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CAPÍTULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El ser humano, en cualquier período se encuentra sumergido en la
búsqueda de tareas y acciones distintas, estableciendo nuevos objetos,
herramientas y otros elementos que faciliten sus acciones y rutinas
cotidianas; es así como a partir de la fabricación de diversas máquinas,
elementos mecánicos, eléctricos, electrónicos y nucleares, se
vienenjustificando diferentes modelos de mecanismos complejos de muchas
formas, materiales y tamaños, que afirman haberotras maneras de trasmitir
movimientos o velocidades los cuales están compuestos con ciertos
números de barras y eslabones como unión entre ellas.
En los últimos tiempos y debido en gran parte al aumento del precio
del petróleo (además de las grandes emisiones de dióxido de carbono a la
atmósfera que conlleva), se buscan nuevos métodos para la obtención de
energía. Muchos investigadores y empresas están retornando la vista atrás
en el tiempo volviendo a tomar diseños antiguos para mejorarlos y utilizarlos.
Tal es el caso del motor Stirling, inventado en 1816. Aparte de ser un motor
muy eficiente, en la práctica es el motor que más se acerca al rendimiento
perfecto (Ciclo Carnot). Es relativamente barato y sencillo de construir.
Estamos hablando además de un motor de explosión externa, con lo que
implica menos ruido, menos contaminación y menos vibración. Actualmente
en el Instituto Universitario De Tecnología Del Oeste “Mariscal Sucre”, como
instituto a nivel superior, en cuyo fin se encuentra preparar académicamente
a los estudiantes de las carreras de Ingenierías; Mecánica, Mantenimiento,
Eléctrica, Informática, Ferroviarias y Licenciatura en Administración. Se
puede notar, sin embargo que para nuestra enseñanza, no se encuentra
provisto de diferentes tipos de herramientas didácticas, para ayudar a la
1
comprensión de los conocimientos teóricos y fortalecerlos con las prácticas
en materias relacionadas con los temas de mucha importancia en la
ingeniería, como lo son los mecanismos.
Éste problema, sumerge al instituto Universitario de Tecnología del
Oeste “Mariscal de Sucre” en un nivel donde se imparte una formación
académica incompleta en los estudiantes de ingeniería mecánica y
mantenimiento mecánico, el alumno no vincularía con facilidad la teoría con
la práctica; el docente no evalúa directamente el conocimiento aplicado sobre
los diferentes mecanismos y la reacción de los mismos al aplicárseles
diferentes parámetros, cumpliendo a medias la Misión del instituto.
Es por esto que se plantean las siguientes interrogantes:
¿Un motor Stirling didáctico, realmente facilitaría la comprensión de unidades
curriculares de gran peso en la ingeniería mecánica como el de Máquinas
Térmicas?
¿Cuáles serían las características de ese mecanismo para cumplir con tal
fin?
¿Cuál será el motor Stirling más adecuado como herramienta didáctica para
la enseñanza dela unidad curricular Diseño de máquinas y sus análogas?
Es por esto que se propone diseñar y fabricar un Motor Stirling para
apoyar la enseñanza didáctica en los estudiantes de las carreras Mecánica
y Mantenimiento mecánico, en el Instituto Universitario de Tecnología del
Oeste “Mariscal Sucre” (IUTOMS).
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OBJETIVO GENERAL
Diseño y fabricación de un motor Stirling tipo alfa, PARA banco didáctico, A FIN DE EVALUAR SUSPARAMETROS dentro del laboratorio de maquinas térmicas de el P.N.F. Ing. Mecánica IUTOMS
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Elaborar marco teórico de motores.
Determinar los parámetros de diseño y de fabricación del motor Stirling tipo
alfa como banco didáctico.
Fabricar el banco didáctico
Medir presión y temperatura del motor Stirling como banco didáctico ya
fabricado.
JUSTIFICACIÓN
A medida que se avanza en el desarrollo industrial de los países, se
vuelve cada vez más importante contar con profesionales capacitados tanto
en una formación teórica como práctica. Debido a esto, las diferentes
instituciones de educación superior implementan maquinaria y laboratorios
para complementar la enseñanza teórica impartida por los profesores.
La mayoría de instituciones adquieren bancos de pruebas para sus
laboratorios en las diferentes áreas de ingeniería, generalmente en el
extranjero. Esto significa una mayor inversión por parte de la institución que
adquiere este equipo. Al observar esto, se decidió que una solución más
práctica sería que el Instituto Universitario de Tecnología del Oeste “Mariscal
Sucre” (IUTOMS) diseñara y construyera sus propios bancos de pruebas
para laboratorio.
3
En los últimos años, el consumo mundial de energía ha aumentado de
manera considerable. Determinados factores relacionados con los
combustibles fósiles, como la subida o bajada de los precios del crudo, la
inestabilidad de los mercados, los problemas geopolíticos y el enorme
consumo por parte de los mercados emergentes han generado una crisis
energética global.
Ilustración 1. Consumo de energía en el mundo.
A este problema debemos añadir las emisiones de gases de efecto
invernadero y el pronóstico de lluvias ácidas debido a las altas
concentraciones de elementos tóxicos en la atmósfera, ya que en su mayor
parte, derivan de la quema de combustibles fósiles para la producción de
energía. En la actualidad, la opinión pública mundial ha centrado el debate
en el problema del cambio climático.
4
Así, las nuevas políticas energéticas se plantean sobre tres objetivos
fundamentales:
- Conseguir una mayor independencia en el ámbito energético
- Hacer un uso eficiente de la energía
- Reducir al mínimo el impacto medioambiental
La mejora de las técnicas de quema de carbón y el nuevo despegue
de la energía nuclear, junto con el desarrollo de otras nuevas técnicas tratan
de lograr la consecución de los objetivos anteriormente mencionados. En
este camino, las energías renovables han de jugar un papel muy destacado,
ya que ni emiten gases de efecto invernadero y ni se agotan.
Los motores Stirling, creados por el reverendo Stirling en 1816,
presentan características que podrían ser utilizados en la búsqueda de hacer
más eficiente el consumo de energía. Esto se debe a que los motores Stirling
utilizan el ciclo de Stirling, uno de los más eficientes ideados por el ser
humano. Además es un motor de alta aplicabilidad social, al ser barato y
utilizable con casi cualquier tipo de energía. Estas y otras bondades nos
motivan a investigarlo para generar conocimiento y avance en torno a este
tipo de motor. Por otro lado la información bibliográfica disponible en este
tema es escasa y se encuentra de forma dispersa, lo que limita las posibles
investigaciones y aplicaciones de esta tecnología. Para lo cual se hace un
estudio detallado del desarrollo de este tipo de motores desde su aparición
hasta el estado actual en el que se encuentra. La cantidad de información
investigada, contribuirá a promover y despertar el interés en la investigación
acerca de combustibles y fuentes de energía amigables con el medio
ambiente. Debido a la investigación y recopilación bibliográfica constituirá
una fuente específica de consulta, que facilitará el acceso a la información
especializada en este tema.
5
Este motor Stirling debido a su poca complejidad y fácil construcción
puede servir para asociar la teoría con la práctica.
ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN
El diseño de este motor es el pilar fundamental para la concepción del
futuro banco didáctico, dicho diseño estará sujeto a las siguientes
consideraciones:
1. Debe ser modulable para aplicarle cambios que puedan afectar su eficiencia.
2. Los materiales de construcción del soporte serán del mercado nacional
primordialmente.
3. Debe trabajar con diferentes tipos de energía
4. debe ser fácil de transportar
LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN
En estainvestigación nos limitamos a usar como fluido de trabajo el
aire, porque no tiene costo alguno y está en todos lados;aunque lo más
indicado sería helio o hidrógeno debido a sus características.
Tabla 1. Propiedades Termo físicas.
6
En la tabla 1, se puede observar como ya se había comentado al
principio como el aire, el helio y el hidrógeno son los que tienen unas mejores
características generales. Pero sobre todo destaca el hidrógeno, que
teniendo una densidad baja, un calor especifico alto y una conductividad
térmica elevada, sería el más adecuado. (Concepción, 2010).
Al ser el aire como fluido de trabajo afecta directamente la potencia del
motor es baja debido a que el motor no está presurizado, ya que es muy
difícil asegurar hermeticidad.
7
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
El marco teórico tiene como función importante precisar y organizar las
ideas y conceptos obtenidos en la acción investigativa, de manera que
puedan ser convertidos en acciones concretas. Es el significado construido a
través de fundamentos, que dan cuerpo al concepto del objeto en estudio.Al
respecto Hernández, R. y otros (1998), define marco teórico “Como la
conjugación de elementos extraídos de la revisión de la literatura, estudios y
teorías publicadas, pertinente al tema de estudio, así mismo constituyendo la
base para la explicación de una hipótesis planteada en torno al problema que
se investiga”. (p. 16)
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Se refiere a estudios previos, Trabajos de Grado relacionados con el
problema planteado, es decir, las investigaciones realizadas anteriormente y
que guardan alguna relación con el problema en estudio. En tal sentido el
presente trabajo se sustenta en los conocimientos teóricos que provienen de
investigaciones anteriores, formando así las bases o antecedente de la
presente investigación, donde en primer lugar se menciona:
Agüero (2006) Propuso un“Diseño y Construcción de un Motor
Stirling para la Generación de Energía Eléctrica”. Trabajo Especial de
Grado presentado en la Universidad Nacional de Ingeniería, para optar el
título de Ingeniero Mecánico, El objetivo de este trabajo es generar energía
eléctrica con un motor Stirling, tipo beta, con mecanismo rómbico, utilizando
para ello un generador eléctrico, y determinar los parámetros que influyen en
8
su funcionamiento, así como también realizar el estudio teórico y
experimental para el diseño, y construcción de este motor. El motor Stirling
construido, se hizo de tal forma que sea fácilmente armable y desmontable.
Tiene un diseño simple y compacto, y un costo de producción relativamente
bajo. En el diseño se buscó una manera de reducir los efectos que pueden
tener los errores humanos durante la construcción, porque esto se manifiesta
en un aumento de la fricción debido a la desalineación de sus partes. La
sustancia de trabajo que se utilizó fue aire, ya que éste no tiene costo alguno
y está en todas partes.
Así mismo la investigación realizada por Agüero tiene relación con el
proyecto, en el que se realizó el diseño y construcción de un motor Stirling
Por otra parte, es necesario destacar que Ing. Vázquez (2007)
“Metodología para el Rediseño de Motores de Ciclo Stirling”. Trabajo
Especial de Grado presentado en Instituto Politécnico Nacional Escuela
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, para obtener el grado de
Maestro en Ciencias, Se presenta el desarrollo de una metodología
para rediseñar motores de ciclo Stirlingdel tipo Robinson, con el fin de
optimizarlos térmicamente. La metodología está basada enel acoplamiento
de los modelos Senft_Schmidt y de Petrescu para el cálculo de potencia
enlos motores Stirling tipo gama, aplicando la cantidad de trabajo irreversible
y laoptimización térmica por medio del teorema de Gouy-Stodola. Al aplicar
la metodología seobtuvieron los siguientes resultados: se redujo el volumen
muerto en 9.6% mientras queaumentó la eficiencia en 4.5%, y la entropía
generada tuvo una reducción en 10 %. Losresultados se ven reflejados en la
determinación del valor de la carga óptima de gas detrabajo y el ángulo de
carga, así como el valor de una constante para obtener unaaproximación a la
potencia real.
9
Así mismo la investigación realizada por Ing. Vázquez tiene relación con el proyecto, en el que se utiliza a Senft_Schmidt como metodología para motores Stirling.
Roque (2009) “Diseño de un Banco Didáctico de Pruebas de
Mecanismos”.Trabajo Especial de Grado presentado en Universidad
Nacional de Colombia Facultad de Minas Pregrado en Ingeniería Mecánica,
para optar el título de Ingeniero Mecánico, este documento muestra el
diseño de un banco didáctico de mecanismos, este será un equipo didáctico
con el cual, él usuario entenderá los procesos cinemáticas y dinámicos que
están ocurriendo sin tener que recurrir a las maquinas reales. El diseño del
banco didáctico está encaminado a fortalecer los conocimientos de los
futuros profesionales y busca que el usuario se enfoque en entender el
funcionamiento de un sistema de mecanismos y su mecánica bajo diferentes
condiciones que se podrán simular en el mismo. Se presenta los elementos
de diseño más importantes del mismo así como las guías de laboratorio para
las respectivas prácticas.
Así mismo la investigación realizada por Roque tiene relación con el proyecto, en el que se realizó un banco didáctico
BASES TEÓRICAS
En esta sección se describen los elementos teóricos fundamentales
que hacen posible apoyar el tema en estudio, las bases teóricas son el
sustento y revisión de los diversos enfoques de la investigación, con lo cual
se van a conceptuar y desarrollar las variables reales del estudio, por lo que
se presentan las reseñas de la teoría orientada al estudio.
Motor
Un motor es la parte sistemática de una máquina capaz de hacer
funcionar el sistema, transformando algún tipo de energía (eléctrica,
10
de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar
un trabajo. En los automóviles este efecto es una fuerza que produce el
movimiento.
Existen diversos tipos, siendo de los más comunes los siguientes:
Motores eléctricos
En los aerogeneradores, las centrales hidroeléctricas o los reactores
nucleares también se transforman algún tipo de energía en otro. Sin
embargo, la palabra motor se reserva para los casos en los cuales el
resultado inmediato es energía mecánica.
Los motores eléctricos utilizan la inducción electromagnética que
produce la electricidad para producir movimiento, según sea la constitución
del motor: núcleo con cable arrollado, sin cable arrollado, monofásico,
trifásico, con imanes permanentes o sin ellos; la potencia depende del calibre
del alambre, las vueltas del alambre y la tensión eléctrica aplicada.
Ilustración 2. Motor eléctrico
Características generales
Rendimiento: es el cociente entre la potencia útil que generan y la potencia
absorbida. Habitualmente se representa con la letra griega η.formula
11
Velocidad de poco giro o velocidad nominal: es la velocidad angular del
cigüeñal, es decir, el número de revoluciones por minuto (rpm o RPM) a las
que gira. Se representa por la letra n.formula
Potencia: es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de
tiempo a una determinada velocidad de giro. Se mide normalmente
en caballos de vapor (CV), siendo 1 CV igual a 736 vatios.formula
Par motor: es el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor y
determina su giro. Se mide en kg*m (kilogramos por metro) o lo que es lo
mismonewtons-metro (Nm), siendo 1 kgm igual a 9,81 Nm (9,81 kgf/m). Hay
varios tipos de pares, véanse por ejemplo el par de arranque, el par de
aceleración y el par nominal.formula
Usos
Los motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas
modernas. Su reducido tamaño permite introducir motores potentes en
máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras. Su
elevado par motor y alta eficiencia lo convierten en el motor ideal para la
tracción de transportes pesados como trenes; así como la propulsión
de barcos, submarinos y dúmperes de minería, a través del sistema Diésel-
eléctrico. (url: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico)
(Url: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor?oldid=78426943 )
Motor térmico
Es una máquina térmica que transforma calor en trabajo mecánico por
medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una fuente de
calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío). El calor se transfiere
de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte
en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de
trabajo, usualmente un gas o el vapor de un líquido.
12
Ilustración 3.
Clasificación de los motores térmicos
Para la clasificación de los motores térmicos, además de los criterios
ya mencionados en el caso de máquinas de fluido, se tienen en
consideración dos aspectos adicionales:
Si el fluido es condensable (agua) o no condensable (aire).
Si el proceso es de combustión externa o interna.
Motores de combustión interna
Son motores térmicos en los cuales se produce
una combustión del fluido dentro del motor, transformando su energía
química en energía térmica, a partir de la cual se obtiene energía mecánica.
El fluido motor antes de iniciar la combustión es una mezcla de
un comburente (como el aire) y un combustible, como los derivados
del petróleo y gasolina, los del gas natural o los biocombustibles.
Los tipos de motor a combustión interna sonMotor Otto y Motor Diesel
y funcionan de la siguiente manera:
13
Ilustración 4.
Ilustración 5.Partes
Motores de combustión externa (profundizar)
Son motores térmicos en los cuales se produce una combustión
dentro del motor en un fluido distinto al fluido motor. El fluido motor alcanza
un estado térmico de mayor fuerza posible de llevar es mediante la
14
transmisión de energía a través de una pared. El funcionamiento de un motor
a combustión externa se plantea básicamente de la siguiente manera:
Ilustración 6.
Ilustración 7. Motor Stirling (profundizar colocar después de los demás motores)
15
Las turbinas de gas y vapor son tambien maquinas a combustion
externa.
Ilustración 8. Turbina a Gas.
Ilustración 9. Turbina a Vapor
Postulados de la termodinámica
Cualquiera que sea el procedimiento empleado para convertir el calor
en trabajo o viceversa, existe una relación constante entre el trabajo
desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema
sea igual al inicial (ciclo termodinámico). El equivalente mecánico del calor es
427 kgm/kcal o en el sistema de normas internacionales ISO 4184 joule/1000
cal (cal=calorías), siendo un joule igual a 1 N x m o Newton x metro (Newton
en mayúscula por ser un nombre propio).
16
Una máquina térmica sólo puede efectuar trabajo si absorbe calor de un
manantial a temperatura superior y lo cede en parte a otro a temperatura
inferior. Es decir, el calor no puede transferirse espontáneamente de un
cuerpo más frío a otro más caliente.
Ilustración10.
Ley cero de la termodinámica
Cuando consideramos tres subsistemas A, B y C, separados de dos
de ellos, A y B, por una pared adiabática, y C separado de A y B por paredes
diatérmicas. Se puede observar experimentalmente que si, en virtud del
equilibrio térmico, A-C y B-C están en equilibrio térmico, también lo están A-
B, a pesar de no estar separados por una pared diatérmica, lo cual podría
comprobarse permutando el tipo de pared entre A-B-C. Esto equivale a decir
que la propiedad “equilibrio térmico” es transitiva, es decir:
Ilustración11. Ilustración 12.
17
Si dos sistemas Ay B están en equilibrio térmico cada uno de ellos con
un tercero C, los sistemas Ay B están en equilibrio térmico entre sí. Esto
constituye el llamado Principio Cero de la Termodinámica, por el cual la
existencia del equilibrio térmico entre dos sistemas puede verificarse a través
de un sistema intermedio llamado termómetro, sin necesidad de que los dos
sistemas estén necesariamente en contacto a través de una pared
diatérmica.
Primera ley de la termodinámica
El primer principio se formula para procesos adiabáticos. Un
determinado cambio de estado en un sistema se puede conseguir con
procesos muy distintos, en los que en principio el trabajo tendrá distinto valor
según sea el camino recorrido en cada proceso. En la siguiente figura se
puede conseguir el mismo cambio de estado (aumento de la temperatura)
tanto con una resistencia eléctrica con la agitación violenta de un sistema de
agitación mecánica.
Ilustración13. Experimento desarrollado por Joule para enunciar el Primer
Principio.
Sin embargo, si el proceso es adiabático, se observa que el trabajo
aportado (es decir, el cambio de altura de un peso en el entorno) es siempre
el mismo, con independencia de cómo sea el proceso. Luego si en sistemas
adiabáticos el trabajo depende solo del estado inicial y final y no de los
detalles del proceso, se puede emplear para definir una propiedad. De este
18
modo, el trabajo adiabático se emplea para definir una propiedad llamada
energía.
“La energía E, es una propiedad cuya variación se mide por el trabajo
adiabático entre dos estados dados”
El cambio de energía en un ciclo es cero, como para cualquier
propiedad. Existe un convenio de que la energía de un sistema aumenta
cuando el trabajo es negativo, es decir, el entorno realiza trabajo sobre el
sistema:
E2−E1=∆ E=−W adiab
Por tanto, puede decirse que un sistema rodeado de paredes adiabáticas es
un sistema conservativo.
Trabajo termodinámico
Es una interacción entre dos sistemas tal que cualquier cambio en
cada sistema y su entorno podría haberse producido, exactamente, con el
único efecto externo a ese sistema, del cambio en la altura de una masa en
un campo gravitatorio. Su unidad básica es el Joule (J).
Si tenemos un gas en equilibrio térmico, contenido en un recipiente
cerrado mediante in embolo móvil, el trabajo realizado sobre el gas cuando
su volumen varía de Vinicial a Vfinal al mover el embolo muy lentamente es:
W= ∫Vinicial
Vfinal
PdV Ilustración 14.
Donde:
P = presión
19
W= trabajo
Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica también relaciona una propiedad
del sistema con la transferencia de energía por las fronteras, pero la relación
simplemente especifica la dirección del cambio. Como todas las otras leyes
físicas empleadas en la termodinámica clásica, la segunda ley no puede ser
probada, sino que es un enunciado de los fenómenos observados.
El Segundo Principio establece, de un modo general, en qué
direcciónse desarrollan los procesos termodinámicos. Esta indicación
vieneexpresada por la diferenciación que hace entre los procesos
reversibles,irreversibles e imposibles de realizar. Hemos de hallar, pues, una
expresiónmatemática que nos distinga cada uno de estos procesos. En
cualquierproceso aunque sea irreversible, el estado inicial y final del sistema
deben ser de equilibrio.
Los procesos reales se analizan por comparación con los reversibles,
introduciendo unos parámetros llamados rendimiento o eficiencia. La
segunda ley permite también analizar si un proceso es posible o no, y si lo
es, si es reversible o no.
20
Principio básico de funcionamiento
En un motor térmico se producen una serie de transformaciones que
conducen a un estado inicial (es decir, tiene un ciclo cerrado). En el
transcurso de estas transformaciones, el motor recibe energía térmica en
forma de calor y devuelve energía mecánica en forma de trabajo.
Ilustración 15.
Eficiencia
Para muchos aparatos se desea conocer su eficiencia adiabática. En
una turbina devapor se busca la producción de un cierto trabajo a partir de un
estado a temperaturay presión elevadas y una presión dada a la salida.
Cualquier transferencia deenergía desde la turbina en forma de calor
21
representa una pérdida y reduce la entregade trabajo. Un compresor toma un
fluido desde un estado a la entrada y requiere ciertotrabajo para que dicho
fluido salga a la presión deseada. El calor perdido porun compresor dado
demanda una entrada de trabajo mayor. (Algunos compresoresoperan casi
isotérmicamente, por lo que existe una transferencia de calor.
Estoscompresores requieren un estudio particular.) Las ineficiencias de estos
componentesse deben a procesos irreversibles.
La eficiencia de los aparatos se emplea para comparar el proceso real
con elproceso adiabático reversible. Se desea la reducción de las
irreversibilidades en uncomponente del proceso con el fin de aumentar la
eficiencia de dicho proceso. Porconsiguiente, la eficiencia de un aparato es la
relación entre el resultado real y elisentrópico, teniendo como valor límite la
unidad. Un aparato isentrópico es el estándarpara comparar la operación
adiabática real. La eficiencia tiene el siguiente modelo matemático:
En un ciclo de potencia o una máquina térmica se tiene una entrega de trabajo y una demanda de calor QA del depósito a temperatura elevada. Por consiguiente, su eficiencia es:
Eficiencia de los motores térmicos
La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o usados hoy en
día oscila entre el 3% (97% de calor desperdiciado) para los sistemas de
conversión de energía térmica del océano, el 25% para la mayor parte de los
motores de automóviles, el 35% para una planta generadora de carbón
supercrítico, y el 60% para una turbina de gas de ciclo combinado con
enfriamiento de vapor. Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la
22
pierden) debido a la depresión de la temperatura a través de ellos. Por
ejemplo, los sistemas de conversión de energía térmica del océano emplean
una diferencia de temperatura entre el agua sobre la superficie y el agua en
las profundidades del océano, es decir, una diferencia de tal vez 25° C, por lo
que la eficiencia debe ser baja. Las turbinas de ciclo combinado utilizan
quemadores de gas natural para calentar aire hasta cerca de 1530 °C, es
decir, una diferencia de hasta 1500° C, por lo que la eficiencia puede ser
mayor cuando se añade el ciclo de enfriamiento de vapor.
Presiónprofundizar
Según, Cengel y Boles (2009); la presión se define como la fuerza
normal que ejerce un fluido por unidad de área. Se habla de presión sólo
cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en
los sólidos es el esfuerzo normal. Puesto que la presión se define como la
fuerza por unidad de área, tiene como unidad el newton por metro cuadrado
(N/m2), también conocida como pascal (p. 21).
Ilustración 16. Presiones absolutas; manométrica y de vacío.
23
La Energía Mecánica
Según, Cengel y Boles (2009). Se puede definir como la forma de
energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo
directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. Las formas
más familiares de energía mecánica son la cinética y la potencial. Sin
embargo, la energía térmica no es energía mecánica puesto que no se
puede convertir en trabajo de forma completa y directa (segunda ley de la
termodinámica). Por lo tanto, la energía mecánica de un fluido en movimiento
por unidad de masa se puede expresar como
Donde
P/r es la energía de flujo,
V2/2 es la energía cinética
gzes la energía potencial del fluido, todas por unidad de masa.(p. 58)
24
Ilustración 17. Ciencia de la Mecánica.
El Calor
Según, Cengel y Boles (2009). El calor se define como la forma de
energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y el exterior)
debido a una diferencia de temperatura. Es decir, una interacción de energía
será calor sólo si ocurre debido a una diferencia de temperatura. Entonces se
deduce que no puede haber ninguna transferencia de calor entre dos
sistemas que se hallan a la misma temperatura. (p.60)
Ilustración 18. El calor.
25
Proceso Adiabático
Según, Cengel y Boles (2009). Un proceso durante el cual no hay
transferencia de calor se denomina proceso adiabático (Figura 4). El término
adiabático proviene de la palabra griega adiabatos, que significa “no pasar”.
Hay dos maneras en que un proceso puede ser adiabático: el sistema está
bien aislado de modo que sólo una cantidad insignificante de calor cruza la
frontera, o bien, tanto el sistema como el exterior están a la misma
temperatura y por lo tanto no hay fuerza impulsora (diferencia de
temperatura) para la transferencia de calor. Hay que distinguir entre un
proceso adiabático y uno isotérmico: aunque no hay transferencia de calor
durante un proceso adiabático, otros medios como el trabajo pueden cambiar
el contenido de energía y, en consecuencia, la temperatura de un sistema.
(p.61)q=0
Ilustración 19. Proceso adiabático.
Transferencia de Calor
Es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor
entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que
están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección,
radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar
simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine
sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de
una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada
26
sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la
Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. (Diaz) S/P
Conducción
Según, Cengel y Boles (2009). La conducción es la transferencia de
energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las
adyacentes menos energéticas, como resultado de sus interacciones. La
conducción puede ocurrir en sólidos, líquidos o gases; en estos últimos dos
la conducción se debe a las colisiones de las moléculas durante su
movimiento aleatorio, mientras que en los sólidos se debe a la combinación
de la vibración de las moléculas en una red y el transporte de energía
mediante electrones libres. Por ejemplo, una bebida enlatada fría que se
halla en una habitación caliente, alcanza por conducción la temperatura de la
habitación como resultado de la transferencia de calor de ésta a la bebida, a
través de la lata de aluminio.
Ilustración 20. Conducción de calor del aire caliente a una lata fría de bebida carbonatada a través de la pared de aluminio de la lata.
27
Se observa que la tasa de conducción de calor Qcond por una capa de
espesor constante x es proporcional a la diferencia de temperatura T en la
capa y el área A normal a la dirección de transferencia de calor, mientras que
es inversamente proporcional al espesor de la capa. Por lo tanto,
Qcond=−k t AdTdx
Donde la constante de proporcionalidad k tes la conductividad
térmicadel material, la cual es una medida de la capacidad del material para
conducir calor (tabla 2). Materiales como el cobre y la plata, que son buenos
conductores eléctricos, también lo son del calor y por lo tanto tienen valores
altos de k t. El hule, la madera y el polietileno son malos conductores del calor
y, por consiguiente, tienen valores bajos de k tque se conoce como ley de
Fourierde conducción de calor, e indica que la tasa de conducción de calor
en una dirección es proporcional al gradiente de temperatura en esa misma
dirección. El calor es conducido en la dirección de temperatura decreciente, y
el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando la temperatura
disminuye con x creciente. (p. 92)
Ilustración 21. Conductividad térmica de algunos materiales en condiciones ambientes.
28
Convección
Según, Cengel y Boles (2009). Es el modo de transferencia de energía
entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que está en
movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y
movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la
transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento
en masa del fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el
fluido adyacente es por conducción pura. El movimiento de la masa del fluido
incrementa la transferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido, pero
también complica la determinación de las tasas de transferencia de calor.
Considere el enfriamiento de un bloque caliente mediante aire frío
aplicado sobre su superficie (Figura6). La energía se transfiere primero a la
capa de aire adyacente a la superficie del bloque por conducción. Esta
energía se transfiere después desde la superficie por convección; es decir,
por los efectos combinados de conducción dentro del aire, debidos al
movimiento aleatorio de sus moléculas y a su movimiento macroscópico o en
29
masa, que elimina el aire caliente cerca de la superficie y lo reemplaza por
aire frío.
Ilustración 22. Transferencia de calor por convección desde una superficie caliente hacia el aire
Hay convección forzada si el fluido es forzado a fluir en un tubo o
sobre una superficie por medios externos, como un ventilador, una bomba o
el viento. En cambio, se trata de convección libre (o natural) si el movimiento
del fluido es ocasionado por las fuerzas de flotación inducidas por diferencias
de densidaddebidas a la variación de temperatura en el fluido (Figura7), Por
ejemplo, en ausencia de un ventilador, la transferencia de calor desde la
superficie del bloque caliente en la figura 6 será por convección natural
puesto que en este caso cualquier movimiento del aire se deberá al ascenso
del aire más caliente (y, por lo tanto, más ligero) cercano a la superficie, y al
descenso del aire más frío (por consiguiente, más denso) para ocupar su
lugar.
30
Ilustración 23. Enfriamiento de un huevo hervido por convección forzada y natural.
Los procesos de transferencia de calor en los que hay un cambio de
fase de un fluido se consideran también como convección debido al
movimiento del fluido durante el proceso; por ejemplo, el ascenso de las
burbujas de vapor durante la ebullición o el descenso de gotas de líquido
durante la condensación. La tasa de transferencia de calor por convección
Qconv se determina a partir de la ley de enfriamiento de Newton, expresada
como (p. 93):
Qconv=hA (T s−T f )
Radiación
Según, Cengel y Boles (2009). Es la energía que emite la materia en
la forma de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultado de cambios
en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia
de la conducción y la convección, la transferencia de energía por radiación
no requiere la presencia de un medio (Figura 8). De hecho, este tipo de
transferencia es la más rápida (se lleva a cabo a la velocidad de la luz) y no
experimenta ninguna atenuación en el vacío. Éste es exactamente el modo
como la energía del Sol llega a laTierra.
31
Ilustración 24. A diferencia de la conducción y la radiación y la convección, la transferencia de calor por radiación puede ocurrir entre dos cuerpos
La tasa máxima de radiación que se puede emitir desde una superficie
a una temperatura absoluta T sse determina mediante la ley de Stefan-
Boltzmanncomo:
Qemitida , máx=σ AT s4
Donde A es el área superficial y(σ = 5.67 x10−8W
m2.K 4
es la constante
de Stefan-Boltzmann. La superficie idealizada que emite radiación a esta
tasa máxima se llama cuerpo negro, y la radiación emitida por un cuerpo
negro se denomina radiación de cuerpo negro (p. 94)
Tabla 2. Emisividad de algunos materiales a 300 K.
32
Ley de gases ideales
Se han deducido experimentalmente tres leyes que cumplen
aproximadamente todos los gases, especialmente en condiciones de presión
baja y temperatura alta.
Ley de Boyle. “A temperatura constante, el volumen de una mezcla
gaseosa es inversamente proporcional a la presión del gas”. Es decir, pV = k,
donde k es una constante (figura 9).
Ilustración 25. Ley de Boyle. Representación gráfica del volumen de gas frente a la presión, a temperatura constante.
Ley de Charles. “A presión constante, el volumen de una muestra
gaseosa es proporcional a la temperatura del gas, expresada en la escala
absoluta o Kelvin”. La formulación matemática inicial eraV = k (t + 273,15)
donde k es una constante y t la temperatura en grados centígrados. Kelvin
(1824–1907) sugirió que –273,15 °C representa un mínimo absoluto de
temperatura (figura 10). Estatemperatura es el origen la escala de
temperaturas llamada absoluta o kelvin y simbolizada con una T mayúscula.
En esta escala de temperatura, la ley de Charles se escribe V = k T.
33
Ilustración 26. Ley de Charles. Representación gráfica del volumen frente a la temperatura para tres muestras gaseosas diferentes a presión constante. Cuando se extrapolan, las tres rectas cortan al eje de las temperaturas a -273 ºC.
Ley de Gay-Lussac. “A volumen constante, la presión ejercida por
una muestra gaseosa es proporcional a la temperatura del gas en la escala
absoluta”. Es decir, p = k T, donde k es una constante.
Principio de Avogadro.Un posible enunciado para este principio es
que, a presión y temperatura fijas, el volumen de cualquier gas es
proporcional al número de moles presentes. Es decir,n = k V, donde k es una
constante.
Ley de los gases ideales. Como el comportamiento de los gases
reales sólo se aproxima al descrito por las leyes anteriores, por conveniencia
se define gas ideal como el que las cumple exactamente en todaslas
condiciones. Las leyes anteriores pueden combinarse en una sola ley
llamada ley de los gases ideales, cuya expresión matemática es pV = nRT,
donde R recibe el nombre de constante de los gases ideales y–1 mol–1) de
un gas es el ocupado por un mol de dicho gas, V = V/n. Lascondiciones
normales (CN) en gases son 273,15 K (0 °C) de temperatura y 1 atm de
34
presión. En esas condiciones, el volumen molar se llama volumen molar
normal y, para cualquier gas ideal, es de 22,414litros (tabla 4).
Tabla 3. Densidades y volúmenes molares de algunos gases.
Mecanismos
Para, Schulze (2008). Un mecanismo es un dispositivo que transforma
el movimiento producido por un elemento motriz (fuerza de entrada) en un
movimiento deseado de salida (fuerza de salida) llamado elemento
conducido.
Elemento motriz Elemento conducido
Estos elementos mecánicos suelen ir montados sobre los ejes de
transmisión, que son piezas cilíndricas sobre las cuales se colocan los
mecanismos.
Existen dos grupos de mecanismos:
1. Mecanismos de transmisión del movimiento.
2. Mecanismos de transformación del movimiento.
En estos mecanismos podemos distinguir tres tipos de movimiento.
1. Movimiento circular o rotatorio, como el que tiene una rueda.
2. Movimiento lineal, es decir, en línea recta y de forma continua.
3. Movimiento alternativo: Es un movimiento de ida y vuelta, de vaivén. Como
el de un péndulo.
35
Los mecanismos de transmisión son aquellos en los que el elemento motriz
(o de entrada) y el elemento conducido (o de salida) tienen el mismo tipo de
movimiento.
Los mecanismos de transformación son aquellos en los que el elemento
motriz y el conducido tienen distinto tipo de movimiento. (s/p)
Par cinemático
Para, Castillo (2005). Los eslabones pueden estar conectados unos
a otros de varias maneras. El contacto puede ocurrir sobre una superficie, a
lo largo de una línea, o en un punto. A aquellas partes de dos eslabones que
están en contacto con movimiento relativo entre ellos se les denomina pares.
(p. 45)
Conjunto Biela-Manivela
Para, Castillo (2005). Tanto para el diseño de la biela como el de la
manivela es imprescindible tomar en cuenta la carga a la que van a ser
sometidas: en primer término se procederá a hacer un análisis de la biela
cuando ésta se encuentra en el punto mucho superior, señalado en la Figura
4.6, debido a que es en este punto donde la biela absorbe por completo la
carga originada por el peso de la parte superior del dispositivo.
Ilustración 27. Mecanismo Biela-Manivela
36
Para este primer análisis, la biela se considerará como una columna
doblemente articulada. (p. 45)
Grados de libertad de un mecanismo
Para, Norton (2009). El número de entradas que se necesita
proporcionar para crear una salida predecible. Al inicio del proceso de
diseño, casi siempre se dispone de alguna definición general del movimiento
de salida deseado. El número de entradas necesario para obtener esa salida
puede o no ser especificado. En este caso, el costo es la restricción principal.
Cada entrada requerida necesitará algún tipo de accionador, ya sea un
operador humano o un “esclavo” en la forma de un motor, solenoide, cilindro
neumático u otro dispositivo convertidor de energía.
Para determinar el GDL global de cualquier mecanismo, se debe
considerar el número de eslabones, así como las juntas y las interacciones
entre ellos. El GDL de cualquier ensamble de eslabones se puede
pronosticar con una investigación de la condición de Gruebler. Cualquier
eslabón en un plano tiene tres GDL. Por consiguiente, un sistema de L
eslabones no conectados en el mismo plano tendrá 3L GDL, como se
muestra en la fi gura 2-7a, donde los dos eslabones no conectados tienen un
total de seis GDL. Cuando estos eslabones están conectados por una junta
completa en la fi gura 2-7b, Δy1 y Δy2 se combinan como Δy, y Δx1 y Δx2 se
combinan como Δx.
formula
Esto elimina dos GDL y deja cuatro. En la fi gura 2-7c la semijunta
elimina solo un GDL del sistema (porque una semijunta tiene dos GDL) y
deja el sistema de dos eslabones conectados por una semijunta con un total
de cinco GDL. Además, cuando cualquier eslabón está conectado a tierra o
37
unido al marco de referencia, se eliminaran sus tres GDL. Este razonamiento
lleva a la ecuación de Gruebler:
M = 3L - 2J - 3G
Dónde:
M = grado de libertad o movilidad
L = número de eslabones
J = número de juntas
G = número de eslabones conectados a tierra. (p. 34)
Ilustración 28. Las juntas eliminan los grados de libertad.
38
BancoDidáctico
Para, Nichols (1983). Un banco es una instalación o equipo
especialmente diseñado para simular las condiciones de trabajo a las cuales
son sometidas piezas o materiales, para comprobar el buen estado o
funcionamiento de las mismas. (p. 24)
Diseño del Banco Didáctico
Se dimensiona los elementos del banco didáctico de la siguiente
forma aproximadamente: constara de dos cilindros o camisas de diámetro
50mm, longitud 150mm, espesor 2mm; dos pistones de diámetro 45mm,
longitud 50mm, espesor 5mm; dos bulón de diámetro 10mm, longitud 45mm;
dos juegos de bielas de 160mm y 180mm de longitud, espesor de 10mm, con
un diámetro de 20mm; un regenerador de 130mm de diámetro con longitud
de 220mm; cigüeñal que será un sistema biela-manivela utilizando un volante
de inercia de 100mm de diámetro; la base con una longitud de 500mm de
largo, ancho 150mm, espesor 10mm; dos laterales de 110mm de ancho,
largo 100mm, espesor 10mm; dos inclinadas de 110mmx110mm, espesor
10mm; dos soportes de 90mm de ancho, 150mm de largo, 20mm de
espesor; dieciséis ángulos de 90º de 30mm de ancho, 30mm de largo,
espesor de 1mm; cuatro ángulos de 45º (internos) de 20mm de ancho,
110mm de largo, espesor 1mm; cuatro ángulos de 45º-90º (externos) : 45º
20mm de ancho, largo 110mm, espesor 1mm, 90º 35mm de ancho, largo
110mm, espesor 1mm; un intercambiador de superficies extendidas (o
aletas) de 110mmx110mm, espesor 1mm; 52 tornillos de cabeza hexagonal
Medio didáctico
Para, Tellado (2011). Cualquier material elaborado con la intención de
facilitar los procesos de enseñanza y aprendizaje puede constituir un buen
39
medio didáctico, siempre y cuando cumpla un conjunto de requisitos
generales, adquiriendo características específicas en función del tipo de
material de que se trate: (libro de texto, guía de estudio, video, multimedia,
página Web, etc.) y del soporte en que se ofrezca: (impreso, CD-ROM, video,
plataforma interactiva, etc.). Por consiguiente se deben aprovechar al
máximo las potencialidades que ofrece cada tipo de medio y recurso
tecnológico con que se cuente.
Componentes estructurales
Al analizar los medios didácticos, y sin entrar en los aspectos pragmáticos
y organizativos que configuran su utilización contextualizada en cada
situación concreta, se pueden identificar los siguientes elementos:
El sistema de símbolos
El contenido material
La plataforma tecnológica
El entorno de comunicación con el usuario
Funciones que pueden realizar,
Según como se utilicen en los procesos de enseñanza y aprendizaje, los
medios didácticos y los recursos educativos en general pueden realizar
diversas funciones; entre ellas destacamos como más habituales las
siguientes:
Proporcionar información
Guiar los aprendizajes
Ejercitar habilidades
Motivar, despertar y mantener el interés
Evaluar
40
Proporcionar simulaciones
Proporcionar entornos para la expresión y creación.
Tipologías de los medios didácticos
A partir de la consideración de la plataforma tecnológica en la que se
sustenten, los medios didácticos, y por ende los recursos educativos en
general, se suelen clasificar en tres grandes grupos, cada uno de los cuales
incluye diversos subgrupos:
Materiales convencionales
o Materiales audiovisuales
o Nuevas tecnologías
Aspectos pedagógicos y motivacionales
Aspectos técnicos y estéticos
Partes del motor Stirling tipo Alfa a fabricar
Tornillos
Son elementos roscados cuya función mecánica es la unión de dos o
más piezas entre sí. Esta unión, normalmente fija y desmontable, puede
tener lugar por el apriete, la presión y la guía.
Constitución
Las partes constitutivas de un tornillo son las siguientes: cabeza,
vástago y extremo.
41
Ilustración 29. Tipos de cabeza
Ilustración 30. Tipos de vástago.
Ilustración 31. Tipos de extremos.
42
Ilustración 32. Cargas aplicadas de una tuerca en un tornillo
Tipos de roscas
En tornillos de potencia, las roscas más empleadas en el fileteado del
tornillo son la rosca Cuadrada, la rosca ACME y la rosca Unificada.
Ilustración 33. Tipos de roscas
43
Parámetros de construcción tornillo
Nomenclatura
De=Diámetro sobre filete F= Diámetro medio de flancos di= diámetro al fondo de los filetes d= Diámetro de la barrera o alambreP=Paso α= Angulo de filete δ= Corrección
Formulas
d= P*0.52 para 20º, 29º, 30ºd= P*0.57 para 55º, 60ºF= Rosca Whitworh De – 0.6403 * P. rosca internacional S.I y AmericanaSellers (U.S.S) De – 0.6403 *P.
M= F+d*(1+ 1
senα2 )−P
2∗cotg α
2=M+δ
δ=12∗d∗tangθ2∗cos α
2∗cotg
α2
tangθ=P
3,1416∗f
44
Rosca con filete métrico sistema internacional (S.I)Detalle ampliado para poder apreciar su ajuste, y formulas generales de útil
aplicación
Designación
P=paso H=Altura del triangulo generadorD1=Profundidad del filete D= Altura de contacto DE= Diámetro del tornillo DM= diámetro de flancosDF= diámetro del fondo del tornillo DT= Diámetro del fondo de la tuercaF= Diámetro del agujero de la tuerca T= Altura de la truncatura
H=0,866*P D1=0,6945*P D=0,6495*PDM=DE-0,65*P DF=DE-1,389*P r=0,058*PDT=DE+0,09*P F=DE-1,3*P T=0,125*H
45
Rosca con filete WhitworthDetalle ampliado para poder apreciar su ajuste, y formulas generales de útil
aplicación
Designación
P=Paso en mm. N=Numero de filetes por una pulgada inglesaH=Altura del triangulo generador r=radio D=Profundo del filete DE= diámetro del tornilloDM=diámetro de flancos o medio DF=Diámetro de fondo e inferior
FORMULAS
P= 25,4N
H=0.9605*P=24,384N
D=0.6403*P=16,256N
DF=DE-1,28*P=DE-
32,512N
46
DM=DE+DF2
=DE−D=DE−16,256N
r= 0,1373
Lustración 34. Nomenclatura Geométrica Usada en Tornillos
Expresiones para el cálculo de resistencias
47
Todas las uniones tendrán una resistencia de cálculo tal que la
estructura se comporte satisfactoriamente y sea capaz de cumplir todos los
requisitos básicos para el cálculo.
Clases de tornillos
Valores nominales del límite elástico fyby de la resistencia última a
tracción fubpara adoptar como valores característicos en los cálculos.
Tabla 4. Valores nominales del límite elástico y resistencia a tracción última de tornillos
fyb=limite elástico del tornillo (pascal)
fub=resistencia a tracción del tornillo (pascal)
Coeficientes parciales de seguridad
El coeficiente parcial de seguridad γMse tomará:
γMb: Resistencia de tornillos 1,25
γMr: Resistencia de roblones 1,25
γMp: Resistencia de bulones 1,25
γMs: Resistencia al deslizamiento 1,25 (ELU); 1,1(ELS)
48
Tabla 5. Expresiones para el cálculo de resistencias en uniones atornilladasampliar
49
(URL: http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn131.html)
50
Tuercas y Arandelas
Tuercas para tornillos de alta resistencia
Las tuercas para los tornillos de alta resistencia tienen la forma
indicada que se puede ver en la figura incluida más abajo. En ambas caras
los bordes del agujero roscado estarán biselados con un ángulo de 120º.
Dimensiones y peso
Las dimensiones de las tuercas de cada tipo y el peso de 1.000
piezas, siempre considerando un peso específico para el acero de 7,85
kg/dm3.
Tabla 6. Dimensiones y peso de algunas tuercas.
51
Arandelas para tornillos ordinarios y calibrados
Dependiendo del grado de mecanización de las caras, se distinguen
entre arandelas negras y arandelas pulidas. Las arandelas negras se
emplean para tornillos ordinarios, mientras que las arandelas pulidas se
recomiendan emplearlas para tornillos calibrados.
Las arandelas negras tienen la forma indicada en la figura que se
incluye más abajo. Se designan con la sigla A, el diámetro nominal del
tornillo con el que se emplean y la referencia a la norma, que puede
suprimirse cuando sea innecesaria.
Ejemplo de designación: Arandela A 16, NBE EA-95.
Las arandelas pulidas tienen la misma forma que las arandelas negras
diferenciándose, como se ha dicho, únicamente en el grado de mecanización
de las caras. En este caso, las arandelas pulidas se designan empleando la
sigla AP.
Tabla 7. Dimensiones de algunas arandelas.
52
Clasificación de los Motores Stirling
Motor Stirling tipo Beta
Para, Rodríguez (2011). El motor original de Stirling era de este tipo.
Consta de un solo cilindro, con una zona caliente (mediante un mechero de
gas, alcohol etc.), una zona fría (refrigerada por aletas, agua etc.).
Mediante un cigüeñal especial el movimiento del pistón y el desplazado están
desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione.
Ilustración 35. Motor Stirling Beta
53
Motor Stirling tipo Gamma
Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el
desplazador y en otro el pistón de potencia.
Los sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo beta. el
pistón y el desplazador también deben de moverse desfasados 90 grados, lo
cual se consigue mediante el cigüeñal adecuado.
Ilustración 36. Motor Stirlng Gamma.
54
Motor Stirling tipo Alpha
En el ciclo real el movimiento del pistón y el desplazador es diferente,
estos poseen un desfase de 90º en el cigüeñal.
Expansión: En este punto, la mayor parte de los gases en el sistema
se encuentra en el cilindro de pistón caliente. El gas se calienta y se
expande, empujando el pistón caliente hacia abajo, y fluye a través de la
tubería en el cilindro frío, empujando hacia abajo también.
Ilustración 37. Expansión
Compresión: Ahora la mayoría de los gases de expansión se desplaza
hacia el cilindro de pistón frío. Se enfría y se contrae, el dibujo hasta los dos
émbolos.
Ilustración 38. Compresión
55
Transferencia: En este punto, el gas se ha expandido. La mayor parte del
gas se encuentra todavía en el cilindro caliente. Como el cigüeñal sigue
girando los próximos 90 °, la transferencia de la mayor parte del gas en el
cilindro de pistón frío. Como lo hace, empuja la mayoría de los líquidos a
través del intercambiador de calor y en el cilindro de pistón frío.
Ilustración 39. Transferencia
Transferencia: El fluido se enfría y ahora el cigüeñal gira otros 90 °. El gas
se bombea de nuevo por lo tanto, a través del intercambiador de calor, en el
cilindro de pistón caliente. Una vez en este, se calienta y se vuelve al primer
paso. (p. 54)
Ilustración 40. Transferencia
Partes del Motor Stirling Tipo Alfa
Regenerador
Para, Álvarez (2002). En un motor Stirling el regenerador tiene como
56
misión ocasionar el salto térmico del fluido de trabajo alternativamente entre
T máx y T min sin aportación externa de calor. El calor liberado por el fluido al
pasar desde la cámara de expansión hacia la de compresión más fría es
almacenado en el regenerador, para ser devuelto al fluido al pasar en sentido
contrario. Este reciclaje energético es fundamental para el buen rendimiento
y viabilidad del motor Stirling. Además, el regenerador, situado siempre entre
el calentador y el refrigerador. Tiene que ser capaz de permitir el paso
correctamente del fluido de trabajo entre estos dos elementos.
Ilustración 41. Capacidad térmica para diferentes materiales.
Otro parámetro importante es la difusividad térmica α, este
parámetro mide la capacidad de un material para conducir la energía térmica
en relación con su capacidad de almacenar energía térmica. Con lo
mencionado anteriormente necesitamos que α sea pequeño.
α= kρ .Cp
(m2
s)
57
Ilustración 42. Difusividad térmica para diferentes materiales.
Los materiales que se utilizan principalmente en los regeneradores,
son láminas, lana o hilos de acero inoxidable bastantes delgados (0,1 mm).
(p. 87)
Pistón
Forma del pistón
El pistón está definido por las siguientes dimensiones fundamentales:
D=diámetro
L = longitud total
B = cota de compresión
D = diámetro del bulón
Ilustración 43.Dimensiones del pistón
58
L
Br
D
D
Calculo de área del pistón:
A=π D2
4
Calculo de volumen del pistón:
V=AL
Partes del pistón
Ilustración 44.
Resistencia del pistón
Por los autores 2015.En este caso es posible darse cuenta de que los
pistones no son afectados directamente por los esfuerzos a compresión y a
59
tracción, ya que ellos solo se encargan de comprimir el fluido utilizado. Sin
embargo, se reflejan algunos cálculos básicos de esfuerzos siempre teniendo
en cuenta que el daño al pistón por estos esfuerzos será casi nulo. En la
siguiente ecuación el esfuerzo será igual a:
σ= FA
F= es la fuerza aplicada.
A= es el área de la cabeza del pistón
Para el caso de la resistencia térmica de los materiales tanto del
pistón como del cilindro, solo se necesita compara las temperaturas a las que
será sometido el material con su punto de fusión, es decir, la temperatura a
la que el material se fundirá. Si el calor al que será sometido es mucho más
bajo que el punto de fusión del material se entenderá que dicho material
puede ser utilizado para la fabricación de cualquiera de estos dos elementos.
Clasificación
Para, Sánchez (2010). Los pistones se pueden clasificar atendiendo a
diversos aspectos, como son:
1. Por el tipo de falda
a) Cónica
b) Oval
c) Barril
2. Por el tipo de cabeza
a) Plana
b) Convexa
c) Cóncava
60
Cilindro
Es un recipiente a presión, estos están sujetos a diversas cargas, que
causan en las diferentes partes del recipiente. El tipo e intensidad de los
esfuerzos es función del tipo de las cargas, de la forma del recipiente y de su
construcción.
Para analizar los esfuerzos que se producen por efectos de la presión
interna en esta clase de recipientes, se aplicará la teoría general de los
esfuerzos de membrana en un recipiente de forma genérica como se
muestra en la siguiente figura.
Ilustración 45. Esfuerzos de Membrana en Recipientes a Presión (Fuente: Harvey, 1974, Pág. 39)
En esta figura se identifican las siguientes variables:
σ 1= Esfuerzo Longitudinal
σ 2= Esfuerzo Circunferencial
61
Calculo de área del cilindro:
A=π D2
4
Calculo de volumen del cilindro:
V=AL
t= Espesor del recipiente.
dS1= Dimensión elemental en la dirección longitudinal
dS2= Dimensión elemental en la dirección circunferencial
r1= Radio de curvatura longitudinal
r2= Radio de curvatura circunferencial
Pi= Presión interna
Espesor de Pared de Recipientes a Presión Cilíndricos por
Presión Interna.
Para, Guzmán, l (2006). En el caso de recipientes cilíndricos
sometidos a la acción de una presión internaPicomo el que se muestra en la
figura, se tiene que el radio circunferencial es el radio interno del cilindro (
r2=r), el radio longitudinal es infinito, es decir no hay curvatura en ésta
dirección (r1=∞¿ ,y ambos son constantes a lo largo de todo el recipiente.
Ilustración 46. Esfuerzos de Membrana en Recipientes a Presión Cilíndricos
(Fuente: Hibbeler, 1996, Pág. 414)
Se obtiene una ecuación para el cálculo del esfuerzo circunferencial σ 2
:
62
σ 2=Pi x rt
Por otra parte, para el cálculo del esfuerzo longitudinal σ 1se considera
la porción del cilindro que muestra en la figura x2, en la cual se puede
apreciar que σ 1 actúa uniformemente a través del espesor y Pisobre el área
que define el gas o fluido contenido por el recipiente.
Ilustración 47. Diagrama de Cuerpo Libre para el Cálculo del Esfuerzos longitudinal en Recipientes a Presión Cilíndricos (Fuente: Hibbeler, 1996, Pág. 415)
Considerando que el radio medio es aproximadamente igual al radio
interior del cilindro, el equilibrio de fuerzas requiere que:
Ecu:x1
Al comparar las ecuaciones x y x1 se ve que el esfuerzo
circunferencial σ 2es dos veces mayor que el esfuerzo longitudinal σ 1, por lo
tanto, cuando se fabrican recipientes a partir de placas laminadas y/o
roladas, las juntas longitudinales deben diseñarse para soportar dos veces
más esfuerzo que las juntas circunferenciales.
63
Si en la ecuación x se sustituyeσ 2por el esfuerzo máximo admisible por
el material y se despeja el espesor del recipiente, se puede calcular entonces
el mínimo espesor requerido teóricamente para soportar la presión interna,
de este modo se tiene entonces:
t=Pi xrS
Ecu: x2
El ASME utiliza esta ecuación de una forma modificada para el cálculo
del espesor del recipiente y así obtener de ese modo un diseño más seguro y
confiable. De este modo el ASME modifica la ecuación x2 de la siguiente
manera:
Ecu: x3
La ecuación x3 es la ecuación de los esfuerzos de membrana
modificada por el ASME, la cual esta especificada en el párrafo UG-27 del
código y que da como resultado un espesor mayor al que se obtiene por la
ecuación teórica x2 pues considera un factor de seguridad de ¿), que hace
que el denominador de la anterior ecuación sea menor, y por la tanto se
tenga un espesor más grueso.
Adicionalmente introduce los efectos de la soldadura en el ensamblaje
del recipiente al considerar la eficiencia de junta soldada E. Al introducir esta
64
variable en la ecuación x3 se obliga a que el espesor obtenido sea mayor al
calculado por la teoría general de membrana en la ecuación x2.
Por otra parte existen dos restricciones que son impuestas para el uso
de la ecuación x3 para obtener resultados confiables y adecuados:
La presión interna debe ser menor o igual a (0,385 xSxE )
El espesor debe ser menor o igual a la mitad del radio interior
El cálculo del espesor de recipientes a presión cilíndricos sometidos a
presión externa se especifica en el párrafo UG-28 del código ASME. (p. 24)
Aberturas en Recipientes a Presión Cilíndricos
Para, Guzmán, l (2006). En la figura 1-1 se puede ver la distribución
del esfuerzo en la vecindad de una abertura circular pequeña de radio “a”, la
cual se encuentra en una placa que está sujeta a la acción de un esfuerzo de
tensión σen la dirección del eje polarθ=0.
Ilustración 48. Abertura Sobre Placa Plana Sujeta a Tensión. (Fuente: 2 Pág. 194)
65
Estos esfuerzos vienen dados por las ecuaciones:
Sobre la circunferencia de la abertura se tiene que:
El esfuerzo tangencial es máximo en el puntoθ=π /2 y en el punto
θ=3xπ /2 localizado sobre la circunferencia de la abertura y en el eje
perpendicular a la dirección de la tensión aplicada; en estos puntos se tiene
entoncesσ 1=3 xσ. Por otra parte, cuando r=α y θ=0° óθ=180 °se tiene
entoncesσ 1=−σ . De este modo se puede apreciar que una abertura pequeña
en una placa sujeta a tensión en una dirección determinada, como por
ejemplo por efecto de una presión interna, causa un aumento en los
esfuerzos en la vecindad de la abertura hasta un valor máximo de tres veces
el esfuerzo promedio que se tiene en la placa continua.
Recipientes a Presión Cilíndricos con Tapa Plana
Para, Guzmán, l (2006). Las ecuaciones especificadas en la norma
UG-34 para el diseño de tapas planas dependen de la forma de la tapa, del
modo en el que está esta adjuntada al recipiente, y del tipo de material a
emplear en la fabricación del cabezal. La ecuación para el cálculo del
espesor de la tapa en este tipo de casos viene dada por la expresión:
66
En las condiciones de operación se emplea la presión interna de
diseño en los cálculos y W se refiere a la carga en los pernos en condiciones
de operación calculada en el diseño de la brida. El factor C se refiere a la
concentración de esfuerzos debido al método de anexión del cabezal plano a
la estructura del recipiente y d es el diámetro de la línea de acción de la
fuerza que actúa sobre la empacadura.
Intercambiadores de Calor
Son todos aquellos dispositivos utilizados para transferir energía de un
medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se hará referencia única y
exclusivamente a la transferencia de energía entre fluidos por conducción y
convección, debido a que el intercambio térmico entre fluidos es uno de los
procesos más frecuente e importante en la ingeniería.
Superficies Extendidas
Cuando a las superficies ordinarias de transferencia de calor se le
añaden piezas adicionales de metal, estas últimas extienden la superficie
disponible para la transferencia de calor. Mientras que las superficies
extendidas aumentan la transmisión total de calor, su influencia como
superficie se trata de una manera diferente de la simple conducción y
convección.
Ilustración 49. Superficies extendidas
67
Tubo ordinario y tubo aleteado
Puesto que las aletas se fijan a la superficie del tubo frío sirven para
transferir calor adicional del fluido caliente al tubo interior. La superficie total
disponible para la transferencia de calor no corresponde ya a la
circunferencia exterior del tubo interior, sino que está aumentada por la
superficie adicional en loa lados de las aletas.
Ilustración 50
Algunas formas comerciales de superficies extendidas:
a) Aleta longitudinal.
b) Aletas transversales.
c) Aletas discontinuas.
d) Dientes o espigas.
e) Espinas
Aletas transversales
Se fabrican de una gran variedad de tipos y se emplean
principalmente para el enfriamiento y calentamiento de gases en flujo
cruzado. Las aletas helicoidales de la figura a) se clasifican como
68
transversales y sujetan a varias formas tales como insertos, expandiendo el
metal mismo para formarlas o soldando una cinta metálica en el tubo en una
forma continua. Las aletas de tipo disco son también del tipo transversal y
usualmente se sueldan al tubo o se sujetan a él mediante contracción, como
se muestra en la figura b) y c).
Ilustración 51. Aletas transversales
(Url: http://es.slideshare.net/yumardiaz/que-es-un-intercambiador-de-calor)
Diseño del intercambiador de calor
Canut, Guerra, Guzmán y Struck (2008). Concluyeron que,
p
araelcálculodelcoeficientedetransferenciadecalor,asícomodelaeficiencia
delaaleta,setienendiferentesecuacionesdependiendodeltipodealetasque
seconsideren.Consideraciones:
a) Procesoarégimenpermanente.
b) Elmaterialdelaaletaeshomogéneo.
c) Noexisteningunafuentedecalorenlaaletamisma.
d) Elcoeficientedetransferenciadecaloreselmismoentodalasuperficiedelaaleta.
e) Latemperaturadelfluidoquerodeaalaaletaesuniforme.
f) Launióndelaaletaconeltubonoofreceresistenciaalatransferenciadecalor.
69
Cálculodelcoeficientetotaldetransferenciadecalor
Elflujo másicodelairesedeterminapor mediodelalecturaenun
manómetrodiferencialacopladoaunaplacadeorificios
m=C 0 AT √ 2gc ΔPρ( DTD 0
)4
−1
ΔP=Δ zgcgc
( ρagua−ρaire )
Q=Mλ
q=mCp (T 1−T 2 )
Donde:
m=gastoenmasadeaire
C0=coeficientedelaplacadeorificio(0.7)
AT=áreadelatubería
ΔP=caídadepresiónen laplacadeorificio
DT=diámetrointernodeltubo
D0=diámetrointernodelorificio
Δz=diferenciadealturasenelmanómetrodiferencial
Q=calorcedidoporelvapor
M=flujomásicodelvapor
q=calorganadoporelaire
70
Cp=calorespecíficodelaireevaluadoa latemperaturapromedio
λ=Calorlatentedevaporizaciónevaluadoa
lapresióndeentradadelvaporalintercambiador
T1=temperaturadeentradadelaire
T2=temperaturade salidadelaire
Porlotantopara obtenerlamasadevapor:
M=mxCp+ (T 1−T 2 )
λ
Seccióndelaaleta
S=δh
Donde:
S=seccióndelaaleta[ft2]
δ=espesordelaaleta[ft]
h=alturade laaleta[ft]
Aa=π4Di2− π
4D 02−N
Donde:
Aa=áreadelanillo[ft2]
Di=diámetrointernode laenvolvente[ft]
Do=diámetroexteriordeltubo[ft]
N=númerodealetas
Perímetromojado.
71
Pm=π d o– N d+2Nh+Nd
Diámetroequivalente.
De=4 AaPm
Masavelocidadenelanillo.
Ga= mAa
Donde:
Ga=masavelocidaddelaireenelanillo[lb/hrft2]
NúmerodeReynoldsenelanillo.
ℜa=De∗Gaµa
Donde:
Rea=númerodeReynoldsenelanillo.
µa
=
viscosidaddelaireevaluadaatemperaturapromedio(buscardetablasonomo
gramas).
Determinación del factor jf.
O
btenerelfactorjfdelagráficadelaFigura1,jfrepresentaelfactorparalatransfer
enciadecalorentubosaletados,esadimensional.
72
Coeficiente individual de transferencia de calor para el aire que circula por el
anillo.
Jf=( h f∗D ek a )¿(Cp∗µa
k a)−13 ¿ ( µ a
µw)−0.14
Donde:
hf=coeficienteindividualdetransferenciadecalordelladode lasaletas
Ka=conductividadtérmicadelaireevaluadaatemperaturapromedio
Elúltimotérminodelaecuacióntieneun valorde1.0paragases.
Factordeincrustaciónparaelladodelanillo
Buscarentablaselfactordeincrustación(Rdo)paraelaire.
ℜa= 1R do
C
oeficienteindividualdetransferenciadecalorparaelairequecirculaporelanill
ocorregidoporelfactordeensuciamiento.
h ´ f= hdoh ´ fR do+h ´ f
Donde:
h´f=coeficienteindividualdetransferenciadecalorcorregidoparaelaire
Cálculodelaeficienciadelaaleta
73
η=t anh(mh)
mh
P=2 (δ+L)N
a x=δLN
m=√ h´ f PK ma x
Donde:
η=eficienciadelasaletas.
tanh=tangentehiperbólica.
m=constanteparaladeterminacióndelaeficienciadelaaleta[ft-1]
P=perímetrodelaaleta[ft]
L=longituddelintercambiador[ft]
ax=seccióntransversaldelaaletaaángulosrectosalflujodecalor[ft2].
km=conductividadtérmicadelintercambiadoraletado[25BTU/(hrft°F)]
C
oeficienteindividualdetransferenciadecalordelladodelanillo,referidoa
láreainternadeltubo
h fi=(η A f +A o ) h´ fA i
A f=(2NhL)
Ao=(π d−Nδ ) L
74
A i=hL
Donde:
h
fi=coeficienteindividualdetransferenciadecalordelladodelanilloreferidoaldi
ámetrointernodeltubo.
Coeficientetotaldetransferenciadecalor
U Di= h ´ f i h´ ih ´ f i+h ´ i
Donde:
U
Di=coeficientetotaldetransferenciadecalor,basadoenlasuperficieinteriordel
tubo[BTU/(hrft2°F)]
hi= coeficiente individual de transferencia de calor en el interior del
tubo,elcualsepuedecalcularconlacorrelacióndeDeLorenzo
h i=1.36 Aq0.5 L0.35d−0.25
A=−0.0318T+11.614
Donde:
hi=coeficientedepelículaparaelvapor[W/(m2 °C)]
L=longituddeltubo[m]
d=diámetrointernodeltubointerno[m]
75
T=temperaturadelvapor[°C]
Teoría de Senft _Schmidt
Para, Pascual (2010). En 1871 Schmidt realizó un estudio del ciclo del
motor. El análisis puede aplicarse a los tres tipos de configuraciones: Alpha,
Beta y Gamma. Los modelos Beta y Gamma tienen un desplazador y un
pistón de trabajo, mientras que el modelo Alpha presenta dos pistones de
trabajo. Esta teoría supone movimientos sinusoidales de los pistones en el
modelo ideal, con lo que Schmidt logra unir la parte cinemática con la parte
térmica del motor.
Aunque el mecanismo biela-manivela no produce un movimiento
perfectamente sinusoidal, esta teoría representa mejor el ciclo real que el
modelo teórico. La teoría de Schmidt pertenece a los modelos de primer
orden. Los modelos de primer orden suponen la conservación de la masa,
mientras que los modelos de segundo orden suponen además la
conservación de energía. Los modelos de tercer orden aparte de la
conservación de la masa y energía contemplan también la conservación del
momento lineal. (p.13)
Se inicia con la aplicación del modelo Senft_Schmidt para la obtención
del trabajo indicado del motor con los datos de la siguiente tabla 12.
Tabla 8. Variable Valor Variable Valor
Variable Valor Variable Valor
76
θ (i) Rcil
ω (i) Rgas
I 4−3 Tc
I 5−3 Te
L Th
Lpc Tk
Lpe Vc2 (i)
m1 Vca
m2 Vel(i)
m4−3 Vh
m5−3 Vk
Pci Vr
Rcig
Modelo termodinámico
En esta sección se presenta un modelo termodinámico simplificado,
desarrollado con el fin principal de tener un sustento para utilizar el modelo
mecánico del siguiente apartado.Para calcular las masas existentes en cada
parte de la máquina, se utiliza la presión de carga inicial y las siguientes
expresiones:
77
Y la masa total m es la suma de todas las anteriores, por lo que se
puede obtener la misma, a medida que el motor avanza:
Y despejando P,
Y como simplificación se considera . El volumen total se
calcula como
Y si el cambio de volumen es negativo, se calcula el calor transferido
en el intercambiador de compresión y a la vez el trabajo de compresión; si
resulta positivo, se calculan dichos valores para la expansión. Utilizando
diferencias finitas:
Modelo dinámico
En la Figura 48 se encuentra esquematizado un motor Stirling tipo
alfa. Los dos pistones se encuentran desfasados un ángulo /2. El
78
ensamblado de los intercambiadores es como se muestra en la Figura 48. Se
supone que las bielas se unen al cigüeñal en un radio Rcig, y a un ángulo θ
desde el eje del cilindro de expansión.
Ilustración 52. Esquema del motor Stirling tipo Alfa
Para esta primera versión del modelo, se realiza la suposición de
intercambiadores ideales, por lo cual la temperatura de la pared del
Calentador y del Cilindro de expansión son iguales a Th, y la del Enfriador y
Cilindro de compresión a Tc. Para los cálculos, se coloca el centro de
gravedad de las bielas en la mitad de su longitud, y todos los cuerpos a
considerar son rígidos. La potencia se entrega en el eje, y se obtendrá desde
las fuerzas actuantes en pistones y bielas. La posición del pistón de
compresión sigue una función:
Y la del pistón:
79
Donde
Y
El volumen del cilindro de expansión se calcula como:
Y el volumen del cilindro de compresión:
Derivando las ecuaciones (6) y (7) se obtienen las velocidades lineales
de los pistones,
Y
Donde
80
Y
Correspondientemente. Siendo ω la velocidad angular del volante de
inercia y la derivada respecto del tiempo de θ. Para obtener las
aceleraciones, se derivan las ecuaciones (12) y (13):
Siendo
Donde α es igual a dω/dt.
A continuación se analizan las fuerzas y torques actuantes sobre el
pistón y la biela en el sistema de expansión, para ello, se utiliza el esquema
de la Figura 2.
81
Ilustración 53. Esquema dinámico de biela y pistón de expansión
Se utilizan dos sistemas de referencia conveniente, el x-y fijo al pistón
(trasladante) y el n-t fijo a la biela (rotante-trasladante). Las ecuaciones de
equilibrio propuestas en la figura anterior son: de torque,
En la dirección n1,
Y en la dirección t1,
82
De las cuales es posible obtener F5x, F3n y F3t, los demás términos
son:
Del conjunto de ecuaciones (23) vale destacar Fp1 que es la fuerza
ejercida por el gas sobre el pistón, como diferencia de la presión en el
cilindro y la existente en el cárter. Las mismas son obtenidas a partir del
modelo termodinámico. Ahora es posible calcular la fuerza tangencial que
éste conjunto ejerce en el cigüeñal:
De modo que el torque aportado por este conjunto al sistema motor
es:
El balance de fuerzas y torques del conjunto de compresión se puede
ver en la Figura 3.
83
Ilustración 54. Esquema dinámico de biela y pistón de compresión
El análisis es similar al anterior, la expresión para los torques es:
Para la dirección n2,
Y para la dirección t 2,
84
De las cuales es posible obtener F4 x ,G3n y G3 t ,demás términos son:
La fuerza tangencial que ejercen la biela y el pistón de compresión
sobre el cigüeñal es:
A partir de la expresión anterior, es posible hallar el torque con que
contribuye el conjunto de compresión como
Para tener en cuenta la fricción, se utiliza la curva de potencia perdida
por fricción en función de la velocidad angular, obtenida en [6]:
Así, el torque de fricción tiene la expresión:
85
Otros torques a tener en cuenta son: el de carga, dado por el
mecanismo que se le acople (de aquí en adelante se considera cero), y el del
cigüeñal:
Considerando un momento de inercia I para el volante, la ecuación
resultante es
De esta expresión, es posible actualizar la velocidad angular. En la
Figura 4, se muestra el diagrama de flujo del programa.
86
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Para diseño y la construcción del banco didáctico se procedió primero
a realizar una revisión bibliográfica y en Internet con la finalidad de
comprender el funcionamiento en general de los motores.
Tipo de investigación
Esta investigación es proyectiva según las Normas y Orientaciones
para la Elaboración, Presentación y Evaluación de los Trabajos de Grado, la
cual intenta proponer soluciones a una situación determinada. Implica
explorar, describir, explicar, proponer alternativas de cambio, más no
necesariamente ejecutar la propuesta. Dentro de esta categoría están los
proyectos factibles, así como toda investigación que conlleve al diseño o
creación de algo.
En cuanto a la metodología que se utilizó en el presente trabajo, se
señala que consiste en una investigación de acción participativa (progresista
– constructivista) documental y de campo, es decir "el estudio de problemas
con el propósito de ampliar y profundizar el conocimiento de su naturaleza,
con apoyo, principalmente de la comunidad, en trabajos previos, información
y datos divulgados por medios impresos, audiovisuales o electrónicos.
Diseño de la investigación
Para elaborar el presente trabajo, en primer lugar, se seleccionó el
tema de la investigación. Luego, se procedió a diseñar la estructura tentativa
del trabajo.
Seguidamente, se inició la búsqueda minuciosa de material impreso
relacionado con la investigación, en libros, revistas, periódicos, documentos y
87
fuentes electrónicas. Por tanto, esto le da a la investigación, principalmente,
un carácter documental.
Posteriormente, se revisó, seleccionó y clasificó el material impreso,
para proceder, a continuación, a elaborar la estructura definitiva del trabajo.
Cumplido este proceso, se interpretó el material impreso para luego
redactar, con base en el análisis efectuado, el presente trabajo.
88
CONCLUSIÓN
Debido a la falta de equipos térmicos, se hace difícil comprender las
unidades curriculares que se vinculan con la termodinámica en el IUTOMS
(Instituto Universitario del Oeste Mariscal Sucre), por ello se ha tomado la
tarea de diseñar un banco didáctico el cual será basado en el motor Stirling
tipo alfa que tendrá como objetivo relacionar la teoría con la práctica y no
como actualmente se ha implementado en nuestra institución, donde solo
se aplica la teoría y queda inconclusa la información que se quiere transmitir
al alumno.
Utilizando el banco propuesto se simplifica la teoría que el profesor
impartirá y se proporcionará no solo dicha teoría sino que la practicaserá
parte de la información que se desea que el alumno comprenda y la sepa
aplicar cuando llegue al campo laboral.
Teniendo este primer banco didáctico se buscara incentivar al instituto
a crear un laboratorio con equipos térmicos que faciliten a los profesores dar
sus unidades curriculares que se vinculen con la termodinámica, en este
laboratorio se podría enriquecer y mejorar esta unidad curricular obteniendo
una mayor preparación del alumnado formando mejores ingenieros para el
país.
89
ANEXOS –A-
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Concepción, S (2010). El motor Stirling y su implantación en buques mercantes.
Agüero, V (2006).Diseño y Construcción de un motor stirling para la generación de energía eléctrica. Universidad Nacional de Ingeniería Lima-Perú.
Rodríguez, V (2011). Estado Actual de la Tecnología de Motores Stirling.Universidad Veracruzana Veracruz-México.
Hernández, R y Otros (1998). Metodología de la Investigación. México. Mc Graw Hill.
Rodríguez,V (2011). Estado Actual De La Tecnología De Motores Stirling
Norton, R (2009). Diseño de maquinara Síntesis y análisis de máquinas y mecanismos.Cuarta edición. México. Mc Graw Hill.
López, A (2013).Tecnología De La Fabricación. Universidad de Almeria, Área de ingeniería mecánica. Almeria-España.
Diaz, N. (s.f.). www.monogrfias.com. Obtenido de http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf calor.shtml#ixzz2qcjORwiP
Castillo, A (2005). Apuntes para la materia de Cinemática de las Máquinas. Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Facultad De Ingeniería. Madrid-España.
Cortés, V (2009). Diseño y Construcción de un banco didáctico de montaje y desmontaje de rodamientos. Universidad Simón Bolívar. Caracas-Venezuela.
Roque, M (2009). “Diseño de un Banco Didáctico de Pruebas de Mecanismos”. Universidad Nacional de Colombia Facultad de Minas Pregrado en Ingeniería Mecánica. Medellín-Colombia.
Nichols, H. (1983).Manual de reparación y mantenimiento de maquinaria pesada. Segunda Edición, México, Mc Graw-Hill.
Flórez, J (2002). Máquinas térmicas motoras
90
Guzmán, l (2006). Diseño mecánico de recipientes a presión bajo el código ASME sección viii, división 1. Universidad Simón BolívarDecanato de Estudios Profesionales. Carcas-Venezuela.
Sánchez, E (2010). Cálculo y Diseño de un Pistón de Aluminio. Instituto Politécnico Nacional. México, DF-México.
Schulze, V (2008). Mecanismos y Circuitos. Liceo Bicentenario Carmela Carvajal de Prat Educación Tecnológica. Osorno-Chile.
Tellado, J (2011). Trabajo Investigativo "Medios de Enseñanza". Santiago-Chile.
Canut, A; Guerra, F; Guzmán, B y Struck, A (2008). Reporte post-laboratorio práctica 2: tubos aleteados. Universidad Iberoamericana. Mexico DF.-Mexico.
Fitzgerald, A.E., Kinglsley, C., Umans, S. (2003). Electric Machinery, sextaEdición, Mc.Graw Hill, International Edition 2003, ISBN 0-07-112193-5
Libro: Dr. Ing. Hans D. Baehr (1965).Tratado moderno de termodinámica (teoría y aplicaciones técnicas)
Libro: John R. Howell y Richard 0. Buckius (1990). Principios de Termodinámica para Ingeniería
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor?oldid=78426943
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor%20t%C3%A9rmico?oldid=79875156
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_impulsi%C3%B3n
https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2011/447/42501/1/Documento15.pdfhttp://www.ecured.cu/index.php/Medios_Did%C3%A1cticos
http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn31.html
http://image.slidesharecdn.com/eficienciaenergeticaenlaspymesachee-130311181108-phpapp02/95/eficiencia-energetica-enlaspymesachee-5-1024.jpg?cb=1363043558
91
ANEXOS –B-
Simbología utilizada y su descripción
α: aceleración angular (rad/s2)
β: ángulo entre la biela y el eje de
su pistón (rad)
θ: ángulo que forma el cigüeñal
respecto del eje del pistón de
expansión (rad)
τ: tiempo (s)
ω: velocidad angular (rad/s)
a p:velocidad lineal del pistón (m/s2)
dt: paso de tiempo (s)
F: fuerzas actuantes en pistón y
biela de expansión (N)
g: aceleración gravitatoria [9,81 m/
s2]
G: fuerzas actuantes en pistón y
biela de compresión (N)
I: momento de inercia (kg ⋅m2)
L: largo de la biela (m)
Lp :largo del pistón (m)
m: masa (kg)
N: potencia (W)
P: presión (Pa)
Q: calor intercambiado (J)
R: radio (m)
Rgas: constante del gas helio (J
°K/kg)
T: torque (N.m)
t: temperatura
Tc: temperatura del foco frío (°K)
Th: temperatura de foco caliente
(°K)
V: volumen m3
V p :velocidad lineal del pistón (m/s)
W: peso (N)
Wo: trabajo (J)
X: dirección del eje del cilindro
X p :posición del pistón (m)
y: dirección perpendicular al eje del
cilindro
92
Subíndices
1 Pistón del cilindro de expansión
2 Pistón del cilindro de compresión
3 Articulación cigüeñal-bielas
4 Articulación biela-pistón
compresión
4-3 Biela del cilindro de
compresión
5 Articulación biela-pistón
expansión
5-3 Biela del cilindro de expansión
c compresión
c2 cilindro de compresión
ca cárter
ci carga inicial
cig cigüeñal
cil cilindro
e expansión
elcilindro de expansión
f fricción
G centro de masa de la biela
h calentador
k enfriador
ndirección del eje de la biela
p pistón
q carga
r regenerador
tdirección perpendicular al eje de la
biela
tan dirección tangencial
93
ANEXOS –C-
Árbol de Causa y Efecto
94
ANEXOS –D-
Árbol de medios y fines
95
ANEXOS –E-
Cronograma de actividades
96
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 2014
ACTIVIDADESFECHA
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL SEP OCT NOV DIC
INVESTIGACIÓN PARA TEMA DEL
PROYECTO
OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVO
ESPECÍFICO
ÁRBOL DE CAUSAS Y
EFECTOS, ÁRBOL DE MEDIOS Y
FINES
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
JUSTIFICACIÓN
MARCO TEÓRICO
METODOLOGÍA