del Motor Stirling
En primer lugar se parte del estado 1. Los elementos son: cilindro, pistón, fluido, desplazador. Todo el gas está en la zona fría, y el pistón está en la posición inferior. El ciclo Stirling ideal se compone de cuatro procesos termodinámicos, de los cuales, dos son procesos isotérmicos (a temperatura constante) y dos son procesos isocóricos (a volumen constante). El motor Stirling ideal es un
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motor térmico cuya sustancia de trabajo es aire caliente (al que consideramos gas perfecto) y de esta manera, se tiene lo siguiente:
Proceso 1-2: Compresión isotérmica: Cuando el pistón pasa del estado 1 al 2, se realiza una compresión isotérmica a la temperatura más baja. El proceso está representado en el diagrama presiónvolumen anterior. Aquí se le extrae calor al ciclo. (El trabajo consumido en este proceso es igual al calor rechazado en el ciclo.)
Figura 2.7: Proceso de compresión isotérmica
Proceso 2-3 Calentamiento isocórico: Si se mantiene fijo el pistón y se mueve el desplazador, se hace pasar todo el fluido a la zona caliente, obteniendo un proceso isométrico en el que aumenta la presión sin cambiar el volumen. Aquí el regenerador entrega calor a la sustancia de trabajo, elevando su temperatura de Tmin a Tmax.
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Figura 2.8: Proceso de calentamiento isocórico
Proceso 3-4 Expansión isotérmica: En este momento, se puede obtener una expansión isotérmica a la temperatura superior haciendo bajar juntos al pistón y al desplazador. En este proceso se le entrega calor externo a la sustancia de trabajo.
Figura 2.9: Proceso de expansión isotérmica
Proceso 4-1 Enfriamiento isocórico: Moviendo el desplazador al estado inicial, se obtendrá otro proceso isométrico que finalizará el ciclo termodinámico representado por el proceso 1-4. (Aquí el regenerador absorbe calor.) 15
Figura 2.10: Proceso de enfriamiento isocórico
Con los cuatro procesos ya descritos anteriormente se ha cumplido un ciclo idealdel motor Stirling, es decir que se asume una r egeneración perfecta, en donde el calentamiento a volumen constante del fluido de trabajo sería igual al calentamiento del regenerador a volumen constante, teniendo así un diagrama P-V y un diagrama T-S, de la forma:
Figura 2.11: Gráficas del ciclo ideal del motor Stirling
2.4.2. Ciclo Real El diagrama de un ciclo Stirling real, se asemeja mucho más al de la figura siguiente:
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Figura 2.12: Ciclo real del motor Stirling
En la realidad, dentro de un motor Stirling los procesos no son ideales, esto se debe a irreversibilidades y efectos principalmente de transferencia de calor que no permiten que los procesos sean isotérmicos o isocóricos, las principales causas que generan que el ciclo no sea ideal son: Transferencia de Calor Incompleta en el Enfriamiento: Idealmente en este proceso, el aire es comprimido por un rechazo de calor a un sumidero a temperatura constante, sin embargo esto no sucede. No todo el fluido desplazado se mantiene a una temperatura constante durante este proceso, esto se debe a la resistencia térmica de los elementos que transfieren el calor y la resistencia térmica del mismo fluido. Lo cual lleva a que la temperatura global del fluido sea mayor a la del sumidero.
Transferencia de Calor Incompleta en el Calentamiento: Idealmente en este proceso, el aire es expandido por una ganancia de calor de una fuente a temperatura constante, sin embargo esto no sucede. No todo el fluido desplazado se mantiene a una temperatura constante durante este proceso, debido a la resistencia térmica de los elementos que transfieren el calor y la resistencia térmica del mismo fluido. Haciendo que la temperatura global del fluido sea menor a la de la fuente.
Eficiencia de la regeneración: Idealmente se considera una regeneración completa, esto quiere decir que el fluido transfiere calor al 17
regenerador a volumen constante disminuyendo la temperatura de TH a TL , luego todo este calor que gana el regenerador es transferido al fluido de nuevo para incrementar la temperatura a volumen constante de TL a TH. Sin embargo esto no sucede, el fluido solamente transfiere una cierta cantidad de calor al regenerador y este transfiere una cantidad menor de nuevo al fluido. Con esto se habla de una eficiencia del regenerador.
Fugas del fluido: Uno de los retos de un motor Stirling es alcanzar la estanqueidad del fluido en la cámara. Esta falta de estanqueidad dentro del sistema da lugar a que en la expansión del fluido disminuya la presión alta y en la compresión aumente la presión baja.
Volúmenes muertos: En el ciclo ideal se considera que todo el aire dentro de la cámara va a enfriarse y calentarse, sin embargo existe cierta cantidad de aire que no cumple o no se ocupa para el ciclo, esto reduce el trabajo de salida del motor. Por esta razón es necesario disminuir al máximo estos espacios muertos.
Fricciones: Dentro de un motor Stirling didáctico, este puede ser el factor decisivo para que el mismo funcione o no, estas irreversibilidades generan un trabajo negativo para el motor y pueden ser tan grandes que evitarían el funcionamiento del mismo, por esta razón se deben eliminar todo tipo de fricciones indeseables del sistema.
Movimiento del pistón: El mecanismo usado para transmitir la potencia, genera una variación del ciclo ideal, dependiendo de la naturaleza del mismo. Tomando en cuenta lo mencionado anteriormente, el ciclo de Stirling
real va a ser diferente a un ciclo ideal, causando una disminución del trabajo efectivo del ciclo. El trabajo efectivo corresponde al área sombrada delimitada por los procesos 1’ -2’ compresión, 2’-3’ ganancia de calor en regenerador, 3’4’ expansión, 4’ -1’ rechazo de calor en regenerador.
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Figura 2.13: Ciclo de Stirling real (1’-2’-3’-4’) sobrepuesto al ideal (1-2-3-4).
2.5. Componentes claves que conforman el motor
Fuente externa de calor : Para funcionar, el motor Stirling requiere de una fuente de calor externa la cual permita aumentar la temperatura del cilindro desplazador, por ende logrando expandir el fluido de trabajo. Dicha fuente térmica puede ser de cualquier índole, bien sea generada por combustión, luz solar, fuentes geotérmicas, energía nuclear, entre otras; el desarrollo de estos motores ha llegado al punto de poder crear algunos modelos recreativos que funcionan con el calor de la mano.
Intercambiador de calor: No es más que dispositivo el cual se facilita la transferencia del calor de un medio hacia otro, siendo éste la fuente térmica, el motor, el ambiente y/o un sistema de refrigeración. Esto co n el objeto de mantener la diferencia de temperatura entre la zona fría y caliente del motor. En motores pequeños de baja potencia, puede ser simplemente las paredes de la zona caliente o fría, sin embargo en motores de con requerimientos más altos de potencia suele ser un sistema más complejo con materiales de alta conductividad térmica, que faciliten la inclusión o disipación del calor.
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Zona Caliente: Es la parte del motor que debe ser calentada o que debe mantener la mayor temperatura, de modo que el fluido de trabajo aumente su volumen y ejerza presión sobre el sistema.
Zona Fría: Es la parte del motor que, en comparación a la Zona Caliente, posee una menor temperatura, lo cual permite que el fluido de trabajo disminuya su volumen y sea comprimible, ejerciendo presión sobre el sistema.
Pistón de potencia: Es un componente móvil, el cual se mueve de un extremo a otro del cilindro en cual se encuentre. Dependiendo del tipo de motor Stirling puede ser encontrado sólo en la Zona Fría o en ambas zonas. El movimiento del pistón, hace que el volumen del fluido de trabajo varíe, pues el espacio entre el pistón y el cilindro no es lo suficientemente grande como para dejar algún espacio que lo permita. La presión que ejerce el fluido de trabajo al expandirse sobre el pistón y la que ejerce el pistón sobre el fluido estando éste frío, es lo que permite la generación de potencia en el motor, pudiendo comparar el pistón de un motor Stirling con aquellos de un motor de combustión interna.
Desplazador: El desplazador, es un pistón especial cuyo propósito en el motor es mover el fluido de trabajo entre la Zona Caliente y Fría del motor, lo cual facilita el uso de la presión del gas en el ciclo del motor, por parte del pistón de potencia. El desplazador posee una cierta holgura, lo cual permite que el fluido de trabajo pase a través del espacio entre la pared y el pistón sin variar notablemente el volumen. Así mismo, la presión ejercida sobre el desplazador por la expansión del fluido es despreciable en comparación a la del pistón de potencia, pues la mayor parte logra escaparse por la apertura existente.
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Regenerador: Considerada una de las partes más importantes del motor Stirling, al punto de que un motor de sin esta pieza no suele denominarse un motor Stirling. Es un intercambiador de calor colocado internamente, entre la Zona Fría y la Zona Caliente del motor, cuya función es la de aumentar la eficiencia térmica del motor “reciclando” el calor que posee
el fluido de trabajo cuando pasa a través de él, a través de la retención y entrega del calor. Su funcionamiento consiste en: cuando el regenerador está frío, el desplazador hace que circule a través de él el fluido caliente, el cual transfiere parte de su calor y se enfría. En este momento el regenerador se calienta y el fluido pasa a la Zona Fría. Luego, el fluido frío, impulsado por el pistón de potencia, vuelve a pasar a través del regenerador, el cual se encuentra caliente y cede su calor, haciendo que el fluido se caliente y el regenerador se enfríe. En este punto se reinicia el ciclo, pues el regenerador se enfría y el fluido pasa a la Zona Cliente. El regenerador suele estar hecho rejillas de materiales altamente conductores de calor, como el cobre, de manera tal que se asegure la mejor transferencia térmica mientras que no se ocupa mucho espacio en el motor ni se impide el paso del fluido de trabajo, pues esto se requeriría una mayor potencia para hacerlo circular.
Volante de inercia: Este componente, es una masa inercial a la cual se le acoplan el (o los) pistón(es) y el desplazador (en caso de haber uno). En el motor Stirling, suele haber solo un pistón generando potencia en un tiempo, por ende la función del volante de inercia es la de almacenar parte de la energía generada por el pistón, en forma de energía cinética, para luego liberarla hasta que el pistón vuelve a generarla. Gracias a esto, la fluctuación de la velocidad del motor es reducida considerablemente.
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Otra de las funciones del volante de inercia, es ser usado como salida de la potencia generada por el motor, es decir, como acoplador en sistemas que utilizan la energía producida por el motor Stirling. No obstante algunos motores Stirling carecen de volante de inercia.
Bielas: Son las distintas piezas mecánicas que permiten transformar los movimientos lineales del pistón de potencia y del desplazador en movimiento de rotación y viceversa. Sin ellas el volante de inercia no pudiera funcionar con facilidad y efectividad.
2.6. Clasificación de los motores Stirling 2.6.1 De pistón Este tipo usa el pistón para mover el fluido de trabajo desde la Zona fría hasta la Zona Caliente y viceversa
Alfa: La característica principal de este motor, es que posee dos pistones de potencia, uno en cada zona en cilindros separados. El fluido de trabajo es intercambiado entre los cilindros por un conducto que existe entre ambos, donde se encuentra el regenerador. Ambos pistones se conectan al mismo volante de inercia, normalmente en el mismo punto. Una de las aplicaciones de este tipo, es el motor de doble acción, donde cada lado del pistón está en contacto con el fluido de trabajo, por lo que su movimiento ejerce una presión tanto en un sentido como en otro.
2.6.2. Con desplazador Este tipo posee un pistón de potencia y un desplazador para mover el fluido de trabajo. Pueden ser calificados en:
Beta: Su característica principal es que tanto el pistón de potencia como el desplazador se encuentran en el mismo cilindro de acción. El pistón de potencia posee un espacio por el que pasa el vástago que mueve al 22
pistón desplazador. Ambos pistones se conectan al mismo volante de inercia en puntos diferentes.
Gamma: Se diferencia del Beta, en que al pistón desplazador es de mayor tamaño que el pistón de potencia, ambos se encuentran en cámaras o cilindros separados conectados por un conducto donde se coloca el regenerador. Aparte, ambos pistones se conectan a un cigüeñal el cual a su vez está unido al volante de inercia. Uno de los más conocidos en el mundo son los LTD, Low Temperature
Differential, debido a su simpleza de construcción la cual permite la fácil elaboración, pero suele ser en su mayoría con propósitos recreativos.
Ringbom: Es similar a la configuración Gamma, con la diferencia de que el desplazador es un poco más grande y no está mecánicamente vinculado al pistón de potencia, por lo que su movimiento es resultado de la expansión del fluido de trabajo y de otra fuerza externa, como lo puede ser un imán.
Delta: Es una configuración propuesta, donde el motor posee un desplazador, pero también posee dos pistones de potencia: uno para la Zona Fría y oro para la Zona Caliente.
2.6.3. De pistón libre Este tipo de motores no posee ningún tipo de pistones acoplados a un volante de inercia, ni entre ellos, por lo cual suelen depender de la fuerza que ejerce el gas sobre ellos y de otros dispositivos como imanes y resortes. Además, el hecho de no estar conectados al volante de inercia elimina la conversión de movimiento lineal a rotacional, por lo que para su
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aprovechamiento suelen usarse algunos dispositivos coaxiales con el pistón, como lo son los alternadores lineales, para aprovechar el trabajo del motor.
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CAPÍTULO III Procedimiento experimental 3.1. Materiales utilizados.
Latas variadas: de refresco y alimentos.
Alambre de acero
Alambre de aluminio
Alambre de cobre
Ángulo de aluminio
Tubos plásticos
Tubos de metal
Láminas de MDF
Botella de vidrio
Pegamento epóxico
Silicón de alta temperatura
CD
Cinta adhesiva
3.2. Procedimiento de elaboración 3.2.1. Elaboración de las piezas del motor 1. Con la ayuda de un corta vidrio, se cortó la parte inferior y el pico de la botella
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Figura 3.1: Botella de vidrio cortada
2. Posteriormente se cortaron las latas, dejando sus extremos inferiores
Figura 3.2: Latas cortadas
3. Usando una sierra caladora se procedió a cortar las láminas de MDF en círculos, dejando uno más pequeño de manera que entrara dentro de la botella. A cada lámina de le realizaron unas perforaciones con un taladro
Figura 3.3: Círculos de MDF
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4. Se cortaron dos piezas del ángulo de aluminio, y a cada una se le realizó una perforación en uno de sus extremos.
Figura 3.4: Ángulos de aluminio cortado
5. Finalmente se cortaron los tubos de metal
Figura 3.5: Tubos de metal cortados
6. Para elaborar el pistón desplazador, se tomaron 2 fondos de latas de refrescos y se les perforó el centro.
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Figura 3.6: Perforaciones en los fondos de lata
Luego se pasó un alambre de acero a través de las perforaciones, y se fijó con pea epóxica a uno de los fondos de lata
Figura 3.7: Elaboración del pistón desplazador
Para completar el pistón desplazador, se unieron ambos fondos de lata con cinta adhesiva resistente al calor
Figura 3.8: Pistón desplazador
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7. Para elaborar el pistón de potencia, simplemente se rellenó uno de los tubos de metal con expóxico.y se le adhirió un alambre de acero.
Figura 3.9: Pistón de potencia
8. Para la parte superior, se pegó el círculo pequeño de MDF a uno más grande.
Figura 3.10: Círculos de MDF previo a su unión
Luego, se pegó a la parte superior los ángulos de aluminio, uno frente a otro y el tubo de metal.
Figura 3.11: Parte superior del modelo, hecha con los círculos de MDF pegados, ángulos de aluminio y los tubos de metal cortados.
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3.2.2. Ensamblaje del modelo 1) Usando silicón de alta temperatura, se fijó un fondo de lata de alimentos al lado más estrecho de la botella cortada.
Figura 3.12: Cámara de la Zona Caliente del motor
2) Con un alicate y una prensa, se tomó un pedazo de alambre de aluminio y se fabricó el cigüeñal. Nótese como colocamos dos tubos de plástico para hacer de bielas
Figura 3.13: Cigüeñal
3) Usando las mismas herramientas, se colocaron los mismos tubos plásticos al desplazador y al pistón de potencia
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Figura 3.14: Bielas en los pistones del motor
4) Luego, se colocó todo en la parte superior, usando los ángulos de aluminio como soporte para el cigüeñal. 5) Después, con silicón y epóxico se adhirió la parte superior a la botella de vidrio previamente sellada.
Figura 3.15: Fijación de la parte superior e inferior del motor
6) Finalmente, haciendo uso de dos fondos de latas de refresco perforados y epóxico, se pegó el cd al alambre del cigüeñal 7) Para el soporte se usó uno de los círculos de MDF y se moldeó alambre de cobre para hacer las patas
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Figura 3.16: Soporte del motor
EL modelo terminado, queda así
Figura 3.17: Modelo del Motor Stirling terminado
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CAPÍTULO IV Análisis del funcionamiento 4.1. Funcionamiento observado El modelo realizado, logra comenzar a funcionar de la siguiente forma: 1. Se calienta la parte baja del motor con una fuente externa de calor, en este caso una vela, por 15 minutos. 2. Se hace girar unos 90° el volante de inercia para poder dar inicio al ciclo del motor. 3. Una vez se logra inicia el motor anda a una velocidad constante hasta que la fuente de calor se extinga o se retire, lo cual produce un notable descenso en su velocidad Basándonos en la teoría, podemos notar que este movimiento inicial lo que permite es que el desplazador actúe sobre el aire caliente de la cámara donde se encuentra. Una vez que baja el desplazador, el fluido de trabajo es empujado hasta la parte superior del mismo, luego al desplazador subir, parte del fluido de trabajo se escapa por el agujero que conecta la zona caliente con la fría, llenando ésta última con el aire caliente, empujando el pistón de potencia. Luego, el aire en la zona fría del motor, es empujado nuevamente hacia la cámara de la zona caliente, lo cual ejerce cierta presión sobre el pistón desplazador, facilitando su movimiento hacia abajo, el cual reinicia el ciclo.
4.2. Ventajas y desventajas del motor Stirling 4.2.1. Ventajas
El motor Stirling funciona con una fuente de calor externa, por lo cual se puede usar cualquier elemento que genere el calor suficiente para dicha tarea.
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A pesar de trabajar con calor, es un motor muy seguro, puesto que la presión interna no logra romper las cámaras del motor.
En comparación a otros motores, el motor Stirling es fácil de hacer.
Este motor es silencioso, a diferencia de los motores de combustión interna.
El rendimiento del motor es bastante bueno, considerando que se usó aire como fluido de trabajo.
4.2.2. Desventajas
El motor Stirling tarda en alcanzar su velocidad máxima, es difícil limitar dicha velocidad y mantenerla a una inferior, por lo cual su uso es más factible en su velocidad máxima. La respuesta lenta del motor Stirling lo hace más factible cunado se usa en procesos a velocidades constantes.
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CONCLUSIÓN En base al modelo construido se puede concluir que el motor Stirling fue una mejora al concepto del motor de vapor en términos de rendimiento y de seguridad, pues el uso de un gas inerte encerrado entre dos cámaras, y la implementación de un ciclo termodinámico cerrado, logra mantener en funcionamiento el motor mientras exista una fuente de calor que aumente la temperatura del fluido de trabajo. Sin embargo, la elaboración de un modelo de mayor potencia requiere la implementación de técnicas avanzadas para lograr la completa presurización del sistema, mientras se mantiene la fricción en niveles bajos, lo cual implica que el costo de fabricación para trabajos de alta potencia es elevado. Por otro lado, su uso en generadores eléctricos es bastante efectivo, por lo cual este motor debe ser visto como una fuente de alimentación de otro eléctrico el cual haga el trabajo que se requiere. En síntesis, este motor en la actualidad un campo de usos reducidos, pero en dichos usos se destaca notablemente sobre otros motores más ruidosos, ineficientes y de alto consumo, por lo tanto aunque su fabricación sea costosa, a la larga la escasa necesidad de mantenimiento lo presenta como una opción factible
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