Proyecto Final - Motor Stirling

 

MOTOR STIRLING I) Objetvos - Construir un motor po Srling con materiales reciclados. - Estu Estudiar diar y explicar el funciona funcionamient miento o de una de las máquina máquinass térmicas más ecien ecientes tes como lo es el motor Srling.

II) Teoria -

INTRODUCCIÓN

El motor Srling es una máquina de combusón externa basada en el ciclo Srling. Desarrolla Desa rrollado do en el año1816 por Robert Srling, este motor genera energía a par parrr de la diferencia de temperatura. El uido de trabajo que es picamente aire, hidrogeno o helio, se calienta en un extremo y se enfría en el otro, provocando que el gas se expanda o se comprima, respecvamente. Además, esta expansión y compresión mueve dos pistones dent dentro ro del cili cilind ndro ro del mo moto tor, r, los los cu cual ales es es está tán n acop acopla lado doss a un me meca cani nissmo de accionamiento que produce una salida de potencia neta. Dicha salida de potencia es debida a que el proceso de calentamiento (expansión) se produce a una presión de trabajo mayor que el proceso de enfriamiento (compresión).

Esta máquina opera en un ciclo regeneravo cerrado y la transferencia de energía se produce a través de las pareces del cilindro del intercambiador de calor. Las variaciones de volumen ocasionadas cuando el uido de trabajo se mueve por los pistones deben estar fuera de fase entre sí para que se genere energía. El motor cuenta con dos pistones con funciones bien diferenciadas: el desplazador y el pistón de potencia.

 

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El desplazador: Es desplazador: Es un pistón que se ajusta al interior de la cámara de trabajo dejando una pequeña distancia, distancia, llamada anillo, entre éste y las paredes del cilindro de manera que permite que el uido de trabajo pase de la zona caliente a la zona fría, calentándose y enfriándose alternavamente. El pis pisón ón de po poenc encia ia:: Es el encargado de converr la presión que almacena el uido de trabajo en una fuerza neta. Debido a que el pistón de potencia y el desplazador se mueven fuera de fase el uno con el otro, el motor Srling requiere un sistema de accionamiento convencional.

Esta máquina opera en un ciclo regeneravo cerrado y la transferencia de energía se produce a través de las pareces del cilindro del intercambiador de calor. Las variaciones de volumen ocasionadas cuando el uido de trabajo se mueve por los pistones deben estar fuera de fase entre sí para que se genere energía. El mo moto torr Srl Srlin ingg es el único único ca capa pazz de ap apro roxim ximar arse se (teó (teóric ricam amen ente te lo alca alcanz nza) a) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se reere, es la mejor opción. conviene adverr que no serviría como motor de coche, porque, aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior y el rendimiento ópmo solo se alcanza a velocidades bajas. TIPOS DE CONFIGURACIÓN CONSTRUCTIVA DE LOS MOTORES STIRLING

Existen tres pos de conguraciones para un motor Srling: 1. Co Conf nfgu gura raci ción ón al ala a La conguración alpha está compuesta por dos cilindros, uno frío y otro caliente. Los dos pist piston ones es es está tán n cone conect ctad ados os a tr trav avés és de un cig cigüe üeña ñal, l, pero pero su suss mo movi vimi mien ento toss es está tán n desfasados 90 grados. Esto supone que cuando un pistón está en el tope o, al contrario, el otro se situará a medio camino

 

2. Conf Confgu gura raci ción ón be bea a El motor Srling original tenía una conguración beta. Ésta consta de un cilindro con un extremo caliente y otro frío. En el interior del cilindro se sitúa el desplazador, cuya misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa. El pistón de potencia está colocado de manera concéntrica al desplazador. Mediante un cigüeñal especial, el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados, lo que permite el funcionamiento del moto mo tor. r. De Desd sdee el punt punto o de vist vistaa te term rmod odin inám ámic ico o es el mo moto torr má máss e eca caz, z, pero pero su construcción es complicada, ya que el pistón debe de tener dos bielas y permir el paso del vástago que mueve el desplazador.

3. Conf Confgu gura raci ción ón ga gamm mmaa Este po de motor viene derivado de la conguración beta, pero es más sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en otro otro el pis pistón tón de pot potenc encia. ia. Est Estos os cilind cilindros ros se enc encuen uentra tran n de desfa sfasad sados os 90 gra grados dos mediante un cigüeñal. Desde el punto de vista termodinámico es menos ecaz que el po beta, puesto que la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura y existe más volumen muerto.

 

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CICLO TERMODINÁMICO  TERMODINÁMICO 

El motor Srling sigue un ciclo termodinámico conocido como ciclo Srling, el cual proporciona teóricamente el rendimiento máximo teórico, conocido como c omo rendimiento de Carnot. Esto supone que los motores Srling sean los motores térmicos que presentan un mayor rendim ren dimien iento. to. Pes Pesee a qu quee teó teórica ricamen mente te est estee mot motor or alc alcan anza za ren rendim dimien ientos tos altos, altos, es necesario comentar que no serviría como motor de coche, ya que su potencia es baja y los alt altos os ren rendim dimien ientos tos que alc alcanz anzaa se con consig siguen uen a ba bajas jas vel veloci ocida dades des.. Por otro otro lado, lado, el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que el motor tendrá una mayor eciencia en climas fríos que en cálidos.  Este ciclo consta de 4 etapas: dos procesos isocoras y dos isotermos

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1-2: Expansión isoterma del gas a temperatura máxima, durante la cual el 1-2: Expansión gas absorbe calor de la fuente caliente. 2-3: Enfriamiento a volumen constante, disminuyendo la temperatura del 2-3: Enfriamiento uido hasta la temperatura mínima.

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3-4: Compresión isoterma del gas a la temperatura inferior, cediendo el 3-4: Compresión calor a la fuente fría. 4-1:: Calentamiento a volumen constante provocado por el regenerador, lo 4-1 cual implica un aumento de presión.

 

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RENDIMIENTO DEL CICLO

 La denición de rendimiento para una máquina térmica es: η=

  Wneto Qabsorbido

  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: Wneto= nR T c ln (

Vmax  Vmin  )+ nR T f  ln ( ) Vmin Vmax

Donde 

  Vmin y Vmax: Son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan

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  T c , T f  : Las temperaturas de las fuentes caliente y fría respecvamente.

Deniendo la relación de compresión como r =Vmax /Vmin  y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a Wneto= nR ( T c −T f  ) ln ( r ) 

Qabsorbido=nR T c ln ( r )

ya que es complicado calcular las candades de calor entrante y saliente ya que se ven afectados por la fricción de los pistones, por la combusón incompleta del combusble o por las mismas propiedades sicas de dichos combusbles. Sin embargo, al considerar la alta eciencia del motor Srling, podemos considerarla como una máquina ideal y por lo tanto haremos caso omiso de dichas alteraciones, quedándonos con el valor absoluto del calor entrante y saliente, considerando la eciencia en términos de temperatura, ya que se ha comprobado que para dichas máquinas Finalmente, el rendimiento total de la máquina resulta

η=

nR ( T c −T f  ) ln (r ) nR T c ln (r )

del ciclo se aproxima al del ciclo de Carnot

 

η = (1 − -

T f  T c

 )

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING

El funcionamiento del motor Srling se basa en el aprovechamiento de los cambios volumétricos del uido de trabajo como resultado de los cambios de temperatura que éste sufre. Estos cambios volumétricos se deben al desplazamiento del uido de trabajo entre la zona caliente y la l a zona fría en un cili cilindro ndro cerrado. 1. Si se ene aire encerrado en un cilindro y luego se calienta, se observa que la presión dentro del cilindro se incrementa. Se asume que una de las tapas del cilindro es un émbolo y que éste es herméco; entonces habrá una expansión del gas y aumentará el volumen interior del cilindro hasta cierta posición nal del émbolo. 2. Si al mismo cilindro, en su estado de expansión, se transere rápidamente, la presión disminuye; entonces, el volumen se contrae y la posición del émbolo vuelve al estado inicial. 3. Si el proceso del estado 1 se repite, pero ahora uniendo el émbolo a una volante. El incremento de la presión forzará al émbolo a moverse ocasionando el giro de la volante, con lo cual se consigue que el “cambio volumétrico” se transforme en movimiento. 4. Si se repite el proceso del estado 2, enfriando rápidamente, el pistón retorna por efecto del movimiento de la volante y se produce la disminución de la presión y el volumen. 5. Si se juntan los procesos 3 y 4, en un solo sistema, con un desplazador, se producirá el movimiento del motor debido a la expansión del gas, y, durante la compresión el pistón retornará a su posición debido a la energía de la volante volante..

III) Maeriales y esquema Maeriales -

½ metro de hilo nailon 3 latas de refresco vacías ½ metro de alambre galvanizado 1globo

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1 tornillo pequeño 1 rondana para el tornillo

 

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1tuerca para el tornillo 1 codo de cpvc

Metodología para la construcción del motor Stirling

1) Cor Corta tarr las la latas tas p por or su p part artee supe superio rior. r. 2) Post Posterior eriorment mentee agujera agujerarr una de ellas en su bas basee por la parte cen central tral (el ag agujero ujero debe ser del diámetro de un aller). 3) La seg segund undaa lata deb debee ser aguj agujera erada da por uno de los costado costadoss y se le pondrá pondrá el codo de cpvc pegado con plasacero. 4) Se fabr fabrica ica un pist pistón ón con otr otraa lata de refr refresco, esco, ést éstee debe desp desplazar lazarse se de manera libre por el interior de la lata que ene el tubo de cpvc. 5) A connu connuación ación se co constr nstruye uye un cigüeñal cigüeñal co con n el alamb alambre re galv galvaniza anizado do y con ayu ayuda da de unas alicatas, como se indica en la gura

6) La lata co con n aguj agujero ero en su ba base se deber deberáá de lleva llevarr 2 agujer agujeros os en sus ext extremos remos d dee tal manera que se encuentre uno a 180 grados del otro y a la misma altura, en estos agujeros se colocara el cigüeñal. 7) Pos Poster terior iormen mente te con ayu ayuda da de hilo hilo nilón, nilón, se amarr amarrara ara el cigüeñ cigüeñal al al pis pistón tón,, el pistón debe colocarse en la lata que ene el codo de cpvc y el hilo de nilón debe pasar por el agujero como se muestra en la f 

 

  Se deben pegar las latas como se indica arriba.

8) Pos Poster terior iormen mente te aguj agujera erarr el glob globo o con el torn tornillo illo y ja jarr este al mis mismo mo glob globo o con ayuda de una tuerca y rondana, después cortar ligeramente la boquilla del globo y colocarlo en el codo de cpvc 9) Unir el to tornillo rnillo q que ue sale d del el globo aall cigüeña cigüeñall como se mu muestra estra en la g gura. ura.

10) Coloca Colocarr en el otro extr extremo emo del cigüeña cigüeñall como se muest muestra ra en la gur guraa de arriba el CD

 

IV) Procedimiento experimental

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Arme el eq equipo uipo como se m muest uestra ra een n el esqu esquema. ema. Eche un unaa pequ pequeña eña ca canda ndad d de agu aguaa en la zo zona na del re refriger frigerante ante.. Enc Encien ienda da el m mech echero ero d dee la pa parte rte in infer ferior ior.. Esp Espere ere un det determ ermina inado do em empo. po. Dé ma marcha rcha aall mot motor or ha haciendo ciendo girar levem levemente ente el di disco. sco. Una vez puest puesto o en mar marcha, cha, pr proceda oceda a usar la ccámar ámaraa en mod modo o Cáma Cámara ra lent lentaa y empiece a grabar el movimiento del disco durante 10 segundos. 7. Mient Mientras ras se ha hace ce el paso 6, con eell termóm termómetro etro to tome me las med medidas idas de dell foco frio (T (Tc) c) y del foco caliente (Th) del motor y regístrelas en la Tabla 1. 8. Hecho es esto, to, seg según ún el video ccuente uente el nú número mero de vu vueltas eltas (n (n)) que da el dis disco co y anót anótelas elas en la Tabla 1. 9. Repita los p pasos asos desde el núm número ero 4 h hasta asta tener 4 lectu lecturas. ras.

Tabla 1. Datos de las temperaturas del foco frío y del foco caliente y del número de vueltas del disco. Lectura 1 2 3 4

Tc (°C) 90.4 145.9 43.6 48.5

Th (°C) 203.8 279.8 243.6 279.4

n 54 62 67 65

V) Análisis de datos

1. Segú Según n la tabla 1, co convier nvierta ta de gra grados dos Cels Celsius ius a Kelv Kelvin in la temp temperat eratura ura del fo foco co frío (Tc (Tc)) y foco caliente (Th) y anote en la Tabla 2. 2. Hal Halle le la ec ecien iencia cia del mot motor. or. 3. Divid Dividaa el núm número ero de vu vueltas eltas ((n) n) que d daa el disc disco o sobr sobree 10 seg segundo undos. s. Tabla 2. Conversiones de las temperaturas del foco frío y del foco caliente, eciencia ecienci a del motor y número de revoluciones por segundo del disco. Lectura 1 2 3 4

Tc (K) 363.55 419.05 316.75 321.65

Th (K) 476.95 552.95 516.75 552.55

4. Gra Graqu quee N rresp espect ecto o a llaa eecie cienci ncia. a.

e 0.238 0.242 0.387 0.418

N (rps) 5.4 6.2 6.7 6.5

 

VI) Conclusiones El funcionamiento del motor Stirling responde a principios termodinámicos simples, pero que a la vez hacen del mismo una maquina asombrosa, como hemos visto la energía energí a en el universo no es más que la capacidad capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, lo cual está íntimamente relacionado a un principio muy elemental “la energía energí a no se crea ni se destruye, solo se transforma”, transforma”, es decir, la primera ley de termodinámica. Por otro lado hemos aprendido que no existe maquina perfecta capaz cap az de aprov aprovec echa harr ínte íntegra grame ment nte e la energ energía ía tota totall de un si sist stem ema a para para la produ pro ducci cción ón de trab trabaj ajo, o, lo cual cual ha traí traído do co cons nsig igo o la inqu inquie ietu tud d de desarr desarrol olla lar  r  artef art efac acto tos s capac capaces es de apro aprovec vecha harr todo todo el recurs recurso o sumin suminis istr trad ado, o, pu pues es en la mayoría de los casos será posible presenciar perdidas lo cual no trae consigo ningún beneficio. Afortunadamente el motor Stirling es el artefacto termodinámico que más se ha acercado a esa perfección anhelada tanto en eficiencia como en

 

consumo de energía debido a que esta es aprovechada casi al 100% y con grandes prestaciones. Gracias a esto las aplicaciones que se le pueden dar son diversas y los beneficios en mayor medida. VII) Bibliografía 

Tippens, Paul E. (2007). “Física. Conceptos y aplicaciones”. Mc Graw Hill. 7ª ed. México.



Seely y Ensign. (1990). “Mecánica analíca para ingenieros”. Reimpresión. México.



Stolberg,

R.

y Hill, F.F.

(1999).

“Física,

fundamentos

y

fronteras”. Publicaciones Cultural. México. 

Sears, Zemansky, Young y Freedman. (2005). “Física universitaria con sica moderna”. Pearson Addison Wesley. Undécima edición. México.

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Terrazocultor, José Manuel.  Manuel. hp://100ciaencasa.blogspot.mx/ hp://100ciaencasa.blogspot.mx/.. Consultada el: 12/enero/2014