Universidad de TarapacáEscuela Universitaria de Ingeniería MecánicaTermodinámica

Proyecto de termodinámica:Motor Stirling

Integrantes: Daniel Carrasco R.

Pedro Mayorga H.

Katherinne Muñoz M.

Ibrahim Musa Martinich M.

Rafael Palacios S.

Profesor: Ricardo Fuentes R.

Fecha : 23 de diciembre del 2011

Índice

Portada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

Índice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .3

Fundamentos teóricos, generales y específicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Esquema. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .8

Proceso de construcción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

Resultados obtenidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Posibles mejoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

Anexo..........................................................................................................17

2

SummaryThis report details the theory, the materials and the process to develop a Stirling engine

completely made using parts available in unspecialized market.

Explaining the theory of operation of different types of mechanical Stirling engines and

technically explaining how they work.

Also included isa detailed outlineof the names andplace of eachpart usedin the

construction,followed by astep by step descriptionof the construction process.

After that, details the results obtained after the construction of the engine, which ultimately will

tell us whether it worked or not. After that, will describe all possible improvements that could be

done to improve engine performance.

Finally be delivered a complete conclusion, which describes the conclusions reached as a group,

during and after construction of the engine.

3

Fundamentos teóricos, generales y específicosFundamentos teóricos generales.

En el siglo XIX estaba en pleno el uso y desarrollo del motor de vapor, que era la única fuente de trabajo mecánico de esa época, sin contar molinos de viento o de agua, pero este motor era complejo y requería mucho cuidado al utilizarlo porque podían explotar, por lo que se debía crear una maquina mas simplificada y con menos peligros, aquí es cuando el religioso Robert Stirling; creo el motor con su mismo nombre en plena revolución industrial. Que realizaba el mismo proceso de enfriamiento y calentamiento del fluido pero dentro de un motor. Este se utilizó en muchos electrodomésticos de la época, por lo que este significo un gran avance en la ingeniería. Luego desapareció al aparecer el motor diesel, en el siglo XX, pero hace unos 30 años que volvió a renacer este motor y es nuevamente utilizado esta vez para generar calor y en automóviles híbridos.Este motor seria la base para que Sadi Carnot pudiera sentar la teoría en que se basan este motor y que permite que cree fuerza motriz. El motor Stirling es el que su rendimiento más se aproxima al de Carnot; que es el más eficiente. El motor Stirling consta básicamente de un regenerador, el cual separa el motor en una zona caliente y una fría. Y dos pistones, uno de ellos tiene función de disipar el calor y mover el aire de la zona caliente a la zona fría y el segundo pistón encargado de darle fuerza al eje o cigüeñal. Una de sus ventajas es que es sencillo y necesita solo un foco externo de calor para funcionar, además esa fuente de calor puede variar, desde energía solar a energía geotérmica por lo que es versátil. Por el contrario su desventaja es que su funcionamiento no es automático y no alcanza grandes velocidades por lo que esta limitado a cierto tipo de maquinarias. Aunque hasta ahora es el motor mas eficiente que se conoce, teóricamente.

4

Fundamentos teóricos específicos.

El ciclo Stirling perfecto consta de cuatro procesos: 1-2.- Expansión Isotérmica: Aquí es donde el aire se expande por un aumento de temperatura, lo que significa que el sistema absorbió calor del foco externo.2-3.- Enfriamiento Isométrico: Se cede calor a volumen constante y por consiguiente disminuye la temperatura.3-4.- Compresión Isotérmico: Se comprime el aire y disminuye la temperatura del fluido.4-1.- Calentamiento Isométrico Se absorbe calor a volumen constante, aumentando la temperatura.

E aquí un grafico representativo:

Rendimiento.

Su rendimiento se basa en la formula :El trabajo neto se obtiene de la expansión y compresión isotérmica, ya que en el proceso isométrico no hay trabajo. Y es:

;con Tf y Tc como temperatura fría y calor

Luego el rendimiento de la maquina es:

Y en medida que el rendimiento se acerque al ciclo de Carnot este será:

5

Tipos de Motores Stirling.

Existen tres tipos de motores Stirling, nombrados cada uno de ellos con una letra griega: Motor Alfa α: Su característica principal es que consta de dos pistones que están en el

mismo espacio, el regenerador que se encuentra entre ellos y también un eje en común.

Motor Betta β: Consta de dos pistones en el mismo cilindro contenedor, el que realiza el trabajo tiene una guía donde pasa el otro eje que mueve el pistón que se desplaza.

6

Motor Gamma: Su pistón y desplazador se encuentra en distintos cilindros. Es mas sencillo que el motor Betta.

Otros: Son llamados motores especiales, los cuales son solo derivaciones de los tres anteriores.Ejemplo: Motor con pistón liquido

7

Esquema Base del motor.

8

Materiales :

1 trozo de madera grande como base principal

2 trozos de madera para afirmar el pistón 1

1 trozo de madera para afirmar el rotor

1 motor de lector de cd (sobre este se pega el rotor)

6 tornillos para ajustar los trozos de madera

Funcionamiento:

Sostiene las partes para el funcionamiento del motor.

Bomba de aire.

9

Materiales :

1 globo tapa plástica de aerosol tubo de aluminio parte superior lata de desodorante chico radio de bicicleta

Funcionamiento:

A través del movimiento del rotor, esta es la encargada de bombear aire frío (T° ambiente) al pistón.

Pistón dentro de cilindro.

10

Materiales :

1 lata cortada de aerosol 1 base cortada de lata chica 1 tubo de aluminio 1 trozo de antena émbolo (parte superior de la lata del

aerosol)

Funcionamiento:

Es el encargado de recibir el calor de la fuente, subiendo la presión del aire dentro de la lata y desplazar el embolo dentro.

Plato o rueda.

Motor ensamblado.

11

Materiales :

6 cd pegados 1 radio de bicicleta

Funcionamiento:

Al girarse, este mueve los alambre que van al pistón y la bomba de aire, logrando el movimiento de trabajo en estos, repitiendo el ciclo una y otra vez.

Herramientas.

12

Detalle:

taladro: perforar latas, maderas, el rotor.

caladora: cortar la madera. sierra: cortar madera y lata. tijera corta lata. alicate universal: doblar alambres. destornillador cruz y paleta: colocar los

tornillos. Poxipol y Agorex: pegar la lata, los cd

Proceso de construcciónPrimera etapa : Conseguir los materiales óptimos para la construcción del motor.

Segunda etapa: Dimensionado de madera para la base del motor, medidas 50 X 13,8 cms.

Tercera etapa: Dimensionar la lata de aerosol para cilindro del pistón, medidas 4,5 cms (alto) x 5,8 cms (diámetro).

Cuarta etapa: Ensamblaje del pistón, unión de pistón (parte superior del aerosol) con acumulador térmico (virutilla), mediante pegamento resistente al altas temperaturas (poxipol). Luego se une el pistón ensamblado con la biela (antena de televisor).

Quinta etapa : Unión del cilindro y pistón; se introduce pistón dentro del cilindro, luego se sella el cilindro con tapa posterior de lata de bebida, esta tapa posee dos orificios uno en el centro de 4 mm. de diámetro por donde sale la biela; el segundo orificio de 6 mm. de diámetro está unido a la manguera de inyección de aire frio.

Sexta etapa: Dimensionado de madera para soporte del cilindro y pistón, medidas 22,4 cm (alto) x 7,4 cm (ancho).

Séptima etapa: Ensamblaje de bomba de aire; se une una segunda biela con globo por medio de una tapa de desodorante pequeño 4,2cms de diámetro, luego se procede a unir tapa de plástica de aerosol 5,7cms de diámetro con globo, unido a la biela , se perfora la tapa plástica con un orificio de 6 mm. por donde se ensambla la manguera unida al cilindro de pistón.

Octava etapa : Ensamblaje de plato para la inercia del motor; se unen 6 CDs con un diámetro de 11,9 cm., se perfora aproximadamente del centro donde va unida la biela de la bomba y la biela del pistón; el plato de inercia se ensambla al motor de lector de cds., el cual propina el mínimo roce en la rotación del plato. El motor y el plato se unen al soporte de madera de 22,5 x 12 cm.

Novena etapa: Se pega soporte de fuente calor (lata de café) a la base del motor.

13

Resultados obtenidosDespués de haber visitado algunos locales comerciales como ferreterías, almacenes, casas comerciales de construcción y recolectado algunos materiales caseros que luego modificaríamos es que se construyo el motor Stirling.

Luego de varios intentos fallidos y de modificar algunas piezas como la bomba de aire , reconstruir varias veces el pistón y cambiar el material con que estábamos construyendo la rueda, es que no logramos hacer funcionar el motor.

Producto de todos los intentos y cambios que hicimos al motor es que siquiera se pudo hacer girar 1 vez la rueda, por más que se intento calentar el pistón y lubricar las articulaciones, no se pudo cambiar el resultado.

14

Posibles mejorasNotamos posibles fallas en la construcción del motor como :

El rose de la rueda, el movimiento de la rueda se ve bastante reducido producto de la inclinación de este. Se debe fijar de mejor forma la base de la rueda para evitar inclinaciones para ello podría usarse unas L de fierro fijadas a la base y a la pieza de que sostiene la rueda.

La fuerza de la bomba de aire no es al parecer suficiente como para empujar la rueda o en su defecto ejercer una fuerza hacia arriba producto de la deformación del globo al subir y esto se traduce como perdida de trabajo. Se debería usar una jeringa que no se deforma al someterla a fuerzas como la presión del aire que se expande.

El rose del pistón, el pistón al estar recostado y puesto de la forma en que lo hicimos esta sujeto a la fuerza de gravedad por lo cual tiende a hacer que choque con la parte inferior del cilindro que lo contiene, generando un rose y perdiendo trabajo. Se tendría que sujetar de ambos lados el eje para evitar tanto rose en esa área.

15

ConclusionesFinalmente, tras el estudio de la teoría y la elaboración del motor, se pudo concluir que llevarlo a cabo fue complejo; no basta con conocer la teoría, también se deben revisar todos los detalles en el motor, hasta el más mínimo frena su funcionamiento, por ejemplo el roce, las fugas de aire o calor entorpecen su movimiento impidiendo que cumpla su ciclo. Debido a todo lo anterior se concluye que el ciclo Stirling no es de los más eficientes. Pero es destacable que algunas de sus ventajas son: se pueden usar varios tipos fuentes térmicas para calentar el interior del motor y expandir el aire, junto con esto su elaboración puede ser con materiales económicos reduciendo los costos y logrando los mismos resultados y en comparación con otros motores como los de combustión, es de elaboración más sencilla.Al analizar el funcionamiento de nuestro motor se concluyó que son necesarias ciertas mejoras para lograr el funcionamiento óptimo del motor.Con respecto al trabajo en equipo, se puede concluir que fue una grata experiencia para desarrollar y aplicar nuestras habilidades técnicas y teóricas.

16

Anexo

17

18

19