Motor Stirling

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.

Descripción del motor Stirling:

El motor Stirling se define como aquel dispositivo que convierte el trabajo en calor o viceversa, através de un ciclo termodinámico con compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dichos fluidos a diferentes temperaturas, pasando de una temperatura caliente a una temperatura fría.Es una maquina de combustión interna es decir puede adaptarse a cualquier fuente de energía ya sea combustión convencional o mixta, por ejemplo gas y energía solar, sin que ellos afecte al funcionamiento interno del motor.

Objetivo general:

Construir un motor Stirling con un dispositivo que permita hacer girar un disco.

Objetivos específicos:

Seleccionar los materiales apropiados para la construcción del motor Stirling.

Comprender y demostrar el funcionamiento del motor Stirling.

Antecedentes:

El Motor Stirling, llamado de combustión externa o motor de aire caliente, fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor, debido a que esta frecuentemente explotaba matando lo que se encontraba en sus alrededores.

El aire que evoluciona en el interior del motor es siempre el mismo (aislado del exterior) y su volumen varía sólo en lo que corresponde al émbolo motor entre sus posiciones superior e inferior. Existen en el motor dos zonas: una fría y otra caliente. El motor cuenta con un mecanismo que hace que el aire pase de la zona fría a la zona caliente y luego a la zona fría nuevamente, produciéndose consecuentemente su expansión y su posterior contracción. Esto es aprovechado por el embolo motor para producir potencia. Para que el ciclo se repita, el motor cuenta con un mecanismo inercial (volante) que lo hace posible.

Tipos de Motores Stirling:

-Motor 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 otro cilindro. Los cilindros están conectados entre sí por un cigüeñal, que hace que la relación potencia/volumen sea bastante alta.

-Motor 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.

-Motor 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.

-Motores Especiales:

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.

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 un

líquido; uno de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador.

-Motor Stirling termoacústico: probablemente es la última evolución 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.

Marco teórico

El ciclo de trabajo del motor Stirling se conforma mediante dos transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos transformaciones isotérmicas (compresión y expansión a temperatura constante). En la grafica PV podemos observar el ciclo idealizado del motor Stirling, donde en la etapa 1 y 3 se tienen procesos isotérmicos (el 1 de expansión y el 3 de compresión); en la etapa 2 y 4 se tienen procesos isocóricos ( en el 2 se remueve calor y en el 4 hay recuperación del calor)

La definición de rendimiento para una máquina térmica es: 

El trabajo neto será el debido a la expansión y compresión isotérmicas, puesto que durante los procesos isocóricos no se realiza trabajo. Para un gas ideal se calcula como

Donde; Vmin y Vmax son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan, y TC, TF  las temperaturas de las fuentes caliente y fría respectivamente. Definiendo la relación de compresión como r = Vmax / Vmin y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a

Wneto = nR(TC − TF)ln(r).

El gas sólo absorbe calor durante dos etapas: el calentamiento a volumen constante y la expansión isotérmica. Para un gas ideal esto representa Qabsorbido = nCV(TC − TF) + nRTCln(r).

En la práctica es común el uso de regeneradores, que permiten almacenar el calor cedido por el gas durante el enfriamiento a volumen constante para luego devolverlo al sistema durante el proceso de calentamiento. Si bien ambas cantidades son iguales en módulo, puesto que se tratan de procesos isocóricos entre las mismas dos temperaturas, el regenerador no es perfecto y parte de esa energía se pierde. Definiendo su eficiencia como ηR = Qdevuelto / Qcedido, se obtiene

Qabsorbido = (1 − ηR)nCV(TC − TF) + nRTCln(r).

Finalmente el rendimiento total de la máquina resulta

.

En la medida que el funcionamiento del regenerador se acerca al caso ideal, el

rendimiento del ciclo se aproxima al del ciclo de Carnot  

La ecuación anterior nos indica que mientras Tc sea mucho mayor que TF se lograra obtener una eficiencia aproximada a la unidad, es decir, perfecta. Aprovechando el calor utilizado en el sistema, en este caso el motor Stirling, para obtener la mayor eficiencia de trabajo del mismo, el cual adecuado a nuestro proyecto será generar electricidad.

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: mediante trabajo mecánico aplicado al dispositivo Stirling se logra conseguir una diferencia de temperaturas entre dos focos.

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 (containers para trasladar productos congelados).

Aplicaciones

-Coches híbridos: En el sector del automóvil, se han efectuado muchas investigaciones y se ha invertido mucho dinero. Sin embargo, los resultados obtenidos no son los esperados. Una de las mayores dificultades para utilizar motores Stirling en vehículos es que son muy lentos y que no reaccionan inmediatamente (cuando te montas en el coche, éste no arranca hasta pasados unos segundos). La solución puede pasar por construir coches híbridos que utilicen un motor Stirling, no acoplado directamente a las ruedas, sino acoplados a un generador eléctrico que a su vez cargue las baterías del coche.

-Aplicaciones aeronáuticas: Se estudia la posibilidad de incorporar motores Stirling aplicados al mundo de la aviación, al menos en teória sus ventajas serían las siguientes: Es un motor silencioso lo cuál permite un viaje más cómodo para los viajeros y menos contaminación acustica para los alrededores. 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.

-Aplicaciones en barcos y submarinos: El motor Stirling es aplicable a los sistemas de Propulsión en el campo del submarinismo. Su funcionamiento básico consiste en la transformación de calor generado externamente en fuerza mecánica y luego en energía por medio de generadores.

-Aplicaciones energéticas: Si disponemos de una superficie que recolecte los rayos solares en forma de espejo, 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 contaminación (gran ventaja contra otros motores).

-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 utilizar el motor Stirling

Fabricación del Motor

- Materiales:

Alambre grueso y delgado. 2 Latas de refresco. Lata de atún. Cordel. 2 agarraderas. Silicon. Pegamento epóxico. 2 Discos. Monedas de 10 centavos. Cinta adhesiva. Mechero de Alcohol.

-Construcción

Para construir el motor Stirling hemos dividido el trabajo en 3 etapas:

Etapa 1: Construir una estructura que pueda sostener el mecanismo y soportar altas temperaturas, esta fue elaborada con alambres ya que es muy resistente al fuego y es un material fácilmente moldeable.

Etapa 2: La fabricación del pistón que esta compuesto de latas de aluminio cortadas en diferentes secciones amarradas a un cordel, conectado en la parte superior a un globo con un pequeño orificio donde saldrá el cordel, el globo ayudara a que la expansión de los gases se vea reflejada y pueda dar impulso a el disco moviendo el pistón.

Etapa 3: Por ultimo el pistón deberá ser ensamblado en el cigüeñal que consiste en una varilla de aluminio que hace de eje, utilizando el alambre delgado en la parte más alta del cigüeñal y el cordel en la parte más baja. El disco ya deberá estar ensamblado al cigüeñal.

Proceso experimental.

Para poder llegar a hacer que el motor funcionara debimos de pasar por numerables errores, el primer desafío encontrado es tratar de encontrar un material que no se derritiera con el calor y que fuese lo suficientemente ligero para que la presión del aire lo pudiera levantar, como primer experimento utilizamos unicel como pistón el cual en la primera prueba se derritió descartándolo, después le siguió la fibra de aluminio esta fibra es mas resistente al calor pero igual fue inútil a la hora de que el aire se calentaba ya que no se levantaba debido a su peso, nuestra última opción fue optar por la

parte de una lata de aluminio debido a que es ligera y resistente además que se acoplaba a la perfección con nuestra lata.

El siguiente problema fue el que la base fuera suficientemente resistente y estable. Primero empleamos una lata de galletas de aluminio grueso este era muy resistente pero el volumen de la lata era muy pequeño, posteriormente utilizamos madera para colocar el cigüeñal, pero esta no se podía sostener firmemente a la lata y se descartó, por ultimo empleamos una estructura de alambre grueso esto nos daba resistencia al calor y soportaba el peso del motor Stirling.

Resultados.

Se realizaron varias pruebas para la determinación de la estructura y material apropiados para la elaboración del motor Stirling. Se obtuvieron los resultados esperados en la elaboración del último prototipo el cual se muestra en la figura 1 en este prototipo se emplearon latas de aluminio en la parte exterior y una lata adaptada a las anteriores, la lata que se encontraba en la parte interior se empleó como pistón ya que nos permitió emplear temperaturas elevadas sin el riesgo de fundirse y presentaba un peso menor al de otros materiales empleados en los prototipos iniciales. Al poner a funcionar el motor Stirling se logró observar con claridad el desplazamiento del aire por la variación de temperatura, lo cual hizo girar un disco adaptado al motor.

Figura 1. Prototipo final del motor Stirling.

Conclusión

Se deben emplear elementos los cuales estén cerrados herméticamente para evitar la pérdida de volumen, ya que para la realización de este experimento es necesario mantener constante el volumen del aire contenido en el envase. De la misma forma se debe emplear un material lo suficientemente liviano y resistente al calor para la elaboración del pistón, en este trabajo el mejor material fue una lata de aluminio. Se debe contar con un soporte fuerte y resistente al calor.

Como se muestra en el experimento la diferencia de las temperaturas es el factor fundamental en la velocidad del motor, si ponemos el mechero con una flama muy fuerte y en la parte superior del mecanismo agua muy fría los gases trabajarán mejor debido a que habrá una mayor diferencia de temperatura, lo cual implica que será mayor el área del ciclo termodinámico en la gráfica P-V y por lo tanto mayor es el trabajo desarrollado.

Referencias.

Energía solar. (28/junio/2012). Aplicación térmica. URL: http://www.ecotec2000.de/espanol/sun1.htmMoteurs Stirling. (29/junio/2012). Diseño del motor Stirling. URL: http://www.moteur-stirling.comMaquinas térmicas. (01/julio/2012) Definición de las maquinas termicas. URL:http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/maquinastermicas/index.htmlVentana de la ciencia. (03/julio/2012) aplicación del motor Stirling en energía solar. URL: http://ventanadelaciencia.blogspot.com/2007/12/el-motor-stirling-en-aplicaciones-de.htmlKenneth Wark, Donald Richards. Termodinámica. Editorial Mc Graw Hill Yunus Cengel, Michael A Boles.Termodinámica. Editorial Mc Graw Hill