MOTOR STIRLING

 Introducción

En este presente trabajo aprenderemos a fabricar un motor stirling casero, el cual se define como una máquina que convierte trabajo en calor y viceversa, a través de un ciclo termodinámico, con compresión y expansiones cíclicas del fluido del trabajo. El motor Stirling que fabricamos es un motor de tipo gamma, que genera trabajo a partir de diferencias de temperaturas.

Una de las ventajas del motor Stirling es la combustión externa y no hay explosión, por lo que el motor es extremadamente silencioso y libre de vibraciones. Hoy en día se utiliza estos motores para generar calor, para impulsar cosas y próximamente como motores en automóviles híbridos, existen aun pocas aplicaciones comerciales y muchos proyectos de investigación.
Es por estas razones que el motor Stirling es muy útil.

Objetivos:

•        Aplicar la Segunda Ley de la Termodinámica fabricando un motor Stirling casero.
•       Entender el funcionamiento del motor Stirling.
•       Aprender a gestionar un proyecto economizando costos.

Teoría

El motor Stirling fue originalmente inventado por Sir Robert Stirling, fraile escocés, hacia 1816. En sus inicios compitió efectivamente con el motor a vapor. Perdió interés después del desarrollo del motor de combustión interna y ha retomado interés en los últimos años por varias características muy favorables que tiene.

Este motor intercambia el calor con el exterior, por lo tanto es adaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operación. Se han construido motores Stirling que usan como fuente de calor la energía nuclear, energía solar, combustibles fósiles, calor de desecho de procesos, etc. Al ser de combustión externa, el  proceso de combustión se puede controlar muy bien, por lo cual se reducen las emisiones.

El ciclo ideal Stirling se compone de dos procesos isométricos (calentamiento y enfriamiento del fluido de trabajo a volumen constante) y dos isotérmicos (compresión y expansión a temperatura constante). La eficiencia termodinámica del ciclo ideal Stirling es igual a la de un ciclo de Carnot, trabajando a las mismas temperaturas de las fuentes de calor, lo cual se debe principalmente a la «regeneración» que se lleva a cabo durante los procesos a volumen constante del ciclo.

¿Que es un motor stirling?

Se define un motor stirling como un dispositivo que convierte trabajo en calor y viceversa, a traves de un  ciclo termodinamicoregenerativo, con conpresion y expansion ciclicas del fluido de trabajo, operando dichofluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del foco frio. Es una maquina combustion externa, osea, puede adaptarse a cualquier fuente de energia (combustion convensional o mixta, por ejemplo, con biomasa y gas, energia solar), sin que elloa afecteal funcionamiento interno del motor.

TIPOS DE MOTORES STIRLING

Motores tipo Alfa:

 Este tipo de motor no utiliza desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos.

Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se situa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.

Uno de los cilindros se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua.
El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.

 Motores tipo Beta:

El motor original de Stirling era de este tipo.Consta de un cilindro, con una zona caliente (mediante un mechero de gas, alcohol etc.), una zona fría (refrigerada por aletas , agua etc.).

En el interior del cilindro esta el desplazador cuya misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa.

Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, únicamente una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire.

Los motores grandes suelen llevar un regenerador externo por el que debe pasar el aire en su camino de la zona fría a la caliente y viceversa

Concéntrico con el desplazador esta situado el pistón de potencia.

Mediante un cigüeñal especial el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione.

Desde el punto de vista termodinámico es el motor más eficaz, pero su construcción es complicada ya que el pistón debe de tener dos bielas y permitir el paso del vástago que mueve el desplazador.

 Motor tipo Gamma:

Este tipo esta derivado del beta, pero es mas sencillo de construir.

Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en otro el pistón de potencia.

Los sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo beta.

En este tipo el pistón de potencia es mucho más sencillo de construir ya que es similar al de un motor de motocicleta.  Aquí el pistón y el desplazador también deben de moverse desfasados 90 grados, lo cual se consigue mediante el cigüeñal adecuado.

Desde el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el tipo beta , puesto que la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.

Si deseas ver los movimientos del  pulsa el rectángulo rojo.

 Asi como tambien hay estos tipos de motores stirling tambien hay:

MOTORES ESPECIALES

uno de los motores especiales son:

Ringbom:

En los diferentes caminos de investigación sobre motores de Stirling, algunos autores trabajaron y siguen trabajando en simplificar los mecanismos de movimiento del pistón y del desplazador.

En 1905 Ossian Ringbom patentó un motor cuyo desplazador se movía por una combinación de las variaciones internas de la presión en el motor y la fuerza de la gravedad. La simplicidad de este mecanismo es asombrosa aunque en su tiempo no tuvo gran éxito puesto que al necesitar de la fuerza de la gravedad para mover el desplazador, la velocidad del motor no era muy elevada.

Posteriormente los investigadores que trabajaron con este tipo de motor, descubrieron que con pequeñas modificaciones sobre la patente original de Ringbom podía realizarse un motor igual de sencillo y a su vez tan rápido con cualquiera de los tipos clásicos de motores de Stirling.

Un esquema simplificado del motor Ringbom se describe en la siguiente figura. 

 

¿Para qué sirve?

El principio del funcionamiento es tan solo el calentar y enfriar un medio de trabajo, sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido.

Calentando ese medio provoca una expansión del mismo dentro del motor. El medio de desplaza a otra parte del motor dónde es enfriado.
Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo. Ese cambio de volúmenes activa un pistón de trabajo el cual ejerce el trabajo del motor.El motor es hermético por lo que siempre se utiliza el mismo medio en un circuito cerrado (no hay escape del medio de trabajo)

Inicialmente muy común, esa tecnología murió con el invento de los motores Otto y Diesel, hasta renacer al inicio del ciclo 20 impulsado por la compañía Philips en Holanda.

La segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarollos y solo hace 25 años volvieron a iniciar nuevas iniciativas y desarollos. Hoy en día se utiliza motores Stirling para generar calor, para impulsar submarinos y proximamente como motores en automóbiles híbridos.

Las grandes ventajas del motor Stirling son:

Combustión externa (se puede quemar cualquier combustible para calentar el motor)
No hay explosión por lo que el motor es extremamente silencioso y libre de vibraciones
Se genera a la vez energía eléctrica, mecánica y térmica (cogeneración)

Existen diseños de motores LTD (de baja temperatura) los cuales no requieren un concentrador solar pero con mucho menor rendimiento. Los motores potentes trabajan con temperaturas de 600ºC a 900ºC.

Hoy en día el motor está ya muy maduro en su diseño (tiempo de vida aprox. 100.000 horas) existen aún pocas aplicaciones comerciales y muchos proyectos de investigación.

 

Herramientas en la construccion de un motor striling tipo gamma:

• Alambre de cobre.

• Un soporte hecho por donde pasa el tubo de ensayo.

• Jeringa.

• Tubo de ensayo.

•  Canicas.

• Tapones de tubo de ensayo.

• Mangeras de plastico.

• Base de madera.

 Construccion del motor stirling:

Agarramos una jeringa le colocamos una magnerita de plastico justo donde se coloca la aguja.

Ya colocada la mangerita en la aguja lo colocamos en la base.

Luego cojemos un soporte de jebe donde se mete el tubo de ensayo (el jebe ya esta unido al alambre de cobre).

Y lo colocamos tambien en la base , luego unimos la parte dela mangera con la boca del tubo de ensayo.

Recomendaciones
•Este motor es de tipo gamma y es el mas sencillo de construir.
•El motor debe ser completamente hermético no puede perder aire por ningún lado, asegurar los tapones y el pistón.
•Las bases de la jeringa y del soporte deben estar bien aseguradas porque puede que el motor se vuelva violento.
•Colocar una lana de acero al fondo del tubo de ensayos para evitar que las bolitas lo puedan romper.

  Conclusiones

Verificamos la Segunda Ley de la Termodinámica porque el motor obtuvo trabajo mecánico mediante el calor que le aportó la vela misionera para ceder parte de este calor hacia un foco frío (ambiente). La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico que obtuvimos

 

 

BIBLIOGRAFIA:

FISICA I Felix Auccallanchi
http://www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling
http://www.alpoma.net/tecob/?p=390
http://www.youtube.com/watch?v=-LBAYLs-8oM
http://www.meneame.net/story/animacion-como-funciona-motor-stirling
http://www.youtube.com/watch?v=RcV_y_sKC_E
http://www.youtube.com/watch?v=RTBpoSgzCLY&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=-7YK3Gd0thg&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=3utQOU0RDt4&feature=related
http://mistirling.blogspot.com/2008/09/cmo-construir-un-motor-stirling-casero.html
http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3024/6/54915-6.pdf
http://motorstirlingyadyrtecsup.blogspot.com/