motor stirling
TRANSCRIPT
Universidad Nacional Agraria
De La Selva
Facultad de recursos naturales renovables
Ingeniería Ambiental
Práctica Nº6 “Construcción y funcionamiento de la máquina de Strirling”
CURSO : Fisicoquímica
DOCENTE : Chiguala Contreras, Yasser.
ALUMNA : Huayhua Inga, KelaNatorre Cenizario, GenyRuiz Balcazar, KevinYacha Solís, CristianZelaya Moya, Ahnel.
SEMESTRE : 2013- II
TINGO MARÍA-PERÚ
I. INTRODUCCION
Día a día somos espectadores de la tecnología que surge a nivel
mundial, el caso de las maquinas térmicas son un claro ejemplo de avance
tecnológico, pues, desde inicios de la revolución industrial hasta hoy en día, es
notable el gran paso que dio la humanidad acompañado del empleo y evolución
de esta importante rama de la ciencia fisicoquímica.
La mayoría de las máquinas térmicas, que cooperan en la
producción a gran escala, no son 100% eficientes con respecto a su
rendimiento, dicho sea de paso que hasta ahora no se ha podido realizar una
máquina que tenga una eficiencia de 100%, mas el ser humano ha ido
mejorando y evolucionando las máquinas térmicas o termodinámicas con
ayuda de la ciencia y tecnología hacia niveles más altos de eficiencia, rozando
hoy en día el rendimiento teórica de Carnot, conocido como la más eficiente (1
o 100%).
Existe una maquina térmica que presenta valores de eficiencia
cercanas a las de la máquina de Carnot, tiene el nombre de máquina de
Stirling, esta máquina ha reemplazado las líneas adiabáticas de Carnot por las
isotérmicas y mantiene sus isocóricas, de este modo se observa que esta
máquina tiene un comportamiento parecido a la máquina de Carnot con
respecto a la su eficiencia. Siendo así un importante tema de investigación,
pues a pesar de sus ventajas, aún presenta inconvenientes y desventajas para
su realización y empleo. A continuación abordaremos con más detalle sobre
esta máquina que constituye un importante descubrimiento y resulta
interesante, desde este punto de vista, no solo estudiar su comportamiento sino
también buscar mejoras frente a los inconvenientes que presenta y emplearlo
como una importante alternativa energética sostenible frente a los
convencionales dispensadores de energía los cuales usan fuentes no
renovables ni sostenibles.
1.1. Objetivos
Estudiar, analizar y construir una máquina de Stirling simple.
II. REVISIÓN DE LITERATURA
2.1. Temodinámica:
La termodinámica es la ciencia general de la energía. Estudia las
diversas manifestaciones de la energía y la transformación de un tipo de
energía en otro. La termodinámica es una de las áreas básicas de la física,
dado que prácticamente no existe un proceso físico sin transformación de
energía. En el proceso Stirling observamos cambios de energía en un medio
gaseoso. El contenido energético de un gas está determinado por las
magnitudes físicas mesurables de volumen V, presión p y temperatura T. Para
no tener que limitarse al concepto de energía, también puede observarse el
estado de un gas determinado por las magnitudes de estado p, V y T. En el
caso del gas ideal, éstas se relacionan mediante la ecuación de estado.
pV= RnT
En que n corresponde al número de moles del gas en el volumen V
y R=8,314J/(mol K), la constante de los gases; y T es temperatura.
Si el gas se encuentra en un cilindro que en un lado está cerrado
por un pistón (émbolo) móvil (Figura N°1), la magnitud del volumen V está
determinada por la posición del pistón. Un dispositivo que convierte el
movimiento del pistón con un cambio periódico del volumen del gas mediante
una excéntrica en movimiento rotatorio, se denomina máquina de pistón. En
ello, los cambios de volumen pueden originarse por diversos procesos físicos
(por ejemplo, combustión, aporte de vapor o calor, accionamiento mecánico del
volante).
Durante un ciclo, el gas en el cilindro experimenta diferentes
cambios de estado y vuelve al estado inicial. Este proceso se denomina ciclo.
Figura N°1: Máquina de pistón (1:cilindro, 2: pistón; 3:excéntrica)
2.1.1. Sistema Termodinámico cambio de estado:
Se denomina sistema termodinámico, abreviado sistema, a un
volumen lleno de materia cuyas magnitudes termodinámicas se desean
observar. En el caso de la máquina Stirling, es el volumen de gas en el cilindro
limitado por el pistón. El límite del sistema se bosqueja en la Figura N° 2. A
través de este límite, puede aportarse calor (+Q) al sistema desde afuera o
liberarse calor (-Q). En ello se establece por convención que toda energía
aportada al sistema se denomina positiva y que toda energía liberada desde el
sistema se denomina negativa.
Figura N°2: Sistema cerrado y convención de signos para la conversión de
calor y trabajo.
2.2. Motor Stirling:
2.2.1. Antecedentes:
En 1816, el escocés Robert Stirling patentó un motor que
funcionaba con aire caliente, al cual llamó Stirling. La patente de este motor era
el exitoso final de una serie de intentos de simplificar las máquinas a vapor.
Posteriormente sería el francés Sadi Carnot el que hiciera una interpretación
teórica de su funcionamiento para comprender el fenómeno de producir fuerza
motriz partiendo del calor que fluye entre dos focos a distinta temperatura.
Stirling consideraba demasiado complicado calentar agua en una
caldera, producir vapor, expandirlo en un motor, condensarlo y, mediante una
bomba, introducir de nuevo el agua en la caldera, por lo que decidió desarrollar
un nuevo sistema que realice los mismos procesos, pero en forma más simple.
Otro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales
causados frecuentemente por las máquinas a vapor, ya que aún no se había
inventado el acero y las calderas explotaban con facilidad.
En el motor de Stirling se realizaban los mismos procesos de
calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor, y el gas
era aire en vez de vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba caldera.
Fue un tipo de motor bastante común en su época, sobre todo para pequeñas
máquinas de uso doméstico tales como ventiladores, bombas de agua etc.; su
potencia específica no era muy elevada, pero su sencillez y bajo ruido eran
magníficos.
Lamentablemente, aunque era mucho más simple y eficiente, al
menos en teoría, que una máquina de vapor clásica, los motores Stirling nunca
fueron muy conocidos y su aplicación en el mundo real no pasó a más, ya que
los motores de combustión interna casi terminaron por eliminarlos.
A inicios del siglo XX, la compañía Philips, de Holanda, empezó a
investigar en este motor. En la actualidad, con la crisis ambiental en el mundo,
se buscan motores que disminuyan las emisiones tóxicas, y es por eso que el
motor Stirling vuelve a despertar interés; los nuevos materiales y las técnicas
de ingeniería avanzadas de hoy plantean la posibilidad de retomar la idea de
aquel visionario del siglo XIX.
2.2.2. Principio de funcionamiento:
El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento
de los cambios volumétricos del fluido de trabajo como resultado de los
cambios de temperatura que éste sufre. Estos cambios volumétricos se deben
al desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente y la zona fría en
un cilindro cerrado.
A continuación se explicará el funcionamiento del motor con la
ayuda de una serie de diagramas:
a) Si se tiene 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 hermético; entonces habrá una
expansión del gas y aumentará el volumen interior del cilindro hasta cierta
posición final del émbolo.
Figura N°3. Calentamiento del aire dentro de un cilindro.
b) Si al mismo cilindro, en su estado de expansión, se enfría rápidamente, la
presión disminuye; entonces, el volumen se contrae y la posición del émbolo
vuelve al estado inicial.
Figura N°4. Enfriamiento del aire dentro de un cilindro.
c) 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.
Figura N°5: Conversión de la expansión del gas en movimiento, a
través de un mecanismo.
d) 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.
Figura N°6. Conversión de la compresión del gas en movimiento, a
través de un mecanismo.
e) Si se juntan los procesos 3 y 4, en un solo cilindro, 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.
Figura N°7. Esquema general de un motor Stirling.
2.2.3. Tipos de configuración constructiva de los motores Stirling
Existen tres tipos de configuraciones para un motor Stirling:
a) Configuración alfa:
Consta de dos cilindros independientes unidos mediante un ducto;
este tipo de motor stirling no tiene desplazador, pero tiene dos pistones
desfasados 90º. Uno de los cilindros se calienta mediante suministro de calor y
el otro se enfría mediante aletas o agua.
b) Configuración beta:
En este tipo, el pistón y el desplazador están en el mismo cilindro,
por eso tiene poco volumen muerto, y, por lo tanto, es el de mayor potencia
específica de las tres configuraciones. Existe una holgura entre el desplazador
y el cilindro para permitir el paso del gas de la zona caliente a la fría y
viceversa. Su desventaja está en su fabricación, porque ésta es muy
complicada y requiere de bastante precisión.
c) Configuración gama:
Este tipo es derivado de la configuración beta, pero más sencillo de
construir. Consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sitúa el
desplazador y en el otro el pistón de potencia. Es el de menor potencia
específica debido a su gran volumen muerto.
2.2.4. estudio termodinámico del motor stirling:
El ciclo ideal Stirling se compone de dos procesos isotérmicos y
dos isocóricos; la regeneración se efectúa a volumen constante, tal como se
muestra en el gráfico siguiente:
Figura N°8. Ciclo ideal de Stirling.
Proceso 1-2 Cuando el pistón pasa del estado 1 al 2, se realiza una
compresión isotérmica a la temperatura más baja. El proceso está
representado en el diagrama presión-volumen anterior. Aquí se le extrae calor
al ciclo.
Figura N°9. Compresión isotérmica (proceso 1-2)
Proceso 2-3 Si se mantiene fijo el pistón y se mueve el
desplazador, se hace pasar todo el fluido a la zona caliente, obteniendo un
proceso isométrico en el que aumenta la presión sin cambiar el volumen. Aquí
el regenerador entrega calor a la sustancia de trabajo, elevando su temperatura
de Tmin a Tmax.
Figura N°10. Suministro de calor a volumen constante (proceso 2-3).
Proceso 3-4 En este momento, se puede obtener una expansión
isotérmica a la temperatura superior haciendo bajar juntos al pistón y al
desplazador. En este proceso se le entrega calor externo a la sustancia de
trabajo.
Figura N°11. Expansión isotérmica (proceso 3-4).
Proceso 4-1 Moviendo el desplazador al estado inicial, se obtendrá
otro proceso isométrico que finalizará el ciclo termodinámico representado por
el proceso 1-4. Aquí el regenerador absorbe calor.
Figura N° 12. Extracción de calor a volumen constante (proceso 4-1).
2.2.5. Conversión de energía y eficiencia efectiva del motor de aire
caliente:
Por radiación térmica, convección y fricción, se producen pérdidas
en el motor Stirling "real" que reducen la eficiencia termodinámica ideal η th. La
Figura N°13 muestra el proceso completo de la conversión de la potencia
térmica eléctrica en potencia mecánicamente disponible del motor Stirling,
resultando las siguientes potencias y eficiencias parciales con la frecuencia de
revoluciones del motor dada ƒ:
Figura N°13: Diagrama de flujo de energía con pérdidas en el motor Stirling
"real"
Lo que realmente importa para el empleo técnico del motor es qué
parte de la potencia térmica eléctrica aplicada PQH puede convertirse
finalmente en potencia mecánica obtenible y utilizable PE. Así, resulta la
siguiente eficiencia efectiva del motor de aire caliente
Para el cálculo de las eficiencias parciales, pueden medirse en el experimento
la potencia térmica eléctrica PQH, la frecuencia de revoluciones del motor ƒ y
la potencia mecánica PE. Los respectivos diagramas pV también permiten
determinar (por integración) la potencia Pw entregada por el gas de trabajo y
Q12.
Además, de la Figura N°13 se obtienen experimentalmente las
siguientes potencias:
La potencia térmica extraída del agua refrigerante: PQ =Cw ρw Φw
∆Tw (calor específico del agua: Cw, densidad del agua: ρw, flujo de agua
refrigerante: Φw = ∆V/∆t, diferencia de temperatura del agua refrigerante de
entrada y de salida: ∆TW).
La potencia térmica entregada al agua refrigerante por fricción del
pistón: Pk = ƒWk en que Wk es el trabajo de fricción por ciclo. Si el gas cambia
su volumen contra la presión p externa, se produce trabajo. En ello, rige la
siguiente definición respecto de los signos: el trabajo que realiza el gas (con
aumento de volumen) es negativo, vale decir (-W). El trabajo ejercido sobre el
gas (reducción de volumen) es positivo, vale decir (+W). Para el trabajo dW
mediante un cambio de volumen dV se tiene:
dW= -p.dV.
Para expresar el trabajo como función de temperatura y volumen,
se elimina p de la ecuación 2 con ayuda de la ecuación 1. De ello resulta:
dW = -RT .dV/V
Por el intercambio de calor con el ambiente y el movimiento del
pistón, el estado de un sistema cambia con el tiempo. La descripción del
cambio de estado puede simplificarse considerablemente si se observa el
cambio de energía en el paso de un estado de equilibrio a otro estado de
equilibrio. Del estado inicial al estado final también puede llegarse
gradualmente a través de pasos intermedios. Con este método se describen a
continuación los procesos termodinámicos en el motor Stirling.
2.2.6. Aplicaciones:
A esta forma de generación de energía eléctrica, con un motor
Stirling utilizando paneles solares, se le llama “Dish Stirling Engine”. Uno de los
futuros usos del motor Stirling en el mundo será para la generación de energía
eléctrica.
La tecnología “Dish Stirling Engine”:
La tecnología Dish Stirling Engine convierte la energía solar usando
paneles solares que constan de varios espejos, cada uno bien dirigido hacia la
parte del receptor del motor Stirling. Cada panel tiene un ángulo y elevación
para mantener los rayos del sol enfocados en la mayor intensidad posible.
El lado interno del receptor del motor calienta el fluido de trabajo (el
gas usado en estos motores es hidrógeno), esto hace que se genere el ciclo
Stirling, con lo cual se produce el movimiento de un pequeño generador de
electricidad. Todo el proceso de la conversión de energía ocurre dentro de un
espacio del tamaño de un barril de aceite. El proceso es libre de emisiones
tóxicas.
III. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Materiales:
2 latas de aluminio de 350 mL. 1 lata de atún 1 tapa de lata de milo 6 conectores 1 globo grande 1m alambre galvanizado Velas y fosforo 30 cm de cable de cobre Soldimix Cuter Agua Esponjilla color metal de lavar ollas. Sorbete Lima Alicate Abre latas 1 perno
3.2. Procedimiento:
Cortar la lata de atún por la parte superior e inferior y hacerle encajar en la
lata de 350 mL.
Enrollar la esponjilla de lavar ollas en el sorbete de tal manera que este
pueda entrar y salir cómodamente de la lata de 350 m., cortar la esponjilla
a la altura de la mitad de la lata de 350 mL.
Cortar 25 cm del alambre galvanizado y doblarle 3 cm de lado de tal
manera que se forme un cuadrado, doblar el alambre sobrante de los 25
cm haciendo que este divida al cuadrado en dos triángulos, doblarle hasta
la mitad del cuadrado y observe que haya tres ejes cartesianos.
Colocar el alambre, manipulado anteriormente, de tal forma que quede en
la base de la esponja enrollada, haciendo que el alambre pase por el
sorbete del medio de la esponjilla de lavar ollas y retirar rápidamente el
sorbete.
Doblar la parte superior del eje “y” del alambre que está en medio de la
esponjilla de lavar ollas, para que el hilo de cobre tenga de donde
amarrarse.
Colocar la esponjilla dentro de la lata de 350 mL que está unida con la lata
de atún ajustando los laterales para que tenga libre desplazamiento.
Amarrar con el hilo de cobre cerca de 30 cm del ganchito que está en
medio de la esponjilla.
Retirar el plástico que envuelve a los conectores
Cortar 25 cm del alambre galvanizado en forma “V” recto, colocar el
conector en el medio de este alambre y hacer que este alambre esté lo
más recto posible.
Doblar los lados del alambre en forma de “L” abrir los extremos de este
alambre de manera que se pueda colocar un conector en cada lado,
procurar que los tres conectores estén alineados simétricamente.
Cortar 25 cm del alambre galvanizado y enrollar dos veces en el perno
formando la U. unirlo al alambre manipulado anteriormente, haciendo que
cada extremo encaje en los dos conectores
Cortar y pegar un pedazo de aluminio sobre el perno utilizado
anteriormente.
Cortar el globo de tal modo que quede circunferencialmente, además hacer
un agujero en la parte inferior de acuerdo al grosor del perno ya que este
entrará por ahí colocar las piezas que vienen con el perno asegurando que
estén bien apretadas para que no salga el aire por ningún lado, envolver el
alambre de las dos piezas en el perno y colocar el globo en la lata de 350
mL asegurándole con un latex.
Preparar la tapa de una lata, hacerle un agujero y soldar en ello un
conector.
Hacer un agujero de 7 cm de diámetro en la otra lata de 350 mL y dos
agujeros pequeños a los costados.
Introducir las dos piezas que sea formado con el alambre y la tapa de la
lata y hacerle encajar en la lata donde se encuentre el globo.
IV. ANÁLISIS Y RESULTADOS
4.1. Estudio del ciclo termodinámico del motor Stirling:
Figura N°14. Ciclo ideal de stirling.
Al analizar el sistema se tiene:
Primera y segunda ley de la termodinámica
a) Proceso 1-2 (isotérmico)
Q1-2 = W1-2 + ∆U1-2
∆U1-2=0
Q1-2 = W1-2 =R n T ln (v2/v1)
∆S = R ln (v2/v1)
b) Proceso 2-3 (isocòrico) Tmax=T2=T3
Tmin=T1=T4
Q2-3 = W2-3 + ∆U2-3
W2-3 = 0
Q2-3= ∆U2-3 = nCnv(T3-T2)
∆S = Cnvln(Tmax/Tmin)
c) Proceso 3-4 (isotérmico)
Q3-4 = W3-4 + ∆U3-4
∆U3-4=0
Q3-4 = W3-4 =RnTln(v4/v3)
∆S = Rln(v4/v3)
d) Proceso 4-1 (isocòrico) Tmax=T2=T3
Tmin=T1=T4
Q4-1 = W4-1 + ∆U4-1
W4-1 = 0
Q4-1= ∆U4-1 = nCnv(T4-T1)
Cnvln(Tmin/Tmax)
Eficiencia
Ƞ = W sistema
Qentra Ƞ =
W 34−W 12
Q23+Q34
Ƞ = RnTln ( v4v3 )−RnT min ln (
v2v1
)
nCnv (T3−T2 )+RnTmax ln(v4v3
)
Para la aproximación de la eficiencia del ciclo de Stirling con el
ciclo de carnot se considera:
Cnv→0 ó T3 y T2 se aproximan
Entonces tenemos:
Ƞ = RnTln ( v4v3 )−RnT min ln(
v2v1
)
RnT max ln (v4v3
) Ƞ =
RnTln ( v4v3 )RnTln(
v4v3
) −RnT min ln(
v2v1
)
RnT max ln(v 4v3
)
Ƞ = 1-TminTmax
la cual es la eficiencia del ciclo de carnot.
Figura N°15. Diagrama P-V y S-T del ciclo Stirling (línea continua) y Carnot (línea discontinua).
V. CONCLUSION.
Es un motor de combustión externa, el principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas.
Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante).
El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot.
A más diferencia de temperaturas, mayor es el área del ciclo termodinámico, Conforme la diferencia de temperaturas entre focos va aumentando, la velocidad del motor aumenta lentamente.
No se consiguió una adecuada elaboración del motor Stirling completamente funcional.
VI. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
http://ventanadelaciencia.blogspot.com/2007/12/el-motor-stirling-en-
aplicaciones-de.html
http://www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyecto-stirling-2010-ies-
leonardo-da-vinci.pdf
http://www.youtube.com/watch?v=_EUTHQzX2qo
http://www.youtube.com/watch?v=Cy7Dxxjh5Ow
http://100ciaencasa.blogspot.com/search?q=motor+stirling
http://www.youtube.com/watch?v=WFpJxRpKkm4
https://sites.google.com/site/reukpower/for-sale
http://stirlingbuilder.com/
http://www.youtube.com/watch?v=gMeCRvlByeE
http://www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling
