“Año de la Integración Nacional y el Reconocimiento de Nuestra Diversidad”

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO(Ciencia y Tecnología rumbo al tercer milenio)

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA - ENERGÍA

E.A.P. INGENIERÍA MECÁNICA

PROYECTO:

MOTOR DE SDTIRLING

Curso : FISICA II

Integrantes: Pereira Román, Roberto Ruiz Ruiz, Fernando Aguilar de la Cruz, Diego Albis Gamarra, Jesús Lopez Silva,Miriam Viera Flores,Alexander Cardenas Pineda,Jose Cortez Herrera,Ivan Laureano Ninaquispe,Marcelo Salas Rupay,William Huarcaya Huamali, Angel Huaman Agüero,Alex Cayotopa Mesones, Wilmer

2012

“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánica

Dedicado a todos los maestros que

Día a día comparten sus conocimientos

y nos orientan para tener un buen futuro

Profesional

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánica

NOTA PRELIMINAR DEL PROYECTO

El presente proyecto pretende ser un trabajo no sólo de investigación teórica

sino también de experimentación práctica. Ha sido llevado a cabo por un grupo de trece

alumnos de la Universidad Nacional Del Callao durante un período de dos meses.

El objetivo final ha sido el diseño, la construcción y el análisis experimental de una

máquina térmica prácticamente olvidada desde principios del siglo XX y que en los

últimos años ha resucitado como una de las posibles soluciones a los problemas

energéticos mundiales.

Dado el excepcional rendimiento del motor de aire caliente que ideó Robert Stirling,

sus aplicaciones al mundo espacial son estudiadas por universidades y agencias como la

NASA o la ESA como alternativa factible para solucionar el problema de abastecimiento

energético en satélites y asentamientos humanos fuera de nuestro planeta.

Una forma de producir energía de manera sencilla, barata, sin apenas mantenimiento

técnico y con un magnífico poder para transformar la energía.

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1. Introducción…………………………………………………………………….......................5

2. Historia………………………………………………………………………………………….…….6

3. Principios de funcionamiento……………………………………..……………………...7

4. Tipos de motores de aire caliente……………………………………………………….14

5. Aplicaciones pasadas, actuales y futuras…………………………………….….…..17

6. Descripción de los componentes de un motor Stirling…………………….…26

7. Materiales de construcción…………………………………………………………,,……31

8. Construcción de un motor Stirling. Planos…………………………………,…….…32

9. Plan de construcción……………………………………………………………………….....36

10.Conclusiones y bibliografía………………………………………………………………….39

11.Ventajas y desventajas………………………………………………………………………..40

12.Bibliografia………………………………………………………………………………………….42

ÍNDICE

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1) INTRODUCCIÓN.

El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempos de los egipcios para desarrollar trabajo mecánico, accionando de esta manera trampillas, puertas y pesadas cargas, pero fue en la revolución industrial cuando las máquinas 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.La actual preocupación medioambiental y la cada vez más acuciante escasez de recursos energéticos de carácter fósil ha hecho que se haya rescatado del olvido este genial artilugio

Como una de las posibles soluciones a tales problemas dado su excepcional rendimiento.

esta maquina nos genera ventajas tales como la facilidad de operación , utilización de diversos materiales como combustibles, sencillez de mecanismos y bajo costo de mantenimiento hacen que estos motores se perfilen como una alternativa practica para aquellos lugares donde no llega fluido eléctrico o no hay otras posibilidades de generación de potencia.

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2) HISTORIA.

El motor Stirling fue inventado por el reverendo escocés Robert Stirling (1790-1878) en 1816. (Imagen de la National Library of Scoland)

Stirling vivió en los primeros tiempos de las máquinas de vapor, cuando éstas explotaban con cierta frecuencia (debido a la mala calidad de los aceros) hiriendo gravemente a quienes trabajaban cerca. Preocupado por esta peligrosidad de las máquinas de vapor decidió investigar en máquinas más seguras. Las investigaciones y el trabajo de Stirling dieron el fruto del motor que hoy lleva su nombre. Por su fundamento el motor inventado por Stirling no podía estallar, además su rendimiento era superior a los motores de vapor, generando más trabajo a partir de la misma

cantidad de combustible.

No obstante, el motor Stirling tenía el inconveniente de generar menos potencia que la máquina de vapor y otros motores en igualdad de tamaño y peso, razón por la que no desbancaron a las otras máquinas y motores. Además, hasta finales del siglo XIX, llegaron a utilizarse con cierta frecuencia para mover bombas de agua, gramófonos, máquinas de coser, ventiladores, centrifugadoras, etc.

En la actualidad el motor Stirling es objeto de diferentes líneas de investigación y desarrollo, de las cuales una muy curiosa es la aplicación en la refrigeración de ciertos dispositivos electrónicos.

Esta aplicación se basa en que el motor Stirling es un sistema reversible, es decir, si calentamos uno de los cilindros del motor mientras enfriamos el otro, entonces obtenemos trabajo mecánico; de manera inversa, si accionamos la máquina Stirling de algún modo, entonces uno de los cilindros de la máquina se calentará y el otro se enfriará. Con este método se consiguen temperaturas muy bajas (de hasta -100 ºC).

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Otra aplicación es en los submarinos, ya que este motor permite la recarga de las baterías a grandes profundidades.

En yates existe un motor Stirling diseñado especialmente para ellos.

Para la refrigeración en enfriadores estos motores pueden llegar a alcanzar temperaturas de 10 ºK (-263 ºC).

En aparatos de alta tecnología tiene utilidad. La marina sueca ha instalado motores Stirling en varios de sus submarinos. Kawasaki realiza investigaciones sobre este tema para la marina japonés. Otro campo abierto es la generación de energía cerca del punto de consumo, es decir, podrían producirse minicentrales adecuadas a un pueblo o distrito. De este modo la generación de electricidad se adaptaría al consumo de la zona y se evitarían las pérdidas ocasionadas como consecuencia del transporte y redes de distribución en largas distancias.

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3) 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.

En nuestro diseño, aplicamos calor en la parte inferior, y frío en la parte superior a un recipiente hermético que contiene el medio de trabajo (aire), y un pistón desplazador, para mover el aire de una zona del recipiente a otra. Al aplicar calor a la base del recipiente, y con el pistón desplazador en la parte opuesta (arriba), aumenta la temperatura del aire, por lo que según la ley general de los gases aumenta la presión, empujando una superficie elástica, mediante la cual conseguiremos movimiento. Este movimiento de la superficie elástica se transmitirá a un cigüeñal, que a su vez irá conectado al pistón desplazador con en ángulo de noventa grados, de forma que, al subir la superficie elástica el pistón desplazador baje y desplace el medio de trabajo de la parte caliente del recipiente a la parte fría, lo que hará que disminuya el volumen y la presión del medio de trabajo, por lo que la superficie elástica volverá a su estado inicial, completando el recorrido del cigüeñal. Al volver a la posición inicial, volverá a subir el pistón desplazador, desplazando el medio de trabajo de nuevo a la parte caliente del recipiente, aumentando su volumen, la presión y repitiendo el proceso.

El ciclo termodinámico del motor de Stirling visto en la gráfica de presión contra volumen, se compone de dos procesos isotermos (se mantiene constante la temperatura) y de dos procesos isócoros (se mantiene constante el volumen),

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicaveámoslo en detalle:

El ciclo del motor Stirling está compuesto por dos evoluciones a Volumen constante y dos evoluciones isotérmicas, una a Tc y la segunda a Tf. El fluido de trabajo se supone es un gas perfecto. En el ciclo teórico hay un aspecto importante que es la existencia de un regenerador. Este tiene la propiedad de poder absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo.

Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior. Hay algunos aspectos básicos a entender en la operación de un motor Stirling:

El motor tiene dos pistones y el regenerador. El regenerador divide al motor en dos zonas, una zona caliente y una zona fría.

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánica El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder calor y con

conductividad térmica despreciable.

El fluido de trabajo está encerrado en el motor y los pistones lo desplazan de la zona caliente a la fría o viceversa en ciertas etapas del ciclo. Por lo tanto se trata de un ciclo cerrado.

Cuando se desplaza el fluido desde la zona caliente a la fría (o al revés), este atraviesa el regenerador.

El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga trabajo útil.

Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro del regenerador es despreciable en el caso del ciclo teórico. Como en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento es algo inferior.

En el ciclo teórico se supone que la eficiencia del regenerador es de un 100%. Es decir devuelve todo el calor almacenado y además con recuperación total de temperaturas.

La descripción del ciclo es como sigue:

El cilindro frío está a máximo volumen y el cilindro caliente está a volumen mínimo, pegado al regenerador. El regenerador se supone está "cargado" de calor. El fluido de trabajo está a Tf a volumen máximo, Vmax y a p1.

Entre 1 y 2 se extrae la cantidad Qf de calor del cilindro (por el lado frío). El proceso se realiza a Tf constante. Por lo tanto al final (en 2) se estará a volumen mínimo, Vmin, Tf y p2. El pistón de la zona caliente no se ha

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicadesplazado. En esta evolución es sistema absorbe trabajo.

Entre 2 y 3 los dos pistones se desplazan en forma paralela. Esto hace que todo el fluido atraviese el regenerador. Al ocurrir esto, el fluido absorbe la cantidad Q' de calor y eleva su temperatura de Tf a Tc. Por lo tanto al final (en 3) se estará a Tc, Vmin y p3. El regenerador queda "descargado". En esta evolución el trabajo neto absorbido es cero (salvo por pérdidas por roce al atravesar el fluido el regenerador).

Entre 3 y 4 el pistón frío queda junto al lado frío del regenerador y el caliente sigue desplazándose hacia un mayor volumen. Se absorbe la cantidad de calor Qc y el proceso es (idealmente) isotérmico. Al final el fluido de trabajo está a Tc, el volumen es Vmax y la presión

es p4.

Finalmente los dos pistones se desplazan en forma paralela de 4 a 1, haciendo atravesar el fluido de trabajo al regenerador. Al ocurrir esto el fluido cede calor al regenerador, este se carga de calor, la temperatura del fluido baja de Tc a Tf y la presión baja de p4 a p1. Al final de la evolución el fluido está a Vmax, p1 y Tf. El regenerador sigue "cargado" de calor.

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El área del ciclo real es inferior al del teórico.

El diagrama Presión-Volumen aporta la ventaja de poder “ver” gráficamente el trabajo externo desarrollado por la máquina pues coincide con el área encerrada en

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicael ciclo (al multiplicar presión por volumen las unidades físicas resultantes son de trabajo).

Cuanto mayor sea el área del ciclo mayor es la potencia del motor de lo que se puede deducir que a mayor diferencia de temperaturas entre los focos mayor es la distancia entre las dos isotermas y por lo tanto mayor es la potencia del motor, esto es precisamente lo que queremos demostrar en nuestro experimento que posteriormente describiremos.

El rendimiento de un motor térmico es la porción de energía calorífica que es transformada en energía mecánica. Entendiendo que el calor es la energía que fluye entre dos focos a distinta temperatura podemos poner pues que:

n= wQC

Donde W es el trabajo obtenido y QC el calor que fluye del foco caliente al frío (en el gráfico Qf es la parte del calor que llega al foco frío y que no puede ser transformada en trabajo).

Lo ideal, evidentemente sería un motor con rendimiento 1 (esto es, del 100%) de manera que todo el calor se transformase en trabajo y nada se “desperdiciase”, sin embargo existe un principio físico que demuestra que esto es no sólo prácticamente sino también teóricamente imposible y a lo máximo que se puede llegar en teoría es a tener un rendimiento de que sigue esta expresión:

n=1−T fTC

Donde Tf y Tc son las temperaturas del foco frío y caliente respectivamente. Como es obvio deducir, para que el rendimiento sea lo más próximo a 1 necesitaríamos llevar al infinito la temperatura del foco caliente, lo cual es imposible. Por lo tanto nos tenemos que conformar con rendimientos menores del 100% siempre.

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería MecánicaEl motor Stirling, al menos en teoría, es capaz de alcanzar este rendimiento máximo y es ahí donde radica su verdadero valor de aplicación.

4) TIPOS DE MOTORES DE AIRE CALIENTE.

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:

4.1) 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.

4.2) Motores de tipo alfa:

Este motor fue diseñado por Rider. 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

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicaotro 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 deterioran los materiales.

4.3) 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.

Gamma conectadas palancas.

4.4) 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

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicamuy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma).

4.5) Motor de pistón líquido:

En este tipo de motor se sustituye el pistón y el desplazador por un líquido. Está formado por dos tubos rellenos de unos 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.

4.6) Motor Stirling termo acústico:

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.

Termoacústica con polea Termoacústica con jeringuilla

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5) APLICACIONES.

Aplicaciones iníciales del motor Stirling:

Nació como competencia a la máquina de vapor, ya que intentaba simplificarla se aplicó en principio a máquinas que requerían poca potencia ventiladores o bombas de agua. Perdió el interés después del desarrollo del motor de combustión interna y se ha retomado el interés estos últimos años debido al gran número de características favorables que presenta, en concreto su elevado rendimiento.

Coches híbridos: Los vehículos híbridos son señalados por muchas voces hoy en día como los medios de transporte que ocuparemos a mediano plazo en especial en las grandes ciudades. Esto principalmente debido a las bajas emisiones de contaminantes y a la elevada economía de combustible que se obtiene con esta tecnología. Los HEV (hybrid electric vehicle) son autos provistos de un motor de combustión y otro eléctrico, y se pueden clasificar en dos categorías: en serie y en paralelo.

o HEV en serie: El motor de combustión es ocupado como un

generador de electricidad para mover el motor eléctrico, que es el que finalmente provee la potencia para propulsar el vehículo. Este sistema se utiliza intercalando una batería entre los dos motores, de manera de ocupar el motor de combustión en recargarla cuando sea necesario, existiendo también la posibilidad de hacer esto último enchufándola a alguna fuente (como la casa del propietario del vehículo).

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería MecánicaLa energía proveniente del combustible mueve el motor de explosión. Este entrega energía para almacenarla en la batería. Desde ésta, la energía viaja a un motor eléctrico encargado de mover las ruedas.

o HEV en paralelo: Tanto el motor de combustión como el eléctrico proveen la potencia para la propulsión del vehículo. Así, si el vehículo se encuentra en ciudad, puede funcionar accionado solamente por el motor eléctrico (sin emitir contaminantes), y utilizar como apoyo el motor de combustión cuando se requiera una potencia elevada, como al realizar un adelantamiento o hacer un viaje cargado.

La energía del combustible mueve el motor de combustión. La potencia para mover las ruedas viene de dos fuentes: el motor de combustión a través de la transmisión y/o el motor eléctrico (con su

dispositivo para almacenar energía)

*Ejemplos de Aplicación: Veremos aquí un par de ejemplos del uso del motor Stirling en el campo automotriz:

Una de las mayores dificultades para utilizar motores Stirling en vehículos no híbridos es que resulta muy difícil construir uno de estos motores logre partir instantáneamente. Cuando uno se sube a su auto, le gusta que parta a la primera y pueda salir inmediatamente, cosa que los motores Stirling no pueden hacer. A pesar de estas limitaciones, Ford, GM, y American Motors Corp. (AMC) gastaron millones de dólares desarrollando motores Stirling para autos antes de los años 70. Ford también construyó un Stirling que puede salir andando (con una potencia relativamente baja) 20 segundos después de que le des la partida. Muchos prototipos fueron construidos y probados. Luego el precio del petróleo se vino abajo en los años 80 y la gente comenzó a comprar grandes autos, sin preocuparse por cierto de su rendimiento. A pesar de ello no hay aparentemente una buena razón para construir un motor que sea

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicasustancialmente más eficiente que el motor de combustión interna, pero que no parta instantáneamente.

Aquí se muestra la foto de un automóvil AMC Spirit del año 1979 el cual estaba equipado con un motor Stirling experimental de planta llamado el "P-40". Este auto era capaz de quemar bencina, petróleo o un tipo de gas (gashol). Este motor Stirling P-40 prometía una baja polución, una mejoría del 30% en rendimiento (Kms/lt), y un

igual desempeño que el motor estándar de combustión interna.

Dadas las características del motor Stirling, se está desarrollando mucha investigación en el mundo para analizar la conveniencia de utilizarlo como fuente motriz en vehículos híbridos. Dentro de esta área, se piensa mas apropiado para HEV en serie, ya que para un HEV en paralelo se necesitaría una mejor respuesta a las solicitudes del conductor así como mayor facilidad para arrancarlo.

El gigante estadounidense GM (General Motors Company), está actualmente construyendo y desarrollando motores Stirling como parte de un contrato con el Departamento de Energía de Estados Unidos para desarrollar un sistema de propulsión híbrido para sus vehículos en el futuro. El equipo de la GM desarrolló en 1998 un prototipo de automóvil llamado Gen2 Stirling HEV, cuya foto mostramos a continuación:

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería MecánicaEl motor Stirling desarrollado por GM usa hidrógeno como fluido de trabajo y tiene varias particularidades. La principal es un disco rotatorio montado en ángulo y unido al pistón (swash plate) que reemplaza a la tradicional biela. Una foto de este motor se puede ver debajo de estas líneas:

Dejemos que el Director del Programa de Desarrollo Híbrido de la GM, Jerry Skellenger, nos hable acerca de este motor:

"Los motores Stirling son silenciosos, suaves y, como las turbinas, son motores de combustión contínua por lo que deberían producir muy bajas emisiones".

"El 'swash plate' fue desarrollado para controlar mejor la salida de potencia y así darle al motor una respuesta mas rápida".

"La real interrogante sobre el uso de éstos motores es el costo, ya que no tenemos datos sobre lo que costaría producir altas cantidades de ellos".

Sin embargo, en la siguiente fase del desarrollo de este proyecto ya no se recurrió a un motor Stirling, sino a uno de gasolina dotado de avanzada tecnología anticontaminante.

Aplicaciones aeronáuticas: Se estudia la posibilidad de incorporar motores Stirling aplicados al mundo de la aviación, al menos en teoría sus ventajas serían las siguientes:

o Es un motor silencioso lo cuál permite un viaje más cómodo para los

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicaviajeros y menos contaminación acústica para los alrededores.

o Emite muchas menos vibraciones puesto que no hay explosión en los cilindros. Y también debido a eso el combustible del motor pudría ser mucho menos inflamable y peligroso en caso de accidente.

o Ya hay estudios que demuestran que a mayor altitud mejora su potencia. A mayor altura la densidad del aire es menor igual que el rozamiento de la nave, pero los motores convencionales pierden potencia por culpa de que no cogen aire suficiente para realizar la combustión, los motores Stirling no tienen ese problema. A esto hay que sumar el hecho de que alturas mayores, menor es la temperatura del aire y por lo tanto, la diferencia de temperatura entre focos del motor se incrementaría, aumentando así su rendimiento y potencia.

Aplicaciones en barcos y submarinos: El motor Stirling es aplicable a los sistemas de Propulsión en el campo del submarinismo, en concreto la discreción, como problema principal de los submarinos convencionales. Esta es la principal preocupación de los países que construyen este tipo de unidades.

Su funcionamiento básico consiste en la transformación de calor generado externamente en fuerza mecánica y luego en energía por medio de generadores. En 1988 fue probado operativamente y cumplió satisfactoriamente con las exigencias requeridas para la zona de operaciones en un mar. A partir de esa fecha el motor Stirling ha sido incorporado en las nuevas construcciones.

Esquema de un motor Stirling instalado en un submarino

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería MecánicaExiste un tipo específico de motor stirling que es especialmente diseñado para yates.

Aplicaciones energéticas: No obstante el verdadero futuro de aplicación del motor de Stirling está en aprovechar su característica más notable: su rendimiento. Por ello precisamente, este tipo de máquina térmica es un magnífico conversor de unos tipos de energía en otros, en particular resulta muy eficiente para transformar la energía radiante solar en energía eléctrica usando un alternador o dinamo como elemento intermedio: Si disponemos de una superficie que colecte los rayos solares en forma de espejo orientable, será muy fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y éste se pondrá a funcionar.

Al no haber combustión no existe índice de contaminación (gran ventaja contra otros motores). Sin ir más lejos, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos experimentales y demostrativos de gran rendimiento. Conocidos como Distal y EuroDISH formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling.

Conversión de la energía solar a la energía eléctrica y la cogeneración, o sea, la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica.

Para convertir la energía solar en energía eléctrica, se utilizan espejos concentradores o parabólicos parecidos a cuencos o platos (de ahí, el nombre de dish-

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicastirling). En ellos, se reflejan los rayos del sol, que van a parar a un punto llamado foco del concentrador.

Gracias a estos sistemas, se logran unos rendimientos solar-eléctricos del 30%, el doble que si utilizásemos el sistema convencional de paneles fotovoltaicos.

Aunque, de momento, no es una tecnología competitiva desde el punto de vista económico, ofrece una gran ventaja: la generación de energía distribuida.

O sea, podrían construirse mini centrales dish-Stirling adecuadas al tamaño de un pueblo o un distrito. De este modo, la generación de electricidad estaría más cerca del punto de consumo y se reducirían las pérdidas ocasionadas en el transporte y la distribución de electricidad.

Otra de las aplicaciones del motor de ciclo Stirling es la cogeneración, la producción simultánea de energía eléctrica y térmica. ¿Cómo se consigue?

El motor mueve un generador para producir electricidad y entrega simultáneamente agua de refrigeración que, a una temperatura de unos 60 grados centígrados, puede ser aprovechada como energía térmica.

En España, en la Plataforma Solar de Almería, se ha construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicamediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos

experimentales y demostrativos de gran rendimiento.

Motores Stirling en el espacio: La NASA quiere construir una base en la Luna que dure, sea estable y capaz de mantenerse por sí misma. Para ello lo más indicado sería utiliza energía nuclear ya que esta es ligera y compacta, pero es imposible construir un reactor nuclear en la Luna. En el Centro Espacial Marshall de la NASA los científicos e ingenieros han estado trabajando en cómo encontrar una fuente de energía fiable y que se pueda utilizar en nuestro satélite. Dado que en este centro hay una instalación que permite investigar el calor que se produce desde un reactor nuclear a un generador eléctrico, los científicos han experimentado el uso de un motor Stirling que permite que la energía calorífica se transforme en trabajo mecánico.

Lo que los científicos quieren con esto es que este motor Stirling acompañado de un reactor nuclear reducido que se basa en la fisión, produzcan unos 40 kilovatios de energía suficiente para alimentar a la base lunar. La idea de la NASA se hará realidad a principios del año 2012. De la misma manera las agencias espaciales trabajan en la aplicación del motor Stirling en satélites que solucionen sus problemas energéticos en órbita incluyéndolos como elemento intermedio de transformación de la energía entre un reactor de fisión nuclear y el alternador eléctrico.

Ciclo inverso: El ciclo de refrigeración Stirling es el inverso del motor de aire caliente: mientras que en el motor, una diferencia de temperatura entre dos focos se traduce en movimiento, en el refrigerador ocurre precisamente lo contrario: m e d i a n t e trabajo mecánico aplicado al dispositivo Stirling se logra conseguir una diferencia de temperaturas entre dos focos.

o Enfriadoras, una de las características del motor stirling es que es un ingenio reversible, es decir, se puede usar como motor aplicándole calor en forma que genere movimiento, o puede ser usado como maquina, consiguiendo producir frió y calor cuando se le aplica movimiento mecánico mediante un motor exterior. Si se diseña de manera correcta este motor, puede alcanzar temperaturas de -10ο K , y se usan en aparatos de alta tecnología

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicao El motor Stirling es excelente para aplicaciones de refrigeración, de

hecho es una de la máquinas que permite alcanzar temperaturas criogénicas.

Las aplicaciones en este campo son numerosas:- Medio para enfriar equipos electrónicos e imanes superconductores en investigación.- Secado de materiales por congelación.- Medio enfriador para licuar helio, hidrógeno y nitrógeno.- Aparatos de refrigeración varios (conteiner para trasladar productos congelados).

Grano que Procesa--el Grano Gasta como el Combustible

Ésta es una aplicación ideal debido a la disponibilidad del derivado de la biomasa como el combustible para el artefacto. Los USAID-consolidamos, el artefacto de aire caliente simple, es un ejemplo excelente. La siguiente figura muestra este artefacto de aire caliente.

Arroz del millng. Quema la cáscara del arroz producida por el molino él los paseos. Sólo un fragmento de la cáscara producido por el molino es necesitado alimentar el artefacto, las cantidades tan amplias se salen encima de para

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicael artefacto para usar mientras bombeando el agua de la irrigación para el próximo la cosecha de arroz. En por aquí, energía solar, en la forma de biomasa, se usa como la energía primaria entrada para el arroz-crecimiento procese, y ningún combustible externo es necesario.

6) DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN MOTOR STIRLING

Un motor Stirling está compuesto, generalmente, de las siguientes partes:

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6.1) Zona caliente

Esta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por consiguiente, estará sometido a altas temperaturas Los materiales a utilizar para su fabricación deberían ser materiales resistentes al CREEP. Se podría utilizar acero inoxidable austenítico, acero al Cr-Mo, etc.

Esta parte puede ser de varias formas. Su forma más simple es cuando no hay ningún tipo de presurización dentro del cilindro, ésta puede ser un cilindro con una tapa plana Esta configuración la podemos adoptar en motores pequeños y experimentales que no estén presurizados.

El diseño de la zona caliente varía de acuerdo al fluido de trabajo a utilizar, esto es debido a las propiedades del fluido. Por ejemplo, el He tiene una conductividad térmica de seis veces la conductividad del aire, por esta razón el diámetro interno de los tubos de la zona caliente debería ser mas pequeño si utilizamos aire como fluido de trabajo, esto es para hacer más eficiente la transferencia de calor debido a la baja

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicaconductividad térmica del aire. Un motor diseñado para utilizar aire, si funciona eficientemente utilizando He y H2, pero no ocurre lo contrario

6.2) Zona fría

En esta parte se extrae calor del motor. La extracción de calor puede realizarse por convección libre o forzada. En el caso que sea libre, ésta puede realizarse mediante la colocación de aletas de aluminio para disipar rápidamente el calor.

En el caso de una refrigeración forzada, ésta se realiza acondicionando una camiseta de agua. Esta parte puede hacerse de acero inoxidable, fierro fundido, aluminio, cobre, etc.

Estos dos últimos materiales se pueden utilizar en motores de baja potencia o experimentales, ya que en motores de alta potencia sería necesario un mayor espesor de éstos, y el costo sería elevado.

Sistema de refrigeración de un motor Stirling

El sistema de refrigeración tiene como objeto evacuar el calor del fluido de trabajo hacia un medio exterior más frío. Este es una parte muy importante del motor, porque debe ser capaz de evacuar por lo menos el 50% del calor que recibe el motor, y que lo debe hacer a la menor temperatura posible para mejorar la eficiencia térmica del motor. Existen dos tipos de refrigeración:

o Refrigeración por aire

Puede ser por convección natural o forzada. Es necesario acoplar aletas al cilindro; es una transmisión poco eficiente y se utiliza en motores lentos y no presurizados, mayormente se utiliza en pequeños motores demostrativos.

o Refrigeración por agua

Es la más eficiente si se dispone de una fuente inagotable de agua a Página 28

“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicatemperatura ambiente (ríos, lagos, red pública). Sólo se puede utilizar en motores estacionarios. En motores que no son estacionarios lo más recomendable es utilizar un circuito de agua con radiador, el único inconveniente es que se consume energía para bombear el agua e impulsar el aire.

Para las pruebas en el motor construido se utilizó los dos tipos de refrigeración. A continuación hablaremos de la experiencia adquirida durante este trabajo.

6.3) Regenerador

Esta es una parte muy importante del motor Stirling. Es sumamente necesario hacer uso del regenerador cuando el motor Stirling es presurizado, y, también, cuando el motor tenga grandes dimensiones a pesar que no esté presurizado. El regenerador absorbe y entrega calor al fluido de trabajo compensando una parte del calor perdido por el motor, haciendo que la potencia y velocidad del motor se incrementen, esto sucede porque cuando trabaja el regenerador el fluido de trabajo necesitaría absorber menos calor en cada ciclo, con lo cual hace que el ciclo necesite de menos tiempo para realizarse y también se consuma menos cantidad de combustible.

6.4) PistónEsta parte es la que realiza el trabajo motriz, y va conectado al mecanismo de transformación de movimiento. El pistón debe ser ligero porque el gas realiza trabajo sólo durante la expansión. Debido a que el pistón está en la zona fría del motor, sí se puede utilizar aluminio para su construcción. Para motores pequeños experimentales, también utilizan teflón.

El pistón debe llevar anillos en el caso de que el motor sea presurizado y se podría obviar éstos en el caso de ser un motor pequeño o experimental.

Desplazador

Esta parte es la encargada de desplazar el aire de una zona a otra. Esta parte debe ser capaz de generar un gradiente de temperatura entre la zona caliente y la zona fría.

Idealmente, esto se lograría haciendo que la cámara central del desplazador sea un aislador térmico, pero debido a que sería complicada

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“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánicasu construcción, se puede hacer el desplazador largo y que el material tenga baja conductividad térmica; por otra parte, éste debe ser capaz de soportar altas temperaturas, porque la zona caliente siempre se mantendrá a alta temperatura. En motores pequeños y experimentales, el desplazador suele comportarse como un regenerador haciendo que éste tenga paredes lo más delgadas posible.

El desplazador también debe ser liviano porque, en la expansión, sube, juntamente con el pistón, y si éstos son pesados hacen más difícil la expansión del gas, y, por consiguiente, disminuye la potencia. Mayormente, los desplazadores se construyen de acero inoxidable por sus propiedades de conductividad térmica y de resistencia a altas temperaturas. Se sabe que en motores pequeños (de exhibición), también se pueden hacer de aluminio, pero esto no sucede en motores más grandes.

La longitud de un desplazador puede ser de 1 a 3 veces su diámetro, y la holgura radial que debe haber entre éste y el cilindro es de 1 a 2% del diámetro del cilindro, para que exista un efecto de regeneración [14]. Algunos investigadores consideran que el diámetro óptimo del desplazador es el 98% del diámetro del cilindro, lo cual es equivalente al 1% mencionado anteriormente.

6.5) Mecanismo de conversión de movimiento

Es el mecanismo que hace posible transformar la energía térmica en energía mecánica.

El tipo de mecanismo determina la forma del ciclo del motor Stirling, y, por consiguiente, con unos se obtendrán mejores resultados que con otros, pero, generalmente, son más complicados de construir.

Los diferentes mecanismos poseen sus propios parámetros óptimos de diseño, los cuales podemos encontrarlos en literatura técnica especializada.

(a) (b) (c)Página 30

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(d) (e) (f)

(a) Mecanismo rómbico, (b) De manivela y balancín, (c) De manivela y cursor, (d) Mecanismo de Ross, (e) Cigüeñal y biela con guiaje lineal, (f) Cigüeñal y biela con

guiaje por balancín.

6.6) El Volante

Esta es la parte que entrega energía al ciclo para que se produzca la compresión del fluido de trabajo y también ayuda a mantener estable el giro del motor

7) MATERIALES DE CONSTRUCCION

Un envase de lata (pintura navek 10×25).

Base de madera de 20mm (40×20). Frasco de soldimix. Base de bakelita. Lata de pintura plateada.

Angulo de 2”.

Tornillos de 3/8”.

Tubo de bronce (12cm).

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Melanina. Listones de madera.

llave de paso de 3/2”.

Mechero de lata.

Envase de spray.

Turbina de bakelita y disco.

Manguera.

8) CONSTRUCCION DE UN MOTOR STIRLING (PLANOS)

Vista Superior

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Vista Lateral

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Vista Isométrica

Vista frontal

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9) PLAND DE CONSTRUCCION

PROCEDIMIENTO

En primer lugar conseguimos una melanina el cual tiene un espesor 20mm el cual lo cortaremos y tendremos de medidas de 40×20 cm .

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Pegamos dos listones de madera situados convenientemente, en cual van montados el mechero y el spray.

En el embase de spray lo cortamos y introducimos un pistón en el cual se va desplazar por todo el cilindro.

Luego colocamos el tubo de bronce en cual colocaremos las llaves de paso y uniremos la biela al disco el cual bombeara aire frio por una manguera hacia el cilindro.

Armamos el disco y colocaremos las turbinas de bakelita.

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En las llaves de paso se coloca una manguerita que conecta con la parte lateral superior (tapa) del spray .

Se conecta un tubo de antena (de radio) por el cual saldrá el vapor de agua y por esa parte pasa el aire frio y luego con el aire caliente hace que el pistón se mueva eso ocurre por la diferencia de temperaturas se genera el vapor.

Página 38

“Motor de Stirling” Facultad de Ingeniería Mecánica Por último lo pintamos para que le de presencia y quedara de la siguiente

forma.

PROBLEMAS ENCONTRADOS

Al construir nuestro motor Stirling encontramos una serie de fallos que

tuvimos que ir solucionando. El primero de ellos fue que utilizamos un diseño en

el que había mucho rozamiento. Más tarde tuvimos que cambiar la estructura

varias veces. Otro problema fue que pusimos un volante de inercia muy pequeño y

que pesaba poco por lo que no realizaba bien su función. También el bote estaba

mal fijado y se movía. Otro problema que tuvimos que solucionar fue que el pistón

desplazador se desintegró por las altas temperaturas y debido al material utilizado

que también tuvimos que cambiar. Uno de los grandes inconvenientes fue que

el aire se escapaba y tardamos bastante en darnos cuenta dónde estaba la fuga.

También tuvimos que lubricar el orificio por el cual pasaba la varilla del pistón

desplazador. Lo último que tuvimos que cambiar fue la unión entre el cigüeñal

y la varilla del pistón.

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10) Conclusiones.

o Es un motor de combustión externa.

o El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas.

o 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)

o 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.

o Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior.

o El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot.

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11) VENTAJAS Y DESVENTAJAS.

11.1) VENTAJAS

El aporte de calor es externo, por lo que las condiciones de combustión son flexibles.

Funciona con cualquier fuente de calor, no solo por combustión, por lo que se puede utilizar fuentes de calor como solar, geotérmica, nucleares, biológicas, etc.

Se puede usar un proceso de combustión continua, por lo cual se pueden reducir la mayor parte de las emisiones (NOx, hollines, hidrocarburos, …)

La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco frío, y por tanto necesitan menos lubricación y duran más que otras maquinas alternativas.

Los mecanismos son más sencillos que en otras maquinas alternativas, estos es, no necesitan válvulas, el quemador puede simplificarse.

Una maquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión. En comparación una máquina de vapor usa agua en estados líquidos y vapor, por lo que un fallo en una válvula puede provocar una explosión peligrosa.

En algunos casos, las bajas presiones, permiten utilizar cilindros ligeros.

Se pueden construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio.

Arrancan con facilidad (despacio y después del calentamiento inicial) y funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de combustión interna que arrancan con facilidad en temperatura templada pero con problemas en temperaturas frías.

Se pueden usar para bombear agua, pudiendo diseñarse para utilizar el agua como refrigerante del foco frío, (a menor temperatura del agua mejor funcionamiento)

Son extremadamente flexibles pudiéndose utilizar para cogeneración en invierno y como refrigeración en verano.

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11.1) DESVENTAJAS.

Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que tienen que contener el fluido de trabajo a alta temperatura, así como soportar los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera. Esto supone un encarecimiento de la maquina […]

Los motores que funcionan con pequeños diferenciales térmicos son muy grandes en comparación al trabajo realizado por culpa de los intercambiadores. Aumentar la diferencia de temperatura o la presión permite motores mas pequeños.

La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica. Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños compactos. Esto junto con los costes de materiales, ha sido uno de los principales factores limitantes a la hora de su uso en automoción, pero existen otros usos donde el ratio peso potencia no es tan crítico como propulsión naval, cogeneración, …

Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, tiene que primero “calentarse”. Esto es cierto para todos los motores de combustión externa, pero menor que otros como la máquina de vapor. Su mejor uso es en motores que requieran una velocidad constante.

El trabajo realizado por un motor Stirling tiende a ser constante y para ajustarlo se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Generalmente se hace variando el desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo. Esta característica es menos crítica en el caso de motores de propulsión híbrida eléctrica o en la producción de electricidad de base de carga, donde esa producción constante es deseable.

El Hidrogeno por su baja viscosidad, alto calor especifico y conductividad térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de fluidos. Sin embargo presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales. […]. Por ello se usa generalmente Helio con propiedades muy semejantes, que además es inerte, y no inflamable como el Hidrogeno. El aire comprimido presenta riesgo de explosión por la presencia de Oxigeno, por lo que la alternativa es eliminarlo por combustión o utilizar Nitrógeno.

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12) BIBLIOGRAFIA.

http://www.todomotores.cl http://www.ecotec2000.de http://www.moteur-stirling.com http://personales.able.es/jgros/

http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/maquinastermicas/index.html http://ventanadelaciencia.blogspot.com/2007/12/el-motor-stirling-en-aplicaciones-de.html

http://www.cd3wd.com/cd3wd_40/vita/stirling/ES/STIRLING.HTM

http://salesianospamplona.es/maquinas/planos.htm

www.fglongatt.org.ve/Archivos/.../PPT-Tema2.1.MaqTerm.pdf

www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm

http://www.taringa.net/posts/info/4157798/Como-Hacer-Un-Motor-Stirling.html

http://salesianospamplona.es/maquinas/Historia.htm

www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm

http://www.fayerwayer.com/2007/08/hagalo-usted-mismo-motor-stirling-que-funciona-con-tu-cafe/

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