motor stirling trabajo de fisica 1

FISICA - I

 “CREACIÓN DEL MOTOR STIRLING”

INFORME

INTEGRANTES DEL GRUPO:

APOLAYA ALVAREZ, FANNY

CAMARA PEREDA, RODRIGO

CANALES PABLO, ANTONY

CASTILLO CRUZ, ALEXANDER

CATIÑO RODRIGUEZ, FRESIA

MARQUÉZ MORAN, MARCELO

PROFESORA:

Espinoza, Marisel

FECHA DE ENTREGA:

18 de mayo

2012-1

INTRODUCCIÓN

El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempos de los egipcios para desarrollar trabajo mecánico, accionando de esta manera trampillas, puertas y pesadas cargas, pero fue en la revolución industrial cuando las máquinas llamadas “térmicas” se estudiaron, desarrollaron y aplicaron de manera general, Stirling es uno de ellos. 

Motor Stirling diseñado por Sir Robert Stirling, es regido por las leyes de la termodinámica.

Nuestra intención es recrear de manera casera dicho motor, utilizando materiales de los que dispongamos fácilmente, pero a la vez necesitamos recopilar información de lo que es un motor de esta naturaleza; de los distintos tipos existentes; de su forma funcionamiento y de las aplicaciones practicas. En particular nuestro trabajo funciona principalmente por compresión y descompresión de gases, que es inducido por el cambio de temperatura.

¿QUE ES EL MOTOR STIRLING?

El Motor Stirling objeto de nuestro estudio es un tipo de motor térmico y como tal, genera trabajo mecánico a partir de la diferencia de temperaturas entre dos focos. La actual debido a la preocupación medioambiental y la cada vez más acuciante escasez de recursos energéticos de carácter fósil ha hecho que se haya rescatado del olvido este genial artilugio como una de las posibles soluciones a tales problemas dado su excepcional rendimiento.

Descripción del motor Stirling

El motor de aire caliente Stirling, utiliza una fuente de calor fija, para calentar aire en su cilindro. Se le puede considerar de combustión externa y proceso adiabático, ya que no requiere quemar combustible en su interior y al operar, no transfiere calor al entorno. Su movimiento obedece a las diferencias de presión  de aire, entre la porción mas caliente y la fría. El mecanismo central de un Stirling consiste de dos pistones/cilindros, uno para disipar calor y desplazar aire caliente hacia la sección fría (viceversa). En la práctica este cilindro funciona como intercambiador de calor y se le denomina regenerador. El otro pistón entrega la fuerza para aplicar torque al cigüeñal.

Historia y desarrollo

El religioso escocés Robert  Stirling (1790-1878), inventó este tipo de motor en 1816. Otra contribución importante en el desarrollo de esta máquina automotriz la entregó el genio francés Sadi Carnot (1796-1832), quien fue el primer científico en realizar una interpretación teórica del funcionamiento de los motores térmicos, estableciendo los principios físicos que participan, cuando estan en movimiento. Esta teoría permitió comprender con mayor claridad, el fenómeno que permitía al Stirling producir fuerza motriz.

 Principios de funcionamiento

El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio
de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

Eficiencia del Stirling

Utilizando un diseño adecuado de Stirling, es posible obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, lo que hace de este motor el más eficiente que se conoce. Sin embargo, adolece de un problema que lo condena a ser el propulsor de un número limitado de maquinaria: no es posible ponerlo en funcionamiento en forma instantánea.         

Tipos de motores de aire caliente

Todos los motores Stirling tienen un funcionamiento similar, pero se pueden clasificar en diferentes tipos según la posición del pistón de potencia y el desplazador. Los tres grupos en los que se pueden diferenciar estos motores son:

Motores de tipo beta:

Este tipo de motor fue el diseño original que hizo Robert  Stirling. Consta de un cilindro con dos zonas, una caliente y otra fría. En el interior del cilindro también se encuentra un desplazador que posibilita el movimiento de aire, y concéntrico con este, se encuentra el pistón de potencia, que está

desfasando a 90º respecto al desplazador. Este tipo de motor es el más eficaz, pero también el más complejo y voluminoso.

Motores de tipo alfa:

Este motor fue diseñado por Rider. Este tipo, a diferencia del tipo beta, tiene dos cilindros, uno donde se sitúa la zona fría, y otro donde se sitúa la caliente. En cada cilindro, hay un pistón que está desfasado a 90º del pistón del otro cilindro. Los cilindros están conectados entre sí por un cigüeñal, que hace que la relación potencia/volumen sea bastante alta. El mecanismo de este tipo de

motor es bastante sencillo, pero es complicado que no se escape el aire, sobretodo en el cilindro caliente, ya las altas temperaturas deterioran los materiales.

Motores de tipo gamma:

Este motor es muy parecido al de tipo beta, pero es más sencillo de construir. Lo que diferencia al beta y al gamma es que el gamma tiene el pistón de potencia y el desplazador en diferentes cilindros, que están desfasadosa 90º. Los dos cilindros están unidos por un cigüeñal. Este motor es más sencillo, pero su potencia es menor que la de tipo beta.

Motor Ringbom: En 1905 Ossian Ringbom inventó un motor derivado del de tipo gamma, con una simplicidad mayor, pues el pistón desplazador no está conectado con el de potencia, sino que

oscila libre movido por la diferencia de presiones y la gravedad. Posteriormente se fueron descubriendo pequeñas modificaciones en el motor Ringbom original, que posibilitaba un motor muy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma).

- Motor de pistón líquido

En este tipo de motor se sustituye el pistón y el desplazador por un líquido. Está formado por dos tubos rellenos de un líquidos; uno de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador.

Motor Stirling termoacústico:

Probablemente es la evolución última de este motor en el que se simplifica al máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador y por lo tanto carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor original. Funciona gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí el nombre de “acústico”, merced al calor suministrado en el foco caliente.

5. Aplicaciones.

Aplicaciones inciales del motor Stirling:

nació como competencia a la máquina de vapor, ya que intentaba simplificarla se aplicó en principio a máquinas que requerían poca potencia ventiladores o bombas de agua. Perdió el interés después del desarrollo del motor de combustión interna y se ha retomado el interés estos últimos años debido al gran número de características favorables que presenta, en concreto su elevado rendimiento.

Coches híbridos:

En el sector del

automóvil, se han efectuado muchas

investigaciones y se ha invertido mucho

dinero. Sin embargo, los resultados

obtenidos no son los esperados. Una de

las mayores dificultades para utilizar

motores Stirling en vehículos es que son

muy lentos y que no reaccionan

inmediatamente (cuando te montas en el coche, éste no arranca hasta pasados unos

segundos). La solución puede pasar por construir coches híbridos que utilicen un motor

Stirling, no acoplado directamente a las ruedas, sino acoplados a un generador eléctrico

que a su vez cargue las baterías del coche.

Aplicaciones aeronáuticas:

Se estudia la posiblidad de incorporar motores Stirling

aplicados al mundo de la aviación, al menos en teória sus ventajas serían las siguientes:

-Es un motor silencioso lo cuál permite un viaje más cómodo para los viajeros y menos

contaminación acustica para los alrededores.

-Emite muchas menos vibraciones puesto que no hay explosión en los cilindros. Y

también debido a eso el combustible del motor pudría ser mucho menos inflamable y

peligroso en caso de accidente.

-Ya hay estudios que demuestran que a mayor altitud mejora su potencia. A mayor altura

la densidad del aire es menor igual que el rozamiento de la nave, pero los motores

convencionales pierden potencia por culpa de que no cogen aire suficiente para realizar la

combustión, los motores Stirling no tienen ese problema. A esto hay que sumar el hecho

de que alturas mayores, menor es la temperatura del aire y por lo tanto, la diferencia de

temperatura entre focos del motor se incrementaría, aumentando así su rendimiento y

potencia.

Aplicaciones en barcos y submarinos:

El motor Stirling es aplicable a los sistemas de Propulsión en el campo del submarinismo, en concreto la discreción, como problema principal de los submarinos convencionales. Esta es la principal preocupación de los países

que construyen este tipo de unidades.

Su funcionamiento básico consiste en la transformación de calor generado

externamente en fuerza mecánica y luego en energía por medio de generadores. En 1988 fue probado operativamente y cumplió satifactoriamente con las exigencias requeridas para la zona de operaciones en un mar. A partir de esa fecha el motor Stirling ha sido incorporado en las nuevas  construcciones.

Aplicaciones energéticas:

No obstante el verdadero futuro de aplicación del motor de Stirling está en aprovechar su característica más notable: su rendimiento. Por ello precisamente, este tipo de máquina térmica es un

magnífico conversor de unos tipos de energía en otros, en particular resulta muy eficiente para transformar la energía radiante solar en energía eléctrica usando un alternador o dinamo como elemento intermedio: Si disponemos de una superficie que colecte los rayos solares en forma de espejo orientable, será muy fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y éste se pondrá a funcionar. Al no haber combustión no existe índice de contaminación (gran ventaja contra otros motores). Sin ir más lejos, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos 

experimentales y demostrativos de gran rendimiento. conocidos como Distal y EuroDISH formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling.

Motores Stirling en el espacio:

La NASA quiere construir una base en la Luna que dure,

sea estable y capaz de mantenerse por sí misma. Para ello lo más indicado sería utiliza

energía nuclear ya que esta es ligera y compacta, pero es imposible construir un reactor

nuclear en la Luna. En el Centro Espacial Marshalld de la NASA los científicos e

ingenieros han estado trabajando en cómo encontrar una fuente de energía fiable y que

se pueda utilizar en nuestro satélite. Dado que en este centro hay una instalación que

permite investigar el calor que se produce desde un reactor nuclear a un generador

eléctrico, los cientificos han experimentado el uso de un motor stirling que permite que la

energía calorífica se transforme en trabajo mecánico. Lo que los científicos quieren con

esto es que este motor stirling acompañado de un reactor nuclear reducido que se basa

en la fisión, produzcan unos 40 kilovatios de energía suficiente para alimentar a la base

lunar. La idea de la NASA se hará realidad a principi os del año 2012.

De la misma manera las agencias espaciales trabajan en la aplicación del motor Stirling

en satélites que solucionen sus problemas energéticos en órbita incluyéndolos como

elemento intermedio de transformación de la energía entre un reactor de fisión nuclear y

el alternador eléctrico.

Ciclo inverso:

El ciclo de refrigeración Stirling es el inverso del motor de aire caliente: mientras que en el motor, una diferencia de temperatura entre dos focos se traduce en movimiento, en el refrigerador ocurre precisamente lo contrario: mediante trabajo mecánico aplicado al dispositivo Stirling se logra

conseguir una diferencia de temperaturas entre dos focos. Las aplicaciones en este campo son numerosas:

-Medio para enfriar equipos electrónicos e imanes superconductores en

investigación.

-Secado de materiales por congelación.

-Medio enfriador para licuar helio, hidrógeno y nitrógeno.

-Aparatos de refrigeración varios (containers para trasladar productos congelados).
        

  OBJETIVO:

• Construir un motor Stirling..
• Aplicar principios físicos para el funcionamiento del motor.
• Entender el funcionamiento del motor Stirling.
• Relacionar la aplicación del motor en el uso de la locomotora.

MATERIALES:

• Pintura aerosol
• Globo
• Madera
• Tapas
• Lata de gaseosa
• Alambre
• Bornes
• Pernos
• Cañita
• Soldimix
• Viruta de hierro
• Tripley
• Hilo de pescar
• Vela o mechero
• Clavo

HERRAMIENTAS:

• Serrucho
• Tijeras
• Soldadura
• Regla o wincha
• Martillo

OBSERVACIONES:

 

·         Para hacer posible el movimiento de la rueda es necesario eliminar los puntos muertos que son perpendiculares al cigüeñal.

• El funcionamiento de este motor  tiene una gran eficiencia térmica y la fuente de calor también puede ser renovable, como la energía solar

PROCEDIMIENTO:




En primer lugar cortar transversalmente la parte superior de la lata soporte, la cual contendra en el interior un embolo, este será halado por un hilo de nilón, por la acción del cambio de presión, este sistema se acoplará a una lata cortada de la siguiente forma:

El embolo esta hecho a base de viruta  fundida.

sobre esta, estara pegada una chapa de botella, la cual será el soporte del sistema del cigüeñal ,  tambien pasara una caña que conducirá el aire caliente, hasta una suerte de camara de refrigeracion asi se iniciara un ciclo interminable, en el que circula aire frio y caliente.

Cortar la madera de acuerdo a la medida a utilizar. Es necesario cuadrar las medidas para no tener dificultad al acentar la base en una superficie.

Cortar un orificio de forma circular el la plataforma donde se acentrara el motor.

Una vez cortadas, procedemos a pintar los materiales.

Despues de el secado de la pintura, procedemos a armar nuestro soporte.

Usamos tripley para crear la rueda, donde eliminaremos los puntos muertos con la ayuda de dos pernos.

Cambiamos el color de la base por decisión del grupo.

CONCLUSIONES:

·         Los principios de la termodinámica satisfacen el marco teórico en el cual se basa nuestro proyecto.

·         Se logro obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, lo que hace de este motor sea el más eficiente que se conoce.

·         Se logro analizar el cambio de volúmenes que hace posible que se active un pistón de trabajo el cual ejerce el trabajo del motor.

VIDEOS DEL TRABAJO:



  

http://www.youtube.com/watch?v=unPfw83-Uc8&feature=youtu.be

http://www.youtube.com/watch?v=Fq3yMiFm408&feature=youtu.be

                              http://www.youtube.com/watch?v=i-qHz9uuVbE&feature=g-upl