En esta oportunidad nuestro grupo de trabajo del instituto TECSUP, en la especialidad de Procesos quimicos y metalurgicos tiene el objetivo de desarrollar un motor Stirling a base de conociminetos adquiridos en la web y usando materiales sencillos.

INTEGRANTES DEL GRUPO:

• PACCO RICALDI, Zulma Karen
• GIL CARDENAS, Gianella Stefany
• SALAZAR REQUEJO, Jose  
• GALLARDO CARRASCO, Felix Virgilio 
• CUSICUNA LUNA, Luis

 

INTRODUCCIÓN

El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempo de los egipcios para desarrollar un trabajo mecánico. Fue en la revolución industrial cuando las maquinas llamadas "térmicas" se estudiaron, 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.

El motor stirling era considerada una maquina mucho mas sencilla, barata y segura, donde la fuerza no fuera un factor tan decisivo diseñándose así ventiladores y bombas de agua basadas en el principio de la expansión y compresion del aire.

Años después perdió el interés debido al desarrollo del motor de combustión interna, pero en la actualidad se ha reconsiderado por muchas razones muy favorables que tiene, entre ellas podemos mencionar:

• Rendimiento: El motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, lo cual le permite, teóricamente, alcanzar el límite máximo de rendimiento.
• 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.
• 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.

HISTORIA

Robert Stirling  fue un clérigo Escocés que, heredando el interés de su padre por la ingeniería, diseño en 1816 un motor térmico que funcionaba sin peligro de las explosiones y quemaduras que tenia la maquina de vapor. Posteriormente seria el francés Sadi Carnot el que hiciera una interpretación teórica de su funcionamiento para comprender el fenómeno de producir fuerza motriz partiendo del calor que fluye entre dos focos a distinta temperatura.

¿QUE ES EL MOTOR STIRLING?

Es un motor de combustión externa frente a los tradicionales motores gasolina o diesel de combustión interna que mueven los vehículos. El motor opera con una fuente de calor externa que puede ser incluso solar o nuclear y un sumidero de calor, la diferencia de temperaturas entre ambas fuentes debe ser grande. En el proceso de conversión del calor en trabajo el motor de Stirling alcanza un rendimiento superior a cualquier otro motor real, acercándose hasta el máximo posible del motor ideal de Carnot.

a. Principios de funcionamiento:

El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio

de trabajo, ya sea aire, helio, 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 una 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.

TIPOS DE MOTOR

Todos los motores Stirling tienen un funcionamiento similar, pero se pueden clasificar en

diferentes tipos según la posición del pistón de potencia y el desplazador.
Los tres grupos en los que se pueden diferenciar estos motores son:

  MOTORES DE TIPO BETA:

  Este tipo de motor fue el diseño original que hizo Robert Stirling. 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.Este tipo de motor es el más eficaz, pero también el más complejo y voluminoso.

 MOTORES DE TIPO ALFA:                        

Este tipo, a diferencia del tipo beta, 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. El mecanismo de este tipo de motor es bastante sencillo, pero es complicado que no se escape el aire, sobretodo en el cilindro caliente, ya las altas temperaturas deterioran los materiales.

 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.

MOTOR RINGBOM:

 En 1905 Ossian Ringbom inventó un motor derivado del de tipo gamma, con una simplicidad mayor, pues el pistón desplazador no está conectado con el de potencia, sino que oscila libre movido por la diferencia de presiones y la gravedad. Posteriormente se fueron descubriendo pequeñas modificaciones en el motor Ringbom original, que posibilitaba un motor muy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma).

               

MOTOR DE PISTÒN LÍQUIDO:

En este tipo de motor se sustituye el pistón y el desplazador por un líquido.

Está formado por dos tubos rellenos de un líquidos; uno de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador.

 

 MOTOR STIRLING TERMOACUSTICO:

Probablemente es la evolución última de este motor en el que se simplifica al máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador y por lo tanto carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor original. Funciona gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí el nombre de “acústico”, merced al calor suministrado en el foco caliente.

¿PARA QUE SIRVE?

Los motores stirling son máquinas que utilizan calor de origen externo para generar potencia mecánica.Actualmente se utiliza motores Stirling para generar calor, para impulsar submarinos y próximamente como motores en automóviles híbridos. Sus aplicaciones son diversas, incluso existen pequeños motores capaces de funcionar con la temperatura de la palma de la mano y se han construido prototipos para corazones artificiales implantables.

¿COMO FUNCIONA?

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico.

EL CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del primer principio de la termodinámica están escritos acorde con el criterio de ciclo termodinámico.
Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T₁ de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T₁, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T₁ y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1 era ley de la termodinamica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo.

A continuacion mostraremos los pasos de la creacion de nuestros motores Stirling y cuando me refiero a motores es por que optamos por realizar dos tipos .

1. Motor Stirling con tubo de ensayo.

Materiales:

• Tubo de ensayo.
• Jeringa
•  Manguera de plástico 1m.
•   Canicas
•  Base de madera
•  Soporte para el tubo (metal,madera, plastico)
•  1 mechero o vela
• Clavos pequeños
• Herramientas de casa (martillo, alicates, desarmadores, tijera, cuchillas para cortar metal, arco y sierra, etc.)

Procedimiento:
1. Iniciamos con obtener una base de madera, luego unirla al soporte que sostendra al tubo, este soporte puede ser de plastico,metal o madera, primero lo intentamos con plastico.

    

 2. A continuacion, desaislamos cables para poder sujetar un soporte de plastico, pero ante todo tuvimos cuidado de no cortanos las manos con las navajas, como se muestra en la imagen.

  

3. Al colocar el soporte de plastico nuestro proyecto fallo por lo tanto decidimos cambiarlo por un soporte de metal.Luego pasamos a la parte del funcionamiento del motor.

Cambiamos de una jeringa de plastico a una de vidrio.

   2. Motor Stirling con latas.

Materiales:

2 latas de cerveza 335 ml.

1 lata de atún

1 lata de leche grande

2 Tapas de plástico circular una más grande que a otra.

Alambre Nº 14 1m.

Pegamento resistente a altas temperaturas SOLDIMIX

1 globo mediano

Brillo para lavar ollas

Manguera de plástico 1m.

Caña para pescar 20 cm.

1 Tornillo con 2 tuercas

1 mechero o vela

Lija para fierro

Herramientas de casa (martillo, alicates, desarmadores, tijera, cuchillas para cortar metal, arco y sierra, etc.)

PROCEDIMIENTO:

1. Coger una lata vacía y hacer, cortar la parte superior y moldear de tal manera que la superficie quede perfecta. Para guiarse se podría usar una mesa y ponerla boca abajo y verificar que no haya rendijas entre la mesa y la lata.
2. Cortar la parte superior de la lata de atún, vaciar el contenido y cortar la parte inferior en forma circular tomando en cuenta que el corte circular debe ser del mismo tamaño que la lata de cerveza ya cortada.

1. Ahora unir ambas latas (cerveza y atún) y sellar la parte inferior con el SOLDIMIX de tal manera que al echar el agua no caiga ni una sola gota. Dejar secar por 30 min.
2. Ahora coger la otra lata de cerveza y hacer los cortes respectivos tal como se aprecia en la imagen. Hacer un pequeño hueco en la parte inferior y al costado de la lata que será el lugar donde pase la manguera. Con una pequeña aguja hacer un agujero en la parte inferior de la misma lata, este será el conducto donde pase el hilo de pescar.

1. Coger la tapa más pequeña y hacer un hueco, del ancho de la manguera de plástico, al costado. Unir con la manguera y la lata con huecos; sellar cualquier parte en donde posiblemente haya fuga de aire, tanto en la tapa y la lata. Guiarse con la imagen que se mostró arriba.

1. Prepara el pistón con el globo y el tornillo con las tuercas, tal como se aprecia en la imagen. Tener en cuenta en esta parte que no debe haber fuga por el globo eso es muy importante.Ahora poner el pistón el la parte superior de la tapita en todo momento guiarse con las imágenes que mostramos.
2. A continuación mostraremos la imagen del armando completo para guiarse mejor en el armado del motor. Fijarse en los alambres y preparar cada uno de ellos tal y como aparece en la imagen, es muy importante.

SUGERENCIAS:

• En caso de probar el motor y este no funcionara, es probable que haya una falla en el pistón. Acomodar de una manera correcta o en todo caso fijarse que no haya ninguna fisura en el globo.
• Otro lugar donde puede haber fallas es el eje, es el más común, prepararlo correctamente guiándose con las imágenes ya presentadas.

A continuación daremos paso al análisis que se hizo con respecto al motor Stirling:

APLICACIONES:

Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan este principio, incluso algunos con base acústica.

En Argentina, la Universidad Nacional de General Sarmiento, elaboró un dispositivo mecánico de alta eficiencia para, a través de un disco Stirling generar electricidad^[ .

En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento.

Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica.

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.
• A más diferencia de temperaturas, mayor es el áera del ciclo termodinámico, Conforme la diferencia de temperaturas entre focos va aumentando, la velocidad del motor aumenta lentamente.