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Motor Stirling INGENIERÍA MECATRÓNICA TERMODINAMICA

Testa Morales Mario Alberto Ramírez Carballo Aaron

El Marqués, Querétaro.

enero-mayo 2019

ANTECEDENTES El motor de aire caliente es fruto del sentido común, como no podía ser de otra manera en una época en la que la ciencia termodinámica estaba todavía en sus comienzos y las personas reconocidas como ingenieros estaban acreditadas más por sus inventos y desarrollos que por diplomas obtenidos en las incipientes escuelas de ingeniería que aparecían aquí y allá en toda Europa. En 1807 el inglés Sir George Cayley escribió un artículo donde se describía por primera vez, acompañado de un esquema, el funcionamiento de un motor de aire caliente. “El aire aumenta de volumen al calentarse y se reduce al enfriarse y estas propiedades debieran poderse aprovechar para obtener energía cinética”. En 1816, el clérigo escocés Robert Stirling (1790-1879) comenzó a trabajar con su hermano James en un motor que llevara a la práctica estas ideas y lo patentó en 1827. Los dos primeros principios de la termodinámica fueron publicados en Francia por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 en su obra titulada “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia”. El primer motor de los hermanos Stirling constaba de dos cilindros. En uno de ellos el aire se calentaba y se enfriaba alternativamente. Cuando el aire se expandía, actuaba sobre el otro cilindro. Los Stirling construyeron varios motores, pero nunca llegaron a producirlos en masa. El más grande de ellos tenía una potencia de 21 caballos; su cilindro principal tenía un diámetro de 40 cm y el recorrido del émbolo era de 120 cm. El motor Stirling fue superado progresivamente por otros tipos de motores hasta el punto de desaparecer prácticamente de escena hacia 1930. Por muchos años el ciclo Stirling tuvo sólo un interés teórico. El siguiente desarrollo importante fue el de la casa holandesa Philips. Esta empresa estaba buscando una fuente de energía que hiciera funcionar un pequeño generador con el que proveer de electricidad a las radios de válvulas que fabricaba y que pretendía vender en países con escasa implantación de la red eléctrica. La idea era prometedora pero la aparición del transistor, en los años cincuenta, dio al traste con esta aspiración. Se decidió entonces buscar otras aplicaciones como la de propulsar vehículos militares o pequeñas embarcaciones de recreo. Durante los años sesenta y setenta se llegó al empleo del motor Stirling en vehículos, especialmente camiones y autobuses, donde el mayor peso de estos motores con respecto a los de combustión interna era menos crítico. No obstante también se investigó su implantación en automóviles civiles. El Opel Kadett híbrido Stirling – Eléctrico experimental de 1969. También Ford instaló en 1976 un motor Stirling experimental de 170 CV en su modelo Torino. El motor de 4 cilindros tenía un desplazamiento de 860 cm3 y funcionaba con hidrógeno como fluido de trabajo. La máxima presión de operación en el ciclo era de unos 18 MPa y la temperatura del foco caliente era de aproximadamente 760ºC. Posteriormente el DOE (Department of Energy) y la NASA iniciaron juntas a partir de 1978 un programa impulsado por el gobierno norteamericano para la creación de un motor Stirling de aplicación en automoción. Inicialmente el interés se centró en desarrollar la tecnología para sustituir ventajosamente al motor de combustión interna en los automóviles y para ello debía superarlo con un menor consumo de combustible, menores emisiones de contaminantes a la atmósfera, tener unas prestaciones similares o superiores a los motores convencionales (mismo orden de tiempo necesario para acelerar, potencia, etc) y debían poderse producir en masa a costes razonables.

Los flujos de calor en los motores Stirling se realizan a través de intercambiadores, por lo que no tienen una relación peso a potencia muy favorable (salvo, quizá, para camiones y autobuses o aplicaciones estacionarias como generadores y bombas). Los pistones no se lubrican para evitar la obstrucción en el regenerador, lo cual (ligado a las altas presiones y temperaturas del ciclo) obligan a buscar en el diseño un compromiso razonable entre la fricción y las holguras dimensionales entre el pistón y cilindro. Por otra parte los motores Stirling pueden operar con casi cualquier fuente de calor, desde la solar (sin emisiones a la atmósfera) a cualquier tipo de combustible. En este último caso todavía serían considerados como motores de combustión externa y tienen notables ventajas respecto a los motores de combustión interna como los de uso común en automoción. Al ser la llama exterior y a presión atmosférica es más fácil regularla adecuadamente para que el proceso de combustión sea mucho más completo y emita la menor cantidad posible de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxido de nitrógeno. Los motores Stirling son además silenciosos, fiables y de larga vida. En ellos no se producen explosiones internas, con grandes gradientes de presión y temperatura en un instante corto del ciclo que alteren la lubricación y refrigeración. Se pueden equilibrar dinámicamente de forma muy sencilla, de manera que se reduzcan las vibraciones en funcionamiento. Actualmente hay un renovado interés por los motores Stirling para generación de electricidad a partir de la energía solar térmica. Un ejemplo lo encontramos en los generadores que fabrica y comercializa la compañía alemana SOLO. En estos se hace coincidir el foco caliente del motor con el foco geométrico de un paraboloide de espejos de grandes dimensiones que debe ser orientado convenientemente respecto al sol.

OBJETIVO GENERAL Diseñar, elaborar e implementar un motor Stirling modelo gamma como maquina térmica de bajo costo.

INTRODUCCIÓN Hay básicamente 3 tipos diferentes de motores Stirling. Sus diferencias son meramente constructivas y se denominan motor alfa, motor beta y motor gamma. El motor alfa tiene dos pistones de potencia. Se construye habitualmente con dos cilindros a 90º, uno para cada pistón. Uno de ellos es el cilindro caliente y el otro el cilindro frío de la máquina. Están interconectados a través de un regenerador que comunica las dos cámaras. Cada pistón necesita su sello para asegurar la estanqueidad y esto supone una desventaja respecto a los otros tipos beta y gamma que sólo tienen un pistón de potencia. El tipo beta tiene un solo pistón de potencia y un pistón desplazador. La misión de éste último es desplazar el fluido para que atraviese sucesivamente, y de forma síncrona con el movimiento del pistón de potencia, los intercambiadores y el regenerador para completar el ciclo termodinámico. El tipo gamma es casi idéntico al beta. Tan solo se diferencia de éste en que el pistón de potencia y el desplazador operan en cilindros distintos, lo cual significa una simplificación constructiva al no tener que atravesar el vástago del desplazador al pistón de potencia. Por esta razón es el favorito de los aficionados que lo consideran más versátil para hacer modelos miniatura. Sin embargo el volumen necesario

para conectar los dos cilindros es un espacio indeseable que se añade al volumen muerto total y que conviene minimizar. Nosotros analizaremos el motor Gamma Fig.A

Fig-A

MARCO TEÒRICO TERMODINAMICA La termodinámica es la ciencia general de la energía. Estudia las diversas manifestaciones de la energía y la transformación de un tipo de energía en otro. La termodinámica es una de las áreas básicas de la física, dado que prácticamente no existe un proceso físico sin transformación de energía. Procesos termodinámicos. Existen diversos factores llamados variables de estado que determinan la condición física de un gas, como son: Presión, volumen, temperatura y cantidad de materia o sustancia. Se han realizado diversos estudios sobre las interacciones de estas variables, dando como resultado la formación de tres leyes: Ley de Boyle, ley de Gay Lussac y Ley de Charles, que a la vez dieron pie a la conformación de los procesos termodinámicos, los cuales son:  Proceso Isotérmico.  Proceso Isométrico o isocórico  Proceso Isobárico. Para efectos de este trabajo, nos concentraremos en dos tipos de procesos, que parten de la Primera Ley de la termodinámica, la cual enuncia que la energía debe conservarse en cualquier proceso termodinámico. Dichos procesos son el Isotérmico y el Isocórico o Isométrico. Los procesos isométricos se observan en el funcionamiento del motor al calentar y enfriar el fluido de trabajo a volumen constante. Este proceso es comúnmente

conocido como Ley de Gay Lussac en donde la presión absoluta del gas es directamente proporcional a la temperatura. Y como sabemos aquí el volumen es constante. 𝑃1 𝑃2 = 𝑇1 𝑇2 Los procesos isotérmicos, apreciables en la compresión y expansión del fluido a temperatura constante, también son conocidos como Ley de Boyle “El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta que se le aplique”. Recordemos que la temperatura es constante.

𝑃1 𝑉1 = 𝑃2 𝑉2 Mediante estos principios, es más fácil entender el funcionamiento del motor Stirling, el cual se basa primordialmente en la variación de presión a causa de los cambios de temperatura. MAQUINA TERMICA Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para tal efecto, utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica para que ésta pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo. Un problema que presentan las máquinas térmicas en el ámbito práctico es que están sujetas a un gran número de adversidades como la fricción, la pérdida de calor por conducción y la radiación, que impiden que dichas máquinas trabajen a su máxima eficiencia.FIG1

Fig.1

MOTOR STIRLING Se define al motor Stirling como un dispositivo que convierte energía calorífica en trabajo mecánico y viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo el cual se compone de movimientos de compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del foco frío.

EFICIENCIA TERMICA La eficiencia termodinámica del ciclo Stirling es prácticamente igual a la de un ciclo de Carnot, trabajando a las mismas temperaturas de las fuentes de calor, lo cual se debe principalmente a lo hermético del aparato y al proceso denominado regeneración en el que se utiliza una misma cantidad de fluido en todo el proceso de calentamiento y enfriamiento del gas, evitando de tal forma la pérdida de calor del sistema. Una máquina térmica recibe una cantidad determinada de calor, pero debido a inevitables pérdidas por fricción, lo puede convertir en una cierta cantidad disminuida de trabajo mecánico, estando de tal forma siempre presente el calor que no se aprovecha. La fórmula para el cálculo de la eficiencia térmica es: 𝑾𝒏𝒆𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝜼𝒕𝒆𝒓 = 𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 Tambien se puede expresar como: 𝑸 𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝜼𝒕𝒆𝒓 = 𝟏 − 𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂

MATERIALES -3 latas de aluminio -Codo -Hilo de naylon -globo hinchable -Cd reciclado -Tornillo, tuerca y rondanas -Pegamento -Lana de acero -Silicon -Vela -Alambre -Otros

DESARROLLO Procederemos a hacer la parte física del motor Stirling: 1. Primero procedemos a hacer la cámara de presión y el cilindro de fuerza, donde se calentara el aire y la transmisión de trabajo hacia el pistón. 2. Cortamos las latas y en una ponemos la lana de acero y en la otra será nuestra cámara. 3. Cortar las latas por su parte superior.

4. Posteriormente agujerar una de ellas en su base por la parte central con un alfiler. 5. La segunda lata debe ser agujerada por uno de los costados y se le pondrá el codo pegado con plastiacero. 6. Hacemos el pistón pistón con otra lata de refresco, éste debe desplazarse de manera libre por el interior de la lata que tiene el codo.

7. Construimos la flecha o cigüeñal con el alambre con unas pinzas, la cual debe tener las siguientes dimensiones.

8. La lata con agujero en su base deberá de llevar 2 agujeros en sus extremos de tal manera que se encuentre uno a 180 grados del otro y a la misma altura, en estos agujeros se colocara la flecha o cigüeñal. 9. Con el hilo de nilón, sujetamos el cigüeñal al pistón, el pistón debe colocarse en la lata que tiene el codo y el hilo de nilón debe pasar por el agujero

10. Pegamos las lats una encimas de la otra y el torillo lo usamos para sujetar.

RESULTADOS

CONCLUSIONES

REFERENCIAS http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5134/fichero/1_Historia+y+descripcion.pdf Termodinámica. / Cengel, Yunus A.; Boles, Michael A.. -- 4a ed. -- México : McGraw-Hill, 2002. xxix, 827