Prototipo de un sistema de refrigeración actuado por un motor stirling

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas UPIITA

Trabajo Terminal Prototipo de un sistema de refrigeración actuado por un motor Stirling Que para obtener el título de:

"Ingeniero en Mecatrónica" Presenta:

Hernández Morales Nestor Vicente Rivas Pérez Octavio Enrique Rodríguez Rodríguez Giovanni

Asesores:

D. en C. Juan Antonio Cruz Maya D. en C. Juan Alejandro Flores Campos M. en C. Alejandro Escamilla Navarro

México, D. F., 12 de enero del 201 0

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas UPIITA

Trabajo Terminal Prototipo de un sistema de refrigeración actuado por un motor Stirling Que para obtener el título de:

"Ingeniero en Mecatrdnica " Presenta:

- Rivas d 4Pérez f !Octavio c l Enrique

Asesores:

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Presidente del Jurado

Profesor Titular

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LIR& Regenerador

1

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Pistón

Figura 2. 5. !Motor de pistbn libre.

2.2.3 Motor de Pistón Líquido El motor de pistón líquido posee una simplicidad mecánica y lo hace ideal en su uso como bomba de riego en zonas lejanas donde la energía convencional de fuentes y servicios de mantenimiento no están disponibles o son difíciles de obtener [31. En este tipo de motor, el pistón y el desplazador han sido sustituidos por un líquido. El funcionamiento es similar al motor tipo alfa y para que el conjunto funcione correctamente es necesario que la frecuencia de oscilación del tubo desplazador y del tubo de potencia sean la misma, ya que de lo contrario se perderá el desfase de 90 grados que debe de existir entre el movimiento del desplazador y el del pistón de todo motor Stirling. La realización del motor de pistón líquido exige algunos cálculos complicados en el diseño de la forma y las longitudes de los tubos desplazador y de potencia, añadiendo en algunos casos un tercer tubo llamado sintonizador que permite que el conjunto alcance una frecuencia de resonancia que permita su funcionamiento continuo.

*

El principio básico del motor Stirling de pistón Iíquido es que tanto la salida de los pistones como el desplazador son líquidos. Como la columna del Iíquido desplazador oscila en forma de U en el tubo, por encima de la superficie del Iíquido el gas se transfiere hacia adelante y hacia atrás entre los espacios fríos y calientes. El resultado en las variaciones de presión actúa sobre el Iíquido en la columna de salida, lo que provoca que se mueva. Un motor convencional Stirling en esta configuración (con cilindro desplazador sellado y el cilindro de potencia separado abierto a la atmósfera en u n extremo) se denomina una configuración de máquina de rayos gamma.

Figura 2. 6. Motor de pistón liquido.

2.3 Ciclo Stirling Las máquinas que operan en el ciclo Stirling son de los motores más eficientes que hay

[Isl;

como motor pueden trabajar con cualquier fuente de calor (incluyendo la solar), y cuando opera como refrigerador o fuente de calor, ofrece la posibilidad de hacer uso de refrigerantes que no son dañinos con el medio ambiente, tales como el aire [ I g 1 .

CALORENTRANTE CALOR ENTRANTE ~ E S P ~ CF If iO o.

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Calor hlxor=ihde~lorm ei intercanbiacbr I ~ * ~ C W I del S ~desplazador O MOTOR !itcro cerrado ~L.C

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Regmnador ALMACEWAMlENTO TEMPORAL DECALOR

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Calor

0

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Fin

CALOR SALIENTE CALOR SALIENTE (Medio Ambiente)

Figura 2. 7. Diagrama de bloques del ciclo Stirling: A) Motor, B) refrigerndor o bomba de calor.

En un motor de ciclo Stirling ideal las diversas partes que lo componen interactúan para producir cuatro procesos termodinámicos separados. Esos procesos se ilustran a continuación utilizando la configuración de un motor tipo Beta y se muestran diagramas de Presión - Volumen y Temperatura

-

los

Entropía (verfigura 2.8). Nótese que

para el ciclo ideal de Stirling las zonas del regenerador, así como el espacio para el paso de fluido de trabajo se considera que su volumen es igual a cero:

-- --

a ,-,

r-i---nc-ar,

7 -

~

P d 6 n (Ps)

1

---

B

"-"--- -.2

--,

I

~

"

Temperatura (C)

'\

'L

\..

Figura 2. 8. Proceso Termodinámico de un Ciclo Stirling Ideol. Diogramas A) presión - volumen, B) temperaturo entropia.

1

2 Expansión isotérmica (temperatura constante):

La elevada presión del gas de trabajo absorbe el calor de la zona caliente y este se expande de manera isotérmica, provocando así movimiento en el pistón de potencia.

2

9 3 Desplazamiento isocórico (volumen constante):

El pistón desplazador transfiere todo el fluido de trabajo a volumen constante a través del regenerador hacia la zona fría del motor. El calor es absorbido del gas mientras este pasa a través del regenerador, de esta manera se reduce la temperatura del fluido de trabajo cuando ingresa a la zona fría del motor. Como la temperatura del fluido de trabajo se redujo, la presión del gas cae significativamente.

3

9 4 Compresión isotérmica:

El pistón de poder, produce un trabajo en el fluido de trabajo y lo comprime de forma isotérmica a la temperatura más baja de trabajo y liberando un poco mas de calor en esta zona, como el gas está a baja presión menos trabajo es requerido para su compresión que el trabajo obtenido del fluido de trabajo durante la expansión (en 1 sistema produce trabajo.

4

9

I Desplazamiento isocórico:

+ 2). Por lo tanto el

El pistón desplazador transfiere todo el fluido de trabajo a volumen constante a través del regenerador a la zona caliente del motor. El calor es suministrado al fluido de trabajo mientras pasa por el regenerador, recolectando el calor con el de la zona caliente. A medida que la temperatura aumenta, la presión del gas aumenta significativamente, y el sistema regresa a sus condiciones iniciales [18 191.

2.4 Ciclo Stirling Inverso El ciclo inverso Stirling ideal para refrigeración o como bomba de calor, es en efecto idéntico al ciclo Stirling, excepto que la zona caliente del motor ahora se convierte en la zona fría del mismo y la zona fría de dispersión de calor ahora se convierte en la zona caliente. El proceso termodinámico para la refrigeración o bombeo de calor se ilustra utilizando una configuración de motor Stirling tipo beta y se muestran los diagramas de Presión-Volumen y Temperatura-Entropía en la siguiente figura. Debido a que el ciclo inverso de Stirling

tiende a tener una menor diferencia de temperatura entre la zona fría y caliente del motor las curvas que describen el diagrama Temperatura-Entropía en las etapas isocóricas se aproximan a describirse como líneas rectas. Nótese que para el ciclo inverso ideal de Stirling las zonas del regenerador, así como el espacio para el paso de fluido de trabajo se considera que su volumen es igual a cero '18].

IBl T ~ n p . r s t u r i(C)

Figura 2. 9. Proceso Termodinámicode un Ciclo Siirling Ideal en forma Inversa, como refrigerador. Diagramas A) presión-volumen, B) temperatura-entropia.

4

1

2 Expansión isotérmica (temperatura constante):

El gas de trabajo a baja presión se expande a isotérmicamente en la zona fría del motor a la temperatura más baja del proceso, en esta zona absorbe el calor existente y se produce un trabajo en el pistón de potencia.

2

3 Desplazamiento isocórico (volumen constante):

El pistón desplazador transfiere el fluido de trabajo a volumen constante a la zona caliente del motor. El regenerador transfiere calor al fluido de trabajo mientras pasa a través de él, esto eleva la temperatura del fluido que se encuentra en la zona caliente y debido a este incremento de temperatura

la

presión

del

fluido de

trabajo

se

incrementa

significativamente.

3

4 Compresión isotérmica:

El pistón de potencia aplica trabajo al fluido de trabajo y lo comprime a temperatura constante en la zona caliente del motor, aquí parte del calor es extraído. Como el fluido de trabajo está a temperatura alta se requiere más trabajo para llevar a cabo la compresión que el que fue obtenido durante la expansión del fluido de trabajo (en 1 3 2). Por lo tanto el sistema necesita una entrada de trabajo para funcionar.

4

9 1 Desplazamiento isocórico:

El pistón desplazador transfiere todo el fluido de trabajo a volumen constante a través del regenerador hacia la zona fría del motor. El calor es absorbido del fluido de trabajo a medida que pasa por el regenerador, decrementando la temperatura del fluido en la zona fría del motor. Conforme la temperatura se reduce la presión del fluido de trabajo se reduce significativamente y el sistema regresa a sus condiciones iniciales. En la actualidad no se sabe con claridad si Stirling tenía el concepto de intercambiador reversible de calor, pero la descripción que llevó a cabo sobre el principio de funcionamiento del regenerador plantea la posibilidad de que pensaba en esto como un límite ideal. Con esto se prometía los ahorros de energía que todos pedían.

C a b r de

Id."" I

Deplazador Movirnienl

Entrada

> > >

Regulador de presión de O a 10 bar Fuente de voltaje de 24v@4A Cronómetro Termómetro con infrarrojo y con termopar tipo k

G Voltímetro G Mangueras de 6mm G Conectores neumáticos de 6mm

P Válvula neumática tipo on/off

> > >

Regulador de flujo Reductor neumático de 8mm a 6 mm Conector rápido con derivación

P ' Recipiente para contener agua

El procedimiento de las pruebas realizadas fue el siguiente: 1. Se conectó la fuente de aire a la línea de entrada del regulador de presión mediante mangueras de 6mm, para obtener la presión deseada a 1.5 bar. 2. Se conectó la válvula on/off a la línea de salida del regulador de presión, para controlar el abastecimiento de aire. 3. Se conectó el regulador de flujo a la válvula on/offpara regular la dosificación del

aire que abastece la cámara fría del motor Stirling. 4. Se conectó el regulador de flujo a una derivación, para obtener una segunda línea de alimentación del manómetro. 5. Se conectó el reductor entre la derivación y la válvula check, para delimitar el sentido del flujo de aire.

6. Se conectó la entrada de la cámara fría del motor Stirling a la válvula check, para

suministrar el aire con presión y flujo regulados. 7. Se energizó el motor con la fuente de 24v@4A y la bomba sumergible para iniciar la lectura de las pruebas, tomando lectura del voltímetro, manómetro, termómetro y cronómetro. Se muestran las conexiones realizadas (verfigitra 5.7).

Figura 5. 7. conexiones de pruebas.

Las pruebas realizadas se clasificaron como se muestran en la siguientes tablas. Tabla 6. Resilltados de la primera pnteba realimdn.

Prueba

Tipo de sello

Camisa

Motor

Relación

Volantes de

Ciclo

Catarina

Inercia

Stirling

A

O-ring

Aluminio

2000rpm

1:1

No

Inverso

B

O-ring

Aluminio

850rpm

712: 1

No

Inverso

C

O-ring

Inoxidable 2000rpm

1:l

No

Inverso

D

O-nng

Inoxidable

850rpm

712: 1

No

Inverso

E

Retén

Aluminio

2000rpm

1:l

No

Inverso

F

Retén

Aluminio

850rpm

712: 1

No

Inverso

G

Retén

Inoxidable 2000rpm

1:l

No

Inverso

H

Retén

Inoxidable

850rpm

712: 1

No

Inverso

1

O-ring

Aluminio

No

No

Si

Normal

J

O-ring

Inoxidable

No

No

Si

Normal

Tabla 7. Tabla de resultados de /a segunda prueba realizada. -

Tiempo Temperatura (min)

Agua (OC)

Temperatura Cámara Fría (OC)

-

Temperatura

Presión

Chaqueta

Cámara

Voltaje

de Enfriamiento

Caliente

Motor

("C)

(Bar)

O

23.0

23.0

23.0

0.6

24

1

23.0

23.2

23.8

0.6

19.3

2

23.0

22.8

23.8

0.6

19.3

3

23.0

22.6

23.8

0.6

19.3

4

23 .O

22.2

23.8

0.6

19.3

5

23 .O

22.2

23.8

0.6

19.3

6

24.0

22.0

23.8

0.6

19.3

Tabla 8. Tabla de resultados de la tercer prueba realizada.

Tiempo

Temperatura

(hrs)

Agua (OC)

Temperatura Cámara Fria ("C)

Temperatura

Presión

Chaqueta

Cámara

Voltaje

de Enfriamiento

Caliente

Motor

(Bar)

0.6

24

0O:OO:OO

24.2

24.2

(OC) 24.2

00:01:45

24.2

24.2

24.8

0.6

19.3

00:02:45

24.6

24.2

24.8

0.6

19.3

00:03: 15

24.6

24.2

25.0

0.6

19.3

00:03:40

24.8

24.2

25.0

0.6

19.3

00:03:55

24.8

23.6

25.0

0.6

19.3

00:04:50

25.0

23.6

25.0

0.6

19.3

Tabla 9. Tabla de resultndos de la cuarta prueba realizada.

Tiempo Temperatura (hrs)

Agua (OC)

Temperatura Cámara Fría ("C)

Temperatura

Presión

Chaqueta

Cámara

Voltaje

de Enfriamiento

Caliente

Motor

("C)

(Bar)

0O:OO:OO

24.4

24.4

24.4

0.6

24

00:00:25

24.4

24.4

24.4

0.6

19.3

00:02:37

24.6

24.4

24.6

0.6

19.3

00:03:00

24.6

24.2

24.6

0.6

19.3

00:03: 15

24.8

24.2

24.8

0.6

19.3

00:03:55

24.8

24.0

25.0

0.6

19.3

00:04:40

25.0

24.0

25.2

0.6

19.3

Los resultados obtenidos en las primeras pruebas reflejaron un funcionamiento inesperado. Inicialmente por que la presión máxima que soportaba la cámara fría fue de 0.6 bar. Mientras que la presión de diseño era de 1.5 bar. Evidentemente aún habían fugas de aire a

presión en la cámara fría del motor Stirling. Por tal motivo se procedió a buscar la falla con ayuda de burbujas de jabón. Se encontró que las fugas provenían de los sellos de 3 O-ring. Esto se debió a que el diámetro de la camisa y del pistón de potencia no fueron de medida estándar. Además de que la reducción del diámetro realizada a los o-ring no fue la adecuada. Por consiguiente se reemplazaron los 3 o-ring por 3 retenes de mejor aproximación a la medida del diámetro interno y externo. Una vez que se reemplazaron los o-ring, se realizó una prueba de la máxima presión que soporta la cámara fría sin fugas. Se encontró que soportaba los 1 bar requeridos, pero sin movimiento; puesto que, una vez que se ponía en marcha el aire se escapaba paulatinamente, disminuyendo de 1.5 bar a 1 bar en 20 min. Sin duda se obtuvo un mejor sellado que el anterior, pero no el deseado. No obstante, la fuerza de fricción a vencer incrementó por lo ajustado de los nuevos retenes. Lo que generó una caída de voltaje al alimentar el motor de CD y un sobreesfuerzo del motor Stirling al comprimir el aire de la cámara fría. Para abordar ese problema era necesario incrementar el par transmitido por el motor. Por lo tanto se optó por cambiar la relación de la transmisión mecánica de 1:l a 712:l. Los cálculos realizados posteriormente, se muestran en el apéndice A Con este cambio se efectuó una nueva prueba, los resultados arrojaron un mejor desempeño del motor, el voltaje ya no se caía y la compresión del aire mejoró. Se utilizaron materiales diferentes en la camisa del pistón desplazador para efectos de pruebas. Se empleó la camisa de aluminio debido a que su indice de transferencia térmica es alto, lo que favorece el paso del calor. Sin embargo es inconveniente porque es más sensible a las alteraciones externas de temperatura. Y se utilizó una camisa de acero inoxidable, debido a que es menos sensible a dichas alteraciones externas de temperatura, pero el paso de calor es menor debido a que el índice de transferencia térmica es bajo. Además el volumen muerto aumentó con la camisa de acero inoxidable por un error del proceso de manufactura. El cual redujo la eficiencia del motor Stirling.

Al realizar las pruebas, nuevamente se obtuvieron resultados inesperados, la temperatura en la cámara fría incrementó mientras que en la cámara caliente no ocurría. Se encontró un problema con la camisa de aluminio del pistón desplazador y el propio pistón, generado porque acontecía una fricción entre ambos elementos. Dicha fricción producía una aportación de calor a la cámara fría, cuya función es extraer el calor a través de las paredes de la camisa, debido a la longitud del pistón desplazador, al efecto de la gravedad sobre el mismo y que los sellos son de hule, el brazo de palanca que se genera es suficiente para inclinar el pistón haciendo contacto con la pared de la camisa, de tal manera que se produce la fricción. La forma de resolver este problema es redimensionando la camisa y el pistón desplazador, o colocando sellos de metal babbit para que no se deformen como el hule. Puesto que no es posible recortar el pistón desplazador, se modificarían los valores de presión y volumen que se obtuvieron en el estudio termodinámico. Además no se seguiría la ruta del ciclo Stirling. Debido a lo anterior se procedió a realizar las pruebas con la camisa de acero inoxidable. Sin embargo, los resultados arrojados no mostraron que la temperatura de la cámara fría descendiera. Una causa fue que en dicha camisa hubo dos errores durante el proceso de manufactura. El diámetro interno se maquinó mayor al diseñado, provocando un aumento del volumen muerto en el motor Stirling. Dicho aumento de volumen muerto ocasionaba más ineficiencia al sistema. También disminuía la masa de aire trasladada hacia la cámara caliente por el pistón desplazador. El otro error consistió en que el espesor de la camisa no se maquinó a la medida del diseño. Lo que provocó un retraso en la velocidad del proceso de transferencia térmica. Sin embargo para la necesidad requerida el impacto resultó sin trascendencia. En los últimos resultados obtenidos no se obtuvo la información esperada, por lo tanto se determinó someter el motor Stirling al ciclo normal para verificar que el diseño del motor ejecuta el ciclo Stirling.

Para ello se realizaron las siguientes actividades: P Se retiró el motor eléctrico y la transmisión mecánica de cadenas

>

Se fabricaron volantes de inercia para satisfacer tres necesidades: Primero sacar al sistema biela-manivela-corredera de los puntos muertos. Segundo vencer la fuerza de fricción y así comprimir el aire con el pistón de potencia. Tercero mantener el movimiento del motor Stirling.

G Se fabricaron contra pesos para impulsar a los volantes de inercia.

P Se selló la entrada de aire a presión de la cámara fría con un tapón NPT 1/4", debido a que los conectores rápidos contienen hule, plástico y posiblemente no soportarían el calor a suministrar.

>

Se utilizó un soplete de gas butano como fuente de calor.

P Se utilizó la camisa de aluminio del pistón desplazador. Ya realizadas las acciones descritas arriba, se realizaron las pruebas de la siguiente manera: 1. Se energizó la bomba sumergible para iniciar el flujo de agua de la chaqueta de

enfriamiento. 2. Se colocó el soplete en la cámara fría del motor Stirling.

3. Se tomaron lecturas de la temperatura de la chaqueta de enfriamiento y de la cámara fría. 4. Se impulsaron los volantes inicialmente para ayudar a vencer la inercia.

5. Se observaron y registraron los resultados. 6. La presión de la cámara fría a temperatura ambiente fue la presión atmosférica. Se muestra como se realizaron las pruebas del ciclo Stirling normal (verfigura 5.8).

Figura 5. 8. Pruebas de ciclo Stirling normal.

La primer prueba arrojó los siguientes resultados: La temperatura de la cámara fría aumentó de 20°C a 600°C, mientras que en la chaqueta de enfriamiento aumentó de 20°C a 26°C. El trabajo realizado no fue muy notable, debido a lo ajustado de los retenes. Por tal motivo se reemplazaron los retenes por los o-ring. Esto con la finalidad de disminuir la fuerza de fricción a vencer. La segunda prueba arrojó los siguientes resultados: La temperatura de la cámara fría aumentó de 20°C a 600°C, mientras que en la chaqueta de enfriamiento aumentó de 20°C a 26°C. El trabajo realizado mejoró respecto a la primer prueba. Sin embargo se optó por dejar un solo o-ring para observar el desempeño del motor. La tercer prueba arrojó los siguientes resultados: La temperatura de la cámara fría aumentó de 20°C a 600°C, mientras que en la chaqueta de enfriamiento aumentó de 20°C a 26°C. El trabajo realizado mejoró respecto a la segunda prueba, fue más notorio el funcionamiento. Sin embargo no mantenía el movimiento continuo.

El hecho de no poder introducir una presión deseada se reflejada en los resultados. Evidentemente se necesitaba una presión mayor a la que se sometió el motor para que funcionara de manera correcta. Sin embargo con la temperatura que se le aplicó alcanzó una presión tal, donde se logró observar su desempeño.

5.2 Verzficacióny Depuración de Errores La verificación consistió en realizar un análisis de transferencia térmica en las cámaras fría y caliente del motor Stirling. Así como también un análisis de esfuerzo deformación de

algunos elementos mecánicos. Ambos se realizaron en el software COMSOL 3.5a@ diseñado para efectuar este tipo de análisis. Los resultados se muestran en el apéndice D. La depuración de errores consistió en modificar el diseño de algunos elementos mecánicos del motor, con el fin de adquirir algunas piezas ya comerciales, reducir tiempo de manufactura y corregir errores del diseño. Los errores depurados fueron los siguientes: En el diseño del motor no se tenía contemplado utilizar sellos entre la barra Gorton que funciona como corredera y el pistón de potencia. La importancia de implementar un sello en ese lugar consistió en asegurar que el gas sometido a presión no se escapara por esa zona. El sello es un O-ring AS-568A de 6.07 mm de diámetro interno. Se colocaron 3 O-ring AS-568A de 36 mm de diámetro externo entre el pistón de potencia y su camisa, para ayudar a delimitar el eje de movimiento de ambos pistones y así asegurar que no se escapara el gas, en este caso aire, contenido en la cámaras del motor Stirling. Cabe mencionar que los O-ring de 36 mm fueron los más próximos a la medida requerida. También se suministro el aditivo Bardhal 2@ entre cada O-ring como lubricante para la camisa y los O-ring, y así garantizar un movimiento con menos fricción. Esta fricción se refleja en la dinámica del mecanismo, e inclusive en el sistema de transmisión. La reducción se realizó en el torno con ayuda de un DREMELB SERIE 300 y un disco abrasivo montado en el porta herramientas. La transmisión de movimiento del motor eléctrico se tenía contemplado que solamente se efectuara por un extremo del motor Stirling. Sin embargo en las pruebas realizadas para la verificación de la dinámica se encontró que al ocurrir esto, se producía un esfuerzo axial en el mecanismo biela-manivela-corredera que forzaba el movimiento del mismo. Entre el eje de movimiento transmitido que se encuentra dividido en dos partes y la tolerancia de holgura de su rodamiento se producía el par que causaba dicho desperfecto del movimiento.

Para corregir este error se optó por transmitir el movimiento mecánico por ambos extremos del motor Stirling mediante una cadena de rodillos respetando la relación de 1 : 1. El cálculo y los parámetros de selección de la cadena se muestran en el apéndice A .

Además se implementó un soporte de aluminio para las cadenas y el motor eléctrico. El tamaño de las bielas aumentó debido a que se encontraron bujes comerciales de bronce pre-lubricados. Estos bujes sometidos a fricción desprenden un aceite lubricante que facilita el movimiento. Algunas propiedades mecánicas de las bielas aumentaron y son mostradas en el apéndice E. Se utilizaron opresores de 118 in con la finalidad de fijar las catarinas y bujes para establecer una separación simétrica de dichas catarinas. Se adaptaron conectores NPT 1/4" de bronce a la chaqueta de enfriamiento para la entrada y salida de agua, y una bomba sumergible de 150 l/hrs para impulsar el flujo del agua

dentro de la chaqueta.

Capítulo 6 Conclusiones

Capítulo 6: Conclusiones

6.1 Conclusiones En base a los objetivos planteados al inicio del proyecto se diseñó y construyó un prototipo de motor Stirling en configuración beta. Se verificó que ésta máquina térmica ejecuta el ciclo normal Stirling. Sin embargo con las características e información que se tiene hasta el momento, no es posible que sea utilizado como elemento enfriador. Para que opere en ciclo inverso se debe hacer un redimensionamiento de las cámaras fría y caliente del motor Stirling, reemplazar los sellos de hule por unos de metal, o encontrar una función polinómica que describa la trayectoria de la fuerza que debe aplicarse al pistón de potencia durante el recomdo de un ciclo. El gradiente de absorción de calor del motor Stirling es tal, que no puede ser tan notorio. Este gradiente resultó al seguir la metodología Senft-Schmidt y al no tener una noción cuantitativamente clara de las unidades de joule. Los sellos del motor Slirling no son de medida comercial, lo que complicó el problema de las fugas y limitó la presión de las cámaras a un nivel menor al calculado. La caracterización del motor Stirling se limitó a conocer sus condiciones de operación. Se puede realizar un escalamiento físico del motor tomando como base los cálculos realizados. La inexperiencia del maquinado de piezas influyó en la prolongación de tiempo. Este tipo de trabajos a nivel licenciatura se pueden llevar a cabo, siempre y cuando se cuente con una formación interdisciplinaria, con la capacidad de incorporar las diversas áreas que le conforman.

A pesar de que el motor Stirling es muy conocido en el mundo, en México no se cuenta con la misma suerte. Hace falta que se divulgue este tipo de motores para incursionar en otras nuevas aplicaciones tecnológicas.

6.2 Posibles Mejoras al Sistema >

Redimensionar las cámaras del motor Stirling, tomando en cuenta los tamaños comerciales de los sellos, y aumentar el gradiente de absorción de calor.

>

Realizar pruebas con la cámara fría sumergida en un refrigerante para hacer más notables los cambios de temperatura.

>

Reemplazar una válvula check de la cámara fría, por una que soporte altas temperaturas, para introducir una presión deseada al motor.

>

Reemplazar los sellos de hule por sellos de metal, para reducir el tiempo de mantenimiento y la fricción en la cámara caliente.

>

Encontrar una función polinómica que describa la trayectoria de la fuerza que se debe aplicar en el pistón de potencia, para obtener la ruta que sigue el ciclo Stirling.

>

implementar un sistema de control para discretizar y procesar la información del par a transmitir por el motor de CD que produce la fuerza del punto anterior. Cerrando el lazo de control con sensores que proporcionen la posición del pistón de potencia.

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h t t p : ~ h ~ * . ~ i : w . w l ~ i s p ~ r ~ ' e r ~ . c ~ ~ ~ n / c ~Clucas n t e n t lStirlinrt i b r a ~ Dengitie ~n oenei-ator developinent.~df

1

ri71

Commercialization Status of Free-piston Stirling Machines. Neill W. Lane. Sunpower, Inc.,

1

- ' USA. h t t p : ~ t v i . i i i i : . s u n p o u . e r . c o m i l i b / s i t e r i c O Ol 1 p d l '

1 An introduction to Stirling-cycle machines. David Haywood. Stirling-cycle Research Group.

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http:lÍwt~~~.lanna-net.info/FoodlArticles/110203O 1.pdf [22] Schmidt Theory For Stirling Engines. htt~:/!www.nmri.~c~.i~lenv~khirii~' [23] Schmidt Analysis For Stirling Engines. htt~:Íiwww.nmri.~n.i~~cnv/khiratal I

[24] 1 Stirling and hot air engines QRS. http:!lwww. t b e . z a z i . e d ~ i . t r ~ ' d e r ~ i !tam.:'16( tri 1): 15.pdf

Apéndice A Análisis Cinemática Ecuación de desplazamiento d para el pistón de potencia. R ~=x=R(~-cosB)+-s~~~B 2L Ecuación para la velocidad v del primer pistón.

Ecuación de aceleración a para el primer* pistón.

Para encontrar la velocidad en el segundo pistón se utilizó el método vectorial del cual se obtuvo el siguiente análisis: Ecuaciones que describen el movimiento de las barras AB, BC, CDE, EF.

VF = VE + wEFAx ((E,COS S):

+ (1, sin 6 ) j )

VE 14

W E F =-

La velocidad del punto F es totalmente horizontal, por lo que esta velocidad será la misma para el pistón.

E

l

Pistón

Figztra A. Diagrama de del mecanismo del pistón del motor Stirling

Figura B. Diagrama de cuerpo libre del mecanismo de cuatro barras que compone el motor Stirling.

Figura C. Velocidad lineal en el punto F.

Análisis Dinámico Ecuaciones d e Movimiento

Apéndice B Tabla 10. Límites de temperatirra para materiales de aislamiento.

LIMITES DE TEMPERATURA PARA MATERIALES DE AISLAMIENTO'

TABLA

' para "M ~

m pde . n ~ ~ a ~de b ~l em p .,

aire jmbienml

Li.w+al de &na!cs:

Clase

si 1s tcmp. h l ab2

,nipuesta de 40'C ambiental er a)'C VemP da , (Placa & idcntificaci6n) habitación)

bmp. & wpdeie & Rpbabk

uInitembx. & temp.

wnd. mdx.

en punto más caliente del dcv~nado.' C

devanado bajo

sin i~pppgnocibn o líquido Materiales de clase O impregnados.

aislamientos & esmalte. mnteriales wlulosos. . .A celulosa midenda. , fcn6Hcos. resinos *Mirrenles inorg6oicos con algen aglutinante orgánico de clase A ~smgltesepóxicos. materiales poliestCricos-ep6xicoli F modificados, f i b m de vidrio. wR6n Materinles ínorgbnicos con aglutinwtcii de silicbn, hules de ñilicón H Mica. porcelana, vidrio, cunno eh f o r m pura

(55

85

90

105

90

110

11s

130

140

1M)

165

180

'

Sin i@itbo asignados

Apéndice C A rchivos Fotográficos

Apéndice D Análisis con COMSOL8 Análisis Termodinámico de la Cámara Fría 1. Geometría.

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