ESTUDIO DEL MOTOR STIRLING DE COMBUSTION EXTERNA

INTRODUCCIÓNla necesidad de evitar la contaminación ambiental y la búsqueda de soluciones paralelas a la generación de energía eléctrica por otros medios que no sean los comunes conllevaron a los motroes de combustion externa y en particular los motores stirling al desarrollo de nuevas tendencias de producción de energía eléctrica .

ante esta situación, muchas han sido las alternativas que el hombre ha planteado para la

producción energética,ensayando el uso denuevas fuentes de energía que puedan sustituir a los combustibles fósiles,sinafectarsucalidad de vida; esta nueva búsqueda tiene como principios activos la adaptabilidadeconómica, la protección del medio ambiente y la igualdad de condiciones.

HISTORIA DEL MOTOR DE COMBUSTION EXTERNA

el motor stirling invención del escocés robert stirling en el año 1.816. 

es un motor deciclo cerrado muy eficiente. el principio 

de funcionamiento en términos simples, es el trabajo mecánico realizado por la expansión y contracción de un gas, utilizando diferencias de

temperaturas. este motor presenta muchas 

ventajas tales como sencillez y versatilidad,

diversidad de fuentes de calor para su funciona

miento, bajo costo, muy eficiente entre otras

que se mencionan en el desarrollo del trabajo de

 grado.

El Dr. Robert Stirling Reverendo 

MARCO TEORICO

MOTOR STIRLING

SE DEFINE MAQUINA STIRLING COMO AQUEL DISPOSITIVO QUE CONVIERTE CALOR EN TRABAJO, O VICEVERSA, A TRAVÉS DE UN CICLO TERMODINÁMICO REGENERATIVO, CON COMPRENSIÓN Y EXPANSIÓN CÍCLICAS DEL FLUIDO DE TRABAJO, OPERANDO DICHO FLUIDO ENTRE DOS TEMPERATURAS, LA DEL FOCO CALIENTE Y LA DEL FOCO FRIO. CUANDO LA MAQUINA OPERA DE MODO VOLUMÉTRICO RECIBE EL NOMBRE DE MAQUINA STIRLING, MIENTRAS QUE SI OPERA MEDIANTE FLUJO PERMANENTE CONTINUO SE DENOMINA MAQUINA DE ERICSSON.

• LOS PRIMEROS MOTORES DE AIRE CALIENTE A MEDIADOS DEL SIGLO XIX FUERON APARECIENDO OTRO TIPO DE MAQUINAS TÉRMICAS, DISTINTAS A LAS MAQUINAS DE VAPOR, QUE CONSTITUYERON OTRA RAMA TECNOLÓGICA: LOS LLAMADOS MOTORES DE AIRE CALIENTE LLAMADOS ASÍ PORQUE SOLO EMPLEABAN AIRE COMO FLUIDO DE TRABAJO.

• POSTERIORMENTE CON EL USO DE OTROS GASES PROVOCO QUE FUERAN LLAMADOS DE DIFERENTES MANERAS, COMO MOTORES DE GAS CALIENTE, O BIEN, MOTORES STIRLING EN HONOR A ROBERT STIRLING.

El motor de Ericsson • LA MÁQUINA CONSTABA DE UN CALENTADOR E,

COMO PUEDE VERSE EN LA ZONA IZQUIERDA DE LA FIGURA 1.3, DONDE SE QUEMABA EL COMBUSTIBLE EN EL FOGÓN F. EN EL INTERIOR DE UN CILINDRO A SE DISPONÍAN DOS PISTONES A Y C; EL PRIMERO DE ELLOS ES EL LLAMADO PISTON DE TRABAJO, MIENTRAS QUE EL SEGUNDO ES EL DENOMINADO PISTÓN DE SUMINISTRO. EL PISTÓN A PUEDE VERSE DEBAJO DEL «VOLANTE DE INERCIA» EN LA FIGURA 1.3, MIENTRAS QUE EL PISTÓN C SE ENCUENTRA A LA IZQUIERDA DEL A. REALMENTE EL OBJETO QUE TIENE EL PISTÓN C ES PERMITIR EL SUMINISTRO DE AIRE CALIENTE QUE, AL EXPANDIRSE, MUEVE AL CILINDRO A; A SU VEZ, RETIRA EL AIRE ENFRIADO UNA VEZ QUE SE HA EXPANDIDO.

•  

PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DE FUNCIONAMIENTO 

• TODOS LOS MOTORES TERMODINÁMICOS FUNCIONAN CON CICLOS DE CALOR, LLAMADOS CON MAYOR FRECUENCIA CICLOS TERMODINÁMICOS. CADA UNO DE ESTOS CICLOS TIENE UN NOMBRE.

• LOS MOTORES TERMODINÁMICOS SE CLASIFICAN EN ENDOTÉRMICOS (COMBUSTIÓN INTERNA) Y EXOTÉRMICOS (COMBUSTIÓN EXTERNA).

• COMO EJEMPLO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA SON LOS QUE SE USAN EN 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 RANKINE, MIENTRAS QUE LAS TURBINAS DE GAS FUNCIONAN CON EL CICLO BRAYTON

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING

• COMO SE HA PODIDO APRECIAR, EL FUNCIONAMIENTO DE ESTE TIPO DE MOTORES ES RELATIVAMENTE FÁCIL DE COMPRENDER YA QUE SU OPERACIÓN ES SENCILLA Y CUENTA CON POCOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS. SIN EMBARGO, COMO EN TODOS LOS CICLOS TERMODINÁMICOS REALES, EXISTEN ETAPAS QUE NO SE ALCANZAN A APRECIAR DEL TODO, YA SEA POR SUS ALTAS VELOCIDADES DE OPERACIÓN O POR EL PROCESO EN SI MISMO. SE DEFINE MAQUINA STIRLING COMO AQUEL DISPOSITIVO QUE CONVIERTE CALOR EN TRABAJO, O VICEVERSA, A TRAVÉS DE UN CICLO TERMODINÁMICO REGENERATIVO, CON COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN CÍCLICAS DEL FLUIDO DE TRABAJO, OPERANDO DICHO FLUIDO ENTRE DOS TEMPERATURAS, LA DEL FOCO CALIENTE Y LA DEL FOCO FRÍO.

•  

IDENTIFICACION E IMPORTANCIA• EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING PARA LA

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA PERMITEN DAR SOLUCIÓN A LA PROBLEMÁTICA ENERGÉTICA EN LOS LUGARES DONDE NO LLEGAN LA RED DE DISTRIBUCIÓN.

• ESTE TIPO DE ENERGÍA RESULTA ECONÓMICA Y COMERCIAL Y DE IMPACTOS AL MEDIO AMBIENTE CONTROLABLES DE CUALQUIER MANERA QUE SE QUIERA.

• AL SER DE COMBUSTIÓN EXTERNA, EL PROCESO DE COMBUSTIÓN SE PUEDE CONTROLAR MUY BIEN, POR LO CUAL SE REDUCEN LAS EMISIONES. EL FLUIDO DEL TRABAJO OPERA EN UN CICLO CERRADO.

CICLO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING

• EXPANSIÓN ISOTÉRMICA 1-2: EN ESTA ES EN EL CUAL SE AÑADE CALOR.

• REGENERACIÓN A VOLUMEN CONSTANTE 2-3: ETAPA EN LA CUAL SE TRANSFIERE CALOR AL FLUIDO DE TRABAJO AL REGENERADOR.

• COMPRENSIÓN ISOTÉRMICA 3-4 : ETAPA DURANTE LA CUAL RECHAZA CALOR.

• REGENERACIÓN A VOLUMEN CONSTANTE 4-1: ETAPA EN LA CUAL SE TRANSFIERE CALOR DESDE EL REGENERADOR HACIA EL FLUJO DE TRABAJO.

Diagramas P-V y T-S del Ciclo Stirling

• el fluido de trabajo se considera como aire, el cual circula de modo continuo en circuito cerrado.

• el aire siempre se comporta como gas ideal, por lo que cumple con las relaciones de presión volumen y temperatura de los gases ideales.

• todos los procesos del ciclo se consideran internamente reversibles.• el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adicion de calor

desde una fuente externa.

La primera experiencia conocida de los motores Stirling se remonta al año 1.699, con unrudimentario artefacto que aprovechaba la expansión del aire caliente para hacer girar unvolante, experiencia realizada por el físico Guillaume Amontons, en Francia , sólo un añodespués que Savery fabricase la máquina de vapor para bombear agua. De hecho el Nacimientode los motores Stirling se remonta siempre en paralelo al desarrollo de las máquinas de vapor.

El gran desarrollo de los motores de combustión interna a partir de mediados del sigloXIX, y la mejora en el refinamiento de los derivados del petróleo coloca dichos motores defrente a la máquina de combustión externa. Además de ese hecho, la invención de lasmáquinas eléctricas consigue desde principios del siglo XX que la máquina de vapor y losmotores Stirling sean apartados a un lado en la carrera de la industrialización.

VENTAJAS• Comienzan fácilmente su funcionamiento (no obstante lentamente, después de queocurre completamente el calentamiento) y funcionan más eficientemente en tiempofrío, en contraste con la combustión interna que comienza rápidamente en tiempocaliente, pero no en tiempo frío.

• Son extremadamente flexibles. Pueden ser utilizados como CHP (calor y energíacombinados) en el invierno y como refrigeradores en verano. Teniendo mayor usocomo motores.

• El calor residual se cosecha relativamente simple (comparado al calor residual de unmotor de combustión interna) haciendo con ello útiles a los motores Stirling encualquier campo que contenga el uso de procesos en los cuales el calor residual estépresente.

DESVENTAJAS• La disipación del calor residual es especialmente complicada porque la temperatura dellíquido refrigerador se mantiene tan inferior como sea posible maximizar la eficaciatérmica. Esto aumenta el tamaño de los radiadores, que pueden hacer un poco difícil el tamaño del motor. Junto con el costo de los materiales, uno de los factores que limitanla adopción de los motores Stirling como motores automotores.

• Un motor Stirling no puede comenzar su funcionamiento inmediatamente; necesitaliteralmente “calentar”. Esto es verdad de todos los motores de combustión externa,pero el tiempo de calentamiento puede ser más corto para los motores Stirling que paraotros de este tipo tales como motores de vapor. Los motores de Stirling son mejorusados como motores de velocidad constante.

• Algunos motores utilizan el aire o el nitrógeno como el fluido operante. Estos gasestienen densidad de una energía mucho menor lo que aumenta los costos del motor, peroson más convenientes de utilizar, y reducen al mínimo los problemas de la contencióny de la fuente. El uso del aire comprimido en contacto con los materiales inflamables olas sustancias tales como aceite lubricante, introduce un peligro de la explosión, porqueel aire comprimido contiene una alta presión parcial del oxígeno. Sin embargo, elnitrógeno en bombonas puede ser utilizado que es casi inerte y muy seguro

CONCLUSIONES• se concluye que el motor de combustión externa (motor stirling) es

una tecnología que aunque poco difundida posee una serie de cualidades que se le reconocen como operación silenciosa, con capacidad teórica de alcanzar la eficiencia.

• se concluye que este motor puede alcanzar presiones superiores a la presión atmosférica ,así como también altas temperaturas ,representando con ello un deterioro de los materiales utilizados.

• uno de los principales retos a analizar al momento de algún diseño futuro es lograr evitar fugas del operante a altas temperaturas mientras las partes del motor están en continuo movimiento

• se concluye que una de las variables mas importantes de tener muy presente para el diseño o construcción de un motor stirling es la presión .

RESULTADOS

• Como resultado se puede decir que el motor stirling puede funcionar con combustible fósil para proporcionar energía.

• Los motores stirling es uno de los motores mas eficientes, económicos y utilizable con cualquier tipo de energía.

• El motor stirling resulta ser eficiente para transformar energía radiante solar en energía eléctrica usando un alternador o dinamo como elemento intermedio.