Informe Motor Stirling

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DIVISIÓN DE INGENIERÍAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Asignatura: CICLOS TERMODINAMICOS MOTOR STIRLING

INFORME MOTOR STIRLING RESUMEN

El motor Stirling es una máquina térmica con bajos niveles de ruido y emisiones tóxicas. Este motor puede utilizar cualquier fuente de energía externa (combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, energía nuclear, solar, fuentes geotermales, etc.), llegando a tener cero emisiones cuando utiliza la energía solar. En un futuro cercano, estos motores probablemente tendrán diferentes aplicaciones, llegando inclusive a reemplazar a los motores de combustión interna en algunas aplicaciones. Palabras clave – Motor Stirling.

ABSTRACT The Stirling engine is a heat engine with low noise and toxic emissions. This engine can use any external power source (solid, liquid and gaseous fuels, nuclear, solar, geothermal, etc..), Getting to have zero emissions when using solar energy. In the near future, these engines are likely to have different applications, reaching even to replace the internal combustion engine in some applications.

Keywords— Stirling Engine.

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I. INTRODUCCIÓN El Motor Stirling fue inventado 1816 por Robert Stirling, reverendo de origen escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor. El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico. Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera). Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan este principio, incluso algunos con base acústica.

Figura 1. Motor Stirling gama1

II. MARCO TEORICO

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Sistema de refrigeración de un motor Stirling

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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. 

Regeneración

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.

Figura 2. Diferentes tipos de regeneradores.

III. ANÁLISIS Y CÁLCULOS

Figura 3. Capacidad térmica volumétrica para diferentes materiales

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Se seleccionó aluminio gracias a la capacidad térmica volumétrica mostrada en la figura anterior (véase figura 3), ya que el regenerador debe tener una alta capacidad de almacenamiento de energía térmica para que su temperatura sea estable. Sin embargo es importante tomar el parámetro de la difusividad térmica α, el cual mide la capacidad de un material para conducir la energía térmica en relación con su capacidad de almacenamiento de energía térmica como se muestra en la siguiente figurra (véase figura 4.)

Figura 4. Difusividad térmica volumétrica para diferentes materiales

De lo anterior y de la figura 4. Podemos obtener que el material que se eligió es óptimo para el procedimiento del motor Stirling. Para los pistones son las partes que realizan el trabajo motriz, y está conectado al mecanismo de transformación de movimiento (bielas, cigüeñal, etc.). Como consideración inicial, por recomendaciones de fabricantes en este tipo de ciclos obtenemos que debido a que el pistón está en la zona fría del motor, sí se puede utilizar aluminio para su construcción. En cuanto al volante de inercia es la parte que entrega energía al ciclo para que se produzca su compresión del fluido de trabajo, en este caso aire y a su vez a mantener el giro estable (véase figura 5).

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Figura 5. Volante de inercia.

Se seleccionó construir el motor Stirling gama, gracias a que su manufactura es más sencilla, consta de dos cilindros separados en una de las cuales se sitúa el desplazador y en la otra el pistón de potencia, véase figura 6.

Figura 5. Motor Stirling tipo gama.

IV. FOTOS DEL MOTOR EN EL MONTAJE

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V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

Se debe garantizar que la cámara en la cual debe estar el gas o fluido frio debe mantenerse a temperatura constante, al igual que en la cámara que se está generando el calor.

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En el ensamble mecánico, las bielas deberán estar ubicadas a las alturas de las varillas de los pistones, esto con el fin de que el volante de inercia tenga mejor libertad en el momento de girar sobre su eje.

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El principio de funcionamiento del motor Stirling, es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas, en este caso aire.

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La función del regenerador es recuperar parte de la energía que cede a uno de los procesos isocoricos para aportarlo nuevamente a otro proceso isocorico.

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Sin el regenerador, la eficiencia del ciclo es inferior.

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La fabricación de un motor Stirling requiere de mucha más precisión, pero se desgasta menos que otro tipo de motor.

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Se comprobó que en la práctica, el motor Stirling no trabaja con la eficiencia que debería ser en teoría ya que la cinemática del mecanismo que transforma la energía térmica en mecánica impide reproducir exactamente los procesos del ciclo teórico, disminuyendo, de esta manera, su eficiencia.

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En las partes móviles, que tienen que trabajar solidariamente y que estén sometidas a torque, se debe utilizar prisioneros.

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Para disminuir el desgaste de las bielas se recomienda utilizar bocinas de bronce grafitado o utilizar rodamientos. Estos últimos requieren de mayor precisión en su fabricación.

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Se recomienda que el desplazador y el pistón sean lo más livianos posible, sin que esto afecte la resistencia de sus partes.

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El motor Stirling podría utilizarse en zonas rurales, para la generación de energía eléctrica a pequeña escala, y la generación de energía mecánica (para el accionamiento de bombas, ventiladores, etc.), con bajos niveles de ruido, pudiéndose utilizar, en principio, cualquier tipo de combustible.

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El motor Stirling es seguro y tiene un nivel de ruido más bajo que los motores de combustión interna.

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Un problema importante de este prototipo es su lubricación, que por su disposición geométrica, el lubricante cae a la zona caliente y se quema, generando consigo humos y que el aceite quemado se encuentre adherido en el interior del cilindro.

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El mecanismo de transformación de movimiento es un mecanismo difícil de construir debido a la precisión que se requiere, por tal motivo las bocinas de bronce son correderas.

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En este trabajo nos limitamos a usar como fluido de trabajo el aire, porque no tiene costo alguno y está en todos lados. Lo ideal sería utilizar He ó H2, porque estos gases tienen una mayor conductividad térmica, pero el diseño tendría que ser hermético, lo cual sería complicado y costoso.

VI. REFERENCIAS

[1]

Michael J. Morán, Howard N. Shapiro, Fundamentos

de termodinámica técnica, 2004

[2]

Yunus A. Çengel. Termodinámica. 3ra edición. Ed. Ciencias e Ingenierías.

[3]

Jesús Andrés Álvarez Flórez, Motores alternativos de combustión interna. Editorial Upc.

[4]

R. W. Haywood, Ciclos termodinámicos de potencia y refrigeración. Oxford.

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