motor stirling informe
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Motor Stirling Tipo Gamma
Jorge Chalen, Marco Malan, Martin Macías.
Universidad Internacional del Ecuador sede Guayaquil
Guayaquil, Ecuador
Motor Stirling Tipo Gamma 2
Introducción
En el siguiente informe detallamos el principio de funcionamiento de un motor Stirling
de tipo Gamma. Ya que esto es parte de nuestro proyecto de termodinámica, en el cual se nos
pidió elaborar cualquier proyecto donde se pueda ver la aplicación de los principios de la
termodinámica que hemos visto durante el transcurso de la materia.
En este tipo de motores Stirling, podemos ver la aplicación de la segunda ley de la
termodinámica, donde en su ciclo ideal este motor alcanzaría el rendimiento máximo teórico
conocido como rendimiento de Carnot.
En este informe trataremos sobre el funcionamiento del motor Stirling que hemos
elegido como proyecto, donde detallaremos el proceso de construcción del modelo gamma,
los cálculos que podemos realizar de nuestro proyecto, así como las ventas y desventajas de
un motor Stirling, y finalizaremos nuestro informe con unas conclusiones sobre el proyecto
realizado.
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Planteamiento del Proyecto
1.- Objetivos
El objetivo de este trabajo es investigar el funcionamiento del motor stirling a través
de la realización de una versión domestica construida con materiales de fácil acceso.
El determinar los fenómenos termodinámicos que se aplican en el proyecto, dándonos
una mejor compresión del mismo.
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Motor Stirling
2.- Introducción al Motor Stirling
El motor Stirling fue originalmente inventado por Sir
Robert Stirling, fraile escocés, hacia 1816. La patente de este
motor era el glamoroso final de una serie de intentos de
simplificar las máquinas a vapor. Stirling consideraba demasiado
complicado calentar agua en una caldera, producir vapor,
expansionarlo en un motor, condensarlo y mediante una bomba
introducir de nuevo el agua en la caldera.
Otro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales causados
frecuentemente por las máquinas a vapor, ya que aún no se había inventado el acero y las
calderas explotaban con facilidad.
El motor de Stirling realizaba 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. 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 especifica no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran magníficos.
La teoría física, el proceso Carnot, fue definido 40 años más tarde.
Perdió interés después del desarrollo del motor de combustión interna y ha retomado
interés en los últimos años por varias características muy favorables que tiene. En particular:
Rendimiento: el motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de
Carnot, lo cual le permite, teóricamente, alcanzar el límite máximo de rendimiento.
Fig. 1.0 Sir Robert Stirling
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Fuente de Calor Externa: este motor intercambia el calor con el exterior, por lo tanto
es adaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operación. Se han construido
motores Stirling que usan como fuente de calor la energía nuclear, energía solar, combustibles
fósiles, calor de desecho de procesos, etc. Al ser de combustión externa, el proceso de
combustión se puede controlar muy bien, por lo cual se reducen las emisiones.
Ciclo cerrado: el fluido de trabajo opera en un ciclo cerrado y la fuente de calor es
externa. Esto hace que este motor sea, potencialmente, de muy bajo nivel de emisiones.
Como contrapartida a estas características favorables, está el hecho de que el fluido de trabajo
es gaseoso, lo cual acarrea dificultades operativas. En la práctica, se ha visto que los fluidos
de trabajo viables son el hidrógeno y el helio, ambos por buenas propiedades termodinámicas.
2.1.- Que es un Motor Stirling?
Se define como motor Stirling como aquel dispositivo que convierte trabajo en calor o
viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión
cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco
caliente y la del foco frío. Es una máquina de combustión externa, o sea, puede adaptarse a
cualquier fuente de energía (combustión convencional o mixta, por ejemplo, con biomasa y
gas, energía solar), sin que ello afecte al funcionamiento interno del motor.
Fig. 1.2 Motor Stirling
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2.2 Tipos de Motores Stirling
Dentro de los principales tipos de stirling tenemos los que detallaremos a
continuación:
Motor Tipo Alfa:
Consta de dos cilindros independientes, sin desplazador, con dos pistones desfasados
90º. Uno de los cilindros se calienta mediante mechero de gas o alcohol y el otro se enfría
mediante aletas o agua.
Motor Tipo Beta:
Es el motor original de Stirling. Consta de un cilindro con una zona caliente y otra fría.
En el interior del cilindro está el desplazador. Los motores pequeños no suelen llevar
regenerador, y existe una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el
cilindro para permitir el paso del gas.
Fig. 1.3 Motor Stirling Tipo Alfa
Fig. 1.4 Motor Stirling Tipo Beta
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Motor Tipo Gamma:
Está derivado del beta, pero más sencillo de construir. Consta de dos cilindros
separados, en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en el otro el pistón de potencia
Fig. 1.5 Motor Stirling Tipo Gamma
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Funcionamiento de un Motor Stirling
3.- Funcionamiento
El principio del funcionamiento es tan sólo el calentar y enfriar un medio de trabajo,
sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido. Calentando ese medio provoca una expansión
del mismo dentro del motor. El medio de desplaza a otra parte del motor dónde es enfriado.
Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo. Ese cambio de volúmenes activa
un pistón de trabajo el cual ejerce el trabajo del
motor. El motor es hermético por lo que
siempre se utiliza el mismo medio en un
circuito cerrado (no hay escape del medio de
trabajo)
Fig. 2.0 Funcionamiento de un Motor Stirling
Regenerador:
Existe un elemento del motor, llamado regenerador, que, aunque no es obligatorio, permite
alcanzar mayores rendimientos. Éste, tiene la función de absorber y ceder calor en las
evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, con
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conductividad térmica despreciable. Divide al motor en dos zonas: zona caliente y zona fría.
El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría a lo largo de los diversos ciclos de trabajo,
atravesando el regenerador.
Ciclo de un Motor Stirling
El motor Stirling en su ciclo ideal es capaz de desarrollar el trabajo máximo posible
entre dos focos térmicos a distinta temperatura, conocido como rendimiento de Carnot, pero
que a diferencia del ciclo de Carnot poco útil técnicamente, el motor Stirling es capaz de
generar trabajo de forma práctica, pudiendo en algunos casos reales llegar al 80% del trabajo
máximo obtenible, lo que lo sitúa como una opción ante estos tiempos de necesidad de mayor
eficiencia energética y menor contaminación.
Desde el punto de vista termodinámico el ciclo de un motor Stirling consta de dos
procesos isocóricos y de dos isotérmicos.
El ciclo del motor Stirling está compuesto
por dos evoluciones a Volumen constante y dos
evoluciones isotérmicas, una a Tc y la segunda a
Tf.
El fluido de trabajo se supone es un gas
perfecto. En el ciclo teórico hay un aspecto
importante que es la existencia de un regenerador.
Este tiene la propiedad de poder absorber y ceder
calor en las evoluciones a volumen constante del
ciclo.
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Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior. Hay
algunos aspectos básicos a entender en la operación de un motor Stirling:
El motor tiene dos pistones y el regenerador. El regenerador divide al motor en dos
zonas, una zona caliente y una zona fría.
El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder calor y con
conductividad térmica despreciable.
El fluido de trabajo está encerrado en el motor y los pistones lo desplazan de la zona
caliente a la fría o viceversa en ciertas etapas del ciclo. Por lo tanto se trata de un ciclo
cerrado.
Cuando se desplaza el fluido desde la zona caliente a la fría (o al revés), este atraviesa
el regenerador.
El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga trabajo útil.
Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro del regenerador
es despreciable en el caso del ciclo teórico. Como en el ciclo real esto no ocurre, el
rendimiento es algo inferior.
En el ciclo teórico se supone que la eficiencia del regenerador es de un 100%. Es decir
devuelve todo el calor almacenado y además con recuperación total de temperaturas.
La descripción del ciclo es como se lo describe a continuación:
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El cilindro frío está a máximo volumen y el cilindro caliente está a volumen mínimo, pegado al regenerador. El regenerador se supone está "cargado" de calor. El fluido de trabajo está a Tf a volumen máximo, Vmax y a p1.
Entre 1 y 2 se extrae la cantidad Qf de calor del cilindro (por el lado frío). El proceso se realiza a Tf constante. Por lo tanto al final (en 2) se estará a volumen mínimo, Vmin, Tf y p2. El pistón de la zona caliente no se ha desplazado. En esta evolución es sistema absorbe trabajo.
Entre 2 y 3 los dos pistones se desplazan en forma paralela. Esto hace que todo el fluido atraviese el regenerador. Al ocurrir esto, el fluido absorbe la cantidad Q' de calor y eleva su temperatura de Tf a Tc. Por lo tanto al final (en 3) se estará a Tc, Vmin y p3. El regenerador queda "descargado". En esta evolución el trabajo neto absorbido es cero (salvo por pérdidas por roce al atravesar el fluido el regenerador).
Entre 3 y 4 el pistón frío queda junto al lado frío del regenerador y el caliente sigue desplazándose hacia un mayor volumen. Se absorbe la cantidad de calor Qc y el proceso es (idealmente) isotérmico. Al final el fluido de trabajo está a Tc, el volumen es Vmax y la presión es p4.
Finalmente los dos pistones se desplazan en forma paralela de 4 a 1, haciendo
atravesar el fluido de trabajo al regenerador. Al ocurrir esto el fluido cede calor al
regenerador, este se carga de calor, la temperatura del fluido baja de Tc a Tf y la presión baja
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de p4 a p1. Al final de la evolución el fluido está a Vmax, p1 y Tf. El regenerador sigue
"cargado" de calor.
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Capítulo 3
Diseño y construcción
Motor Stirling de Baja temperatura diferencial
Motor Stirling “de baja temperatura diferencial” muestra con un giro de la forma más sencilla de convertir la energía térmica en movimiento. Basado en el trabajo pionero realizado por el Dr. Senft en la Universidad de Wisconsin, este modelo ha sido meticulosamente diseñado.
Todos los motores Stirling requieren que un diferencial de temperatura manteniéndose entre las partes "calientes" y "frías" del motor. En la década de 1980, los profesores Ivo Kolin y Senft James desarrolló una serie de motores explorando la diferencia de temperatura mínima que podría llegar a funcionar. Diseño básico 13 Dr. Senft ha sido ampliamente copiado y ahora está disponible como un kit o motor completo de un número de fabricantes de motores del modelo. El calor de una taza de café es suficiente para alimentarlo. Si cuidadosamente construida, que incluso se extenderá desde el calor de tu mano.
El motor es de tipo de fractura del cilindro o gamma. El cilindro es bastante corto para su diámetro, y encierra una correspondiente carrera corta del desplazador. El pistón de potencia se ejecuta en un cilindro separado, mucho más pequeño, típicamente montado sobre la placa superior. La pared del cilindro desplazador se hace generalmente de plástico, que separa térmicamente las placas metálicas en los extremos calientes y fríos.
Al igual que con todos los motores Stirling, el ciclo tiene cuatro fases:
Expansión
Comenzamos con la mayor parte del gas en contacto con la placa caliente. El gas se calienta y se expande, impulsando el pistón de potencia hacia arriba.
Transferencia
El volante impulsor lleva a desplazar hacia abajo, transfiriendo el gas caliente en el extremo superior, frío del cilindro.
Contracción
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Ahora, la mayoría del gas que está en contacto con la placa fría. El gas se enfría y se contrae, dibujando el pistón de potencia baja.
Transferir
El volante impulsor lleva el desplazador hacia arriba, transfiriendo el gas enfriado de nuevo a la inferior, extremo caliente del cilindro.
La mayoría de estos motores tienen el pistón de potencia situado detrás de la rueda volante, donde puede ser la varilla de conexión unida directamente a otro de manivela en el lado del volante de inercia.
Ya que opera a temperaturas tan seguras, muchas partes del motor de temperatura baja diferencial, puede ser de plástico transparente o de vidrio. Esto hace que sea una demostración encantador y educativo del ciclo de Stirling, sin embargo, su poder débil hace que sea útil para poco más! Como con la mayoría de los motores Stirling, puede ser hecho para funcionar a la inversa si la parte inferior se enfría en lugar de calentar.
Este motor funcionará de muchas fuentes de calor, como el agua caliente, monitor de la computadora, la televisión y la mano humana.
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Datos técnicos
Especificaciones:
Altura: 9,5 cm Diámetro: 10 cm Tamaño del paquete: 10.5cm * 10.5cm * 10.5cm Peso del paquete: 265g Rodamientos de bolas: 2
Material:
Material del pistón: Grafito, esponja Material del cilindro de potencia: Acrílico, Aluminio Material del volante: Acrílico Piezas de metal: Aluminio, Acero inoxidable
Siendo un pistón flotante en una unidad de baja temperatura que podría funcionar incluso con implementos caseros
Así es el funcionamiento
El principio de operación de un motor Stirling es muy antiguo… y muy fácil! Desde hace más de 2000 años los egipcios usaban el principio de expansión del aire caliente para abrir las puertas de sus templos. Bajo el mismo principio trabaja el motor térmico que Robert Stirling patentó en 1816: Un quemador con combustible que calentaba el aire en el interior de un cilindro y que proveía de energía al motor que era activado por medio del giro de una rueda volante.
¡A pesar de su simple diseño, los motores Stirling son máquinas sorprendentes!
El aire dentro del cilindro de trabajo es calentado por medio de una llama y debido a su expansión, el aire impulsa los pistones de desplazamiento que de igual manera activan los pistones de trabajo. Los pistones de desplazamiento retornan a su posición original gracias a la rueda volante produciendo que el aire detrás de ellos se refrigere y generando vacío. Este vacío asegura que los pistones de trabajo regresen a su posición inicial. ¡Este proceso se repite continuamente y la máquina se pone en operación!
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Modo de operación de un motor a vacio.
El motor de vacío que fue patentado por Henry Wood en 1758 es normalmente llamado como motor tragallamas y pertenece al grupo de motores térmicos tal y como el motor Stirling. Similar al primer motor a combustión, la presión atmosférica conlleva la mayor parte del trabajo. Por medio de una válvula el pistón succiona la llama producida dentro del cilindro (el ruido típico producido aquí se asemeja al generado por un tractor tipo Lanz).
La llama calienta el aire en el cilindro y los pistones son presionados hacia atrás.
De esta manera se cierra la válvula conectada a la rueda volante y el aire contenido dentro del cilindro es nuevamente refrigerado. Los pistones retornan a su posición original gracias a la presión atmosférica. Cuando los pistones alcanzan su punto muerto, la válvula se abre nuevamente y el ciclo se repite nuevamente.
La rueda volante soporta la superación de ambos puntos muertos. Los modelos funcionales de motores de vacío son usados normalmente como motores estacionarios y son construidos con unos o más cilindros. Los motores de vacio también son usados en modelos históricos de tractores y de medios de transporte sobre rieles.
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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.
Motor Stirling Tipo Gamma 18
Recomendaciones
Motor Stirling Tipo Gamma 19
Bibliografía
Link de las fotos: http://www.animatedengines.com/ltdstirling.html
Link de la información: http://www.es.boehm-stirling.com/puntos-interesantes.html