8/12/2019 Motor Estirling

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RESUMEN

Todos los motores termodinmicos funcionan con ciclos de calor, llamados con mayor

propiedad ciclos termodinmicos. Cada uno de estos ciclos tiene un nombre. Los motores

termodinmicos se clasifican en endotrmicos (combustin interna) y exotrmicos

(combustin externa). Como ejemplo de motores de combustin interna son los que se usanen los autos, estos funcionan con el ciclo Otto, los camiones, trenes y barcos con el ciclo Diesel,

las plantas de poder frecuentemente funcionan con el Ranking, mientras que las turbinas de

gas funcionan con el ciclo Breton. En los motores de combustin externa destaca uno en

especial el motor Stirling cuyo ciclo fue entre los primeros de los ciclos termodinmicos en ser

operados por los ingenieros.

La idea del ciclo Stirling fue alternando aire caliente y fro en un cilindro usando brazos

mecnicos articulados y un volante para lograr que el motor funcione en un suave e

interminable ciclo.

Los motores trmicos transforman un flujo de calor en trabajo mediante una serie de

procesos termodinmicos que realizan de forma continuada sobre un fluido motor. En

conjunto estos procesos forman un ciclo termodinmico. Un ciclo termodinmico es una

evolucin cclicade procesos trmicos dentro de unintervalo de temperaturas.

El funcionamiento de los motores trmicos est caracterizado por la temperatura mxima y

mnimaentre las que opera el fluido motor, as como la rapidez con que es capaz de realizar el

ciclo, cuestin que definir su potencia.

Otro aspecto tecnolgico muy importante es el proceso empleado para aportar el calor al ciclo,

distinguindose los motores exotrmicos de los endotrmicos. En los procesos exotrmicos el

calor que requiere el ciclo termodinmico es aportado al fluido de trabajo en un dispositivo

externo (EL MECHERO DE BUSTEN) como en el caso de la mquina de vapor y del motor

Stirling. El fluido motor siempre es el mismo y no cambia de composicin.

Por el contrario, en los motores endotrmicos el calor es aportado al fluido del trabajo

hacindolo intervenir como comburente en un proceso de combustin, que se desarrolla en el

interior del mecanismo como en el caso de los coches (motor Otto), aviones (turborreactores),

y en gran cantidad de industrias. Con lo que ser necesario sustituir el fluido motor despus de

cada ciclo de trabajo, puesto que, debido al cambio de composicin qumica sufrido en el

proceso de combustin, el fluido resultante no es reutilizabledespus de haber transferido su

energa al mecanismo.

La forma de aportacin de calor al ciclo no presenta diferencias en los procesos

termodinmicos; sin embargo, las diferencias tecnolgicas son determinantes. Los motores

endotrmicos solo pueden trabajar con combustible de una cierta calidad, dado que el proceso

de combustin debe realizarse, a enorme rapidez, en el interior del mecanismo. En cambio, los

motores exotrmicosaportan el calor al ciclo mediante una transferencia de calor, con lo que

pueden aprovechar combustibles de inferior calidad, como puede ser la biomasa o gases de

escape de otros motores, o incluso fuentes de calor alternativas, como la energa solar o la

fisin nuclear.

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2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El motor Stirling representa un reto a la tecnologa. En este trabajo se planteara el estudio

termodinmico de una maquina trmica considerada la ms eficiente.

OBJETIVOS

Construir una maquina trmica Stirling y hacerla funcionar con materiales comunes,

de fcil acceso.

Determinar las ventajas y desventajas en el motor Stirling.

Determinar la importancia de un regenerador.

MARCO TERICO

FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR STIRLING

Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o viceversa,

a travs de un ciclo termodinmico regenerativo, con compresin y expansin cclicas del

fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco caliente y la del

foco fro.

En el motor Stirling un gas est confinado en una cmara cerrada, no sale al ambiente. El gas

se desplaza de un extremo a otro de la cmara, cuando est en un extremo, una fuente de

calor externa lo calienta; esto hace que se expanday as se produce la fuerza del motor. Una

vez que alcanza su mxima expansin, el gas se traslada al otro extremo de la cmara (el

pistn), donde se enfra, lo que provoca que se comprima. Despus se lleva nuevamente alextremo caliente para iniciar un nuevo ciclo. Un tambor desplazador mueve el gas entre los

dos extremos de la cmara y otro dispositivo, el pistn de potencia, aprovecha la expansin

para producir la fuerza del motor.

La modelizacin del ciclo termodinmico del motor Stirling siempre parte de la base de que las

evoluciones asociadas a la variacin de volumen se realiza de modo isotrmico, de modo que

durante la expansin se produce la introduccin de calor del ciclo y durante la compresin se

produce la extraccin.

Este hecho permite que el fluido motor, una vez se haya expandido, permanece a la mismatemperatura que antes de la expansin, lo que permite la introduccin del concepto de

regenerador.

Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno fro, se cumple

que el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a su calentamiento , lo

que permite introducir un elemento que almacene el calor cuando una vez expandido el fluido

debe operar a temperatura baja, para despus de la compresin volver a absorber dicho calor

para pasar a la cmara caliente donde se expansionara.

El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir de

cuatro procesos cclicos consecutivos: aporte de calor, expansin con el aporte de calor de la

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fuente de calor, extraccin de calor hacia un acumulador trmico regenerativo y compresin

con extraccin de calor hacia el foco fro.

En seguida se muestra el esquema conceptual de un motor Stirling donde el fluido est

confinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio, dividiendo el espacio,

se dispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo condiciona para adecuarlo a latemperatura 3 de la cmara en que se encuentra. A un lado se dispone la cmara de

compresin, a temperatura baja, y en el otro la cmara de expansin, a temperatura alta.

Esquema ideal de una maquina Stirling isotrmica

Evolucin de los volmenes de las cmaras a los diferentes puntos del ciclo.

VmaxF: volumen mximo de la cmara fra.

VintF: volumen intermedio de la cmara fra.

VminF: volumen mnimo de la cmara fra.

VminC: volumen mnimo de la cmara caliente.

VintC: volumen intermedio de la cmara caliente.

VmaxC: volumen mximo de la cmara caliente.

El proceso al que se somete el fluido descrito en la figura consta de cuatro pasos:

1. La totalidad del fluido se encuentra a baja temperatura en la cmara fra, por lo que el

volumen de esta cmara es mximo, mientras que la cmara caliente esta a volumen mnimo.

Evolucin 1-2. Se produce un proceso de compresin isotrmica en la cmara fra, por

consiguiente debe extraerse calor.

2. El fluido sigue en la cmara fra, el volumen es mnimo para el fluido, pero intermedio para

el mecanismo. La cmara caliente continua a volumen mnimo.

Evolucin 2-3. Se produce el trasvase del fluido de la cmara fra a la caliente de forma

isocrica. El fluido atraviesa el regenerador, que le aporta calor para alcanzar temperatura

alta, entrando de este modo, en la cmara caliente a su propia temperatura.

3. Todo el volumen est en la cmara caliente con volumen mnimo para el fluido, siendo el

volumen del mecanismo volumen intermedio para la cmara caliente, mientras que la fra a

pasado a tener volumen mnimo, es decir, nulo.

Evolucin 3-4. Expansin isotrmica en la cmara caliente, por consiguiente debe aportarse

calor.

4. La cmara caliente y el fluido estn a volumen mximo, y mientras que la cmara fra sigue a

volumen mnimo.

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Evolucin 4-1. Se produce el trasvase de fluido de la cmara caliente a la fra de forma

isocrica. El fluido atraviesa el regenerador y lo calienta, acumulndose el calor que volver a

recibir el fluido nuevamente en la evolucin 2-3.4

CICLO STIRLING

DIAGRAMAS PV

(PRESIN-VOLUMEN)

1-2 Compresin isotrmica con extraccin de calor.

2-3 Aportacin de calor de regeneracin a volumen constante.

3-4 Expansin isotrmica con aportacin de calor.

4-1 Extraccin de calor de regeneracin.

El ciclo termodinmico Stirling comienza en A, en el punto 1. En B, el fluido de trabajo se

comprime de 1 a 2 y se enfra por radiacin. En C, el fluido se calienta de 2 a 3, aumenta la

presin y el pistn comienza a entregar trabajo mecnico. En D, el fluido se expande de 3 a 4 y

el desplazador lo traslada al espacio fro. En E, el fluido se enfra de 4 a 1 y la presin

disminuye. El rea rayada en el diagrama PV representa el trabajo W entregado en cada

revolucin del motor.5

DESARROLLO

DISEO DEL PROYECTO

Para el desarrollo en la construccin del motor Stirling.

3 latas de aerosol grandes Lata de leche grande Una lata de red buld 3 rayos de bicicleta 10 ajustes Abrazadera mediana Un globo de fiesta Un codo de media Dos tapas de gaseosa de plstico Adaptado de 25mm por 50mm Pegamento de alta temperatura. 4 tornillos con tuerca. Lente de DVD. Cmara de bicicleta.

La construccin de esta maquina trmica resulta verdaderamente fcil y barato, y funciona sin

ninguna dificultad de maquinado, y una vez que vas avanzando, realmente se adquiere unsentido de cmo este tipo de motores trabajan.

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Hacer funcionar la maquina Stirling construida con materiales comunes no trajo

complicaciones en su mecanismo, los innumerables movimientos mecnicos ocurrieron al

mismo tiempo de manera precisa para conseguir el funcionamiento cclico.

El motor Stirling empleado en este trabajo usa una fuente calor externa, puede funcionar con

cualquier cosa disponible que produzca calor, en este caso se empleo un mechero de Bunsten.

Nuestro motor Stirling consiste en dos pistones .Un pistn se dispone como la cmara caliente

y el otro como la cmara fra refrigerada con agua fria.

Al calentar el pistn principal, la diferencia de temperatura entre las dos cmaras causo que el

motor funcione, as, la diferencia de temperaturas entre el lado caliente y fro cre

variaciones en la presin y volumen del aire dentro del motor . Estas diferencias de presin

hicieron girar un sistema de articulaciones mecnicas, el cual por cada vuelta regulara la

presin y volumen del aire del cilindro.

El funcionamiento de esta mquina casera resulta muy til como material didctico para la

demostracin de una clase de termodinmica. Es as, como el motor Stirling, conocido tambin

como motor de aire caliente, es un motor reciprocante que puede tener uno o ms cilindros y

funciona mediante la expansin y la contraccin alternativa de un gas cualquiera encerrado en

su interior, el cual, en cada alternancia, empuja al pistn (o pistones), produciendo trabajo

mecnico.

El gas es calentado por cualquier generador de calor; enfriado por su contacto con el medio

externo mediante el disipador adecuado (agua fra). Es un motor de combustin externa,

pues, como en la mquina de vapor, la combustin no penetra en el mecanismo.

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