MOTOR STIRLING

OBJETIVOS

Conocer el desarrollo del motor Stirling. Conocer sus principios de funcionamientos térmicos. Conocer los diferentes modelos Stirling. Realizar un modelo del motor Stirling. Conocer sus aplicaciones. Trabajar en grupo.

Introducción

El principio de operación de un motor Stirling es muy antiguo… y muy fácil! Desde hace más de 2000 años los egipcios usaban el principio de expansión del aire caliente para abrir las puertas de sus templos. Bajo el mismo principio trabaja el motor térmico que Robert Stirling patentó en 1816: Un quemador con combustible que calentaba el aire en el interior de un cilindro y que proveía de energía al motor que era activado por medio del giro de una rueda volante.

¡A pesar de su simple diseño, los motores Stirling son máquinas sorprendentes!

Fundamento teórico

HISTORIA DE APARICIÓN, DESARROLLO, OLVIDO Y RENACIMIENTO

Éste tipo de motores térmicos atraviesan su fase de Renacimiento y se llaman Motores de Stirling. Pero su nacimiento, como el producto de evolución industrial, hay que buscar en las épocas relativamente lejanas. Entre la aparición de máquina de vapor y su pleno esplendor y su sustitución por el motor de Otto, o de gasolina, como lo llaman y, posterior Diesel. Hablamos de motores de pistón.

Existe distinta manera denominar estos motores térmicos: Motores caloríficos, Motores de aire cliente, Motores de Gas, y, por fin motores de Stirling. La maquina de vapor, como la fuente de energía mecánica estaba muy desarrollada y ampliamente utilizada ya en el principio del siglo XIX y era la única fuente de la energía mecánica, si no tener en cuenta los molinos de agua o de viento. La historia de desarrollo de los motores de aire caliente demuestra la transformación, que había experimentado la maquina de vapor, y la ingeniería de motores en general, primero convirtiéndose en el motor de aire caliente, y después en los

motores de combustión interna de Otto, (gasolina) y de Diesel, (fuel). Los últimos eran el producto de las transformaciones de petróleo en su desarrollo en diferentes tipos de combustibles, derivados de fuel, y rápidamente han ocupado, prácticamente todo el mercado de transporte y otras aplicaciones, expulsando por completo a sus antepasados, y la máquina de vapor y el motor de aire caliente.

Esta impresionante transformación de la máquina de vapor, ha empezado primero por el invento de Watt de introducir el condensador en la salida del cilindro de trabajo, que ha permitido subir el rendimiento de la máquina y su potencia. El paso siguiente era la introducción de la bomba de agua condensada para alimentación de la caldera. Esto permitía recuperar el agua, inyectándola a la caldera cada vez con la presión más alta, siguiendo la demanda constante de la potencia, que conseguían subiendo la presión en la caldera. Treviathick con sus invenciones ha elevado la presión aun más, después de Watt. Con que ha crecido el problema de seguridad. Los ingenieros empezaron a buscar la forma de sustituir el vapor por el aire. Con cierta seguridad, se puede imaginar la bomba de alimentación de la máquina de vapor inyectando en lugar de agua, los productos de combustión, como un cilindro de compresión, aspirándolos del horno e inyectándolos directamente al cilindro de expansión, o cilindro principal, cilindro de trabajo. Es decir deshacerse de la caldera de vapor.

Los libros y revistas de época nos indican, que entre los primeros inventores, que construyo con el éxito un motor de aire caliente, era Sir Geoge Caley, en 1807. Parece, que no ha dejado bien escritos sus inventos. Se conoce que en el 1837, recibe la patente, y bajo esta patente se inicia la producción de sus motores en "Caloric Engine Compani". Es muy curioso ver su forma de accionar, es una conexión directa entre el horno donde se quemaba el carbón y el cilindro. Faltaba un pequeño paso más para llegar al motor de combustión interna: combustible inyectado o aspirado con el aire directamente al cilindro. Lo ha hecho mas tarde Otto. Después Diesel.

Si observamos la literatura técnica desde el periodo de inicio los años 1930, ya no encontramos el motor de aire caliente, ninguno de la gran cantidad y variedad, que existía desde los 1800 hasta 1930. De la máquina de vapor todavía se sabía algo, las locomotoras de vapor y barcos todavía se movían por los ferrocarriles y mares. 1955…1960 debe ser el período de la desaparición completa de la maquina de vapor. Salvo, la turbina de vapor, con el desarrollo de la energía nuclear, ésta turbina resultó la maquina mas apropiada. Pero volvemos a la época de la maquina de vapor.

Hay muchos nombres en la historia de los motores de aire caliente. Pero los más destacados, por el éxito de sus maquinas, son Sir Cayley, Robert Stirling y John Ericsson: Cada uno de estos genios han inventado y han construido sus tipos de máquinas diferentes y, por tanto, importantes por su funcionamiento. Existía una gran cantidad de los motores de aire caliente, que llenaron espacio entre la máquina de vapor y los motores de combustión interna

Robert Stirling

Robert Stirling (1790-1878) fue pastor de la iglesia presbiteriana de Escocia y un apasionado de la tecnología. Vivió la época del primer apogeo de la industrialización con su insaciable necesidad de energía, satisfecha por miles de máquinas de vapor inventadas por James Watt en 1776.Fue su compasión por las muchas víctimas de explosiones de las calderas de vapor a presión que le llevó a desarrollar una máquina que produjera energía sin alta presión.El 27 de septiembre de 1816, solicitó la patente para un motor de aire caliente que luego perfeccionó de tal forma que, para el 1818, ya se utilizó en una mina de Ayrshire como bomba de agua. Con su hermano, continuó mejorando su diseño hasta que alcanzó una eficacia inaudita de 18%.Murió en junio de 1878 a los 87 años. A principios del siglo XX estaban en uso en todo el mundo unos 250.000 motores Stirling: como ventiladores de sobremesa, bombas de agua, o motores para pequeñas máquinas, suministrando energía mecánica tanto para uso doméstico como para talleres. A medida que se hicieron más populares los motores de combustión y los eléctricos, se fueron vendiendo menos los motores Stirling.Hoy, dado el medio ambiente y el aumento del coste de la energía, el silencioso y sencillo motor Stirling resulta cada vez más atractivo. Las versiones modernas, incluso más silenciosas, más eficientes, y menos sensibles a las vibraciones, son ecológicas y funcionan con diversos tipos de energía, incluso solar.

APLICACIONES DEL MOTOR STIRLING

En este párrafo solo nos referiremos a ejemplos de uso y diseño del Motor Stirling. Las aplicaciones las podemos dividir en al menos cuatro etapas:

Aplicaciones Antiguas: Comprenden desde la invención del motor Stirling hasta inicios de este siglo, en que fue una cierta competencia a la máquina a vapor.

Época de IIª Guerra Mundial: aquí fueron los Laboratorios Philips de Holanda los que hicieron importantes avances en el estudio y desarrollo de este motor.

Los años 60-70: aquí se estudió el motor Stirling como una alternativa para proveer energía eléctrica en naves espaciales y también se comenzó a tener prototipos para uso en vehículos.

Épocas Recientes: actualmente se sigue investigando como método de proveer energía para lugares aislados y usando fuentes como la energía solar como fuente de calor.

Uso en refrigeración: el ciclo Stirling inverso es excelente para aplicaciones de refrigeración, de hecho es una de las máquinas que permite alcanzar temperaturas criogénicas.

MOTORES TÉRMICOS

Un motor térmico es un dispositivo capaz de transformar calor (energía térmica) en trabajo (energía mecánica) de modo continuo.Para ello, el motor describe ciclos termodinámicos entre dos focos a diferente temperatura. Del foco a temperatura más elevada (T1), absorbe una cantidad de calor (Q1) Parte de este calor lo transforma en trabajo (W) y el resto (Q2) es cedido al foco a menor temperatura (T2).

W=Q1 – Q2

En la figura inferior podemos ver el esquema de un motor térmico.

Según el 2º Principio, Q2 nunca puede ser cero.

El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido.

Ƞ =WQ1

El ciclo de Stirling

En este ciclo el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones a volumen constante (isocoras). En el siguiente diagrama podemos observar el ciclo de Stirling.

El ciclo teórico de Stirling consta de las 4 etapas: 2 transformaciones isocoras en las que el gas de trabajo pasa a través de un regenerador absorbiendo o cediendo calor, y 2 transformaciones isotermas, en las que el gas está en contacto con una fuente caliente o una fría, a Tc y a Tf respectivamente. El ciclo se muestra a continuación en un diagrama P-V. Veamos cada una de las etapas.

El cambio del volumen de trabajo entre los valores extremos V1 y V2 se convierte en un movimiento rotatorio a través de la excéntrica (10). El movimiento del desplazador relativo al pistón de trabajo se conduce mediante un accionamiento romboidal.Durante una revolución de motor, se desarrolla el siguiente proceso termodinámico ideal representado en la ilustración 5. Comencemos con la fase 1 del proceso, cuando el pistón de trabajo se ubica en el punto de inversión superior (V = V1). Supongamos que el desplazador se encuentra tan cerca del pistón que todo el gas se ubica en la parte "caliente" del cilindro con la temperatura T1.

Expansión isotérmica (1-2)

Al aportar la cantidad de calor Q12, el gas se expande en forma isotérmica del volumen V1 al V2 (ilustración 4a). La presión dentro del cilindro se reduce de acuerdo con la ecuación 1. Dado que con cambios de estado isotérmicos no cambia la energía interna U del sistema (dU = 0), del primer principio de la termodinámica resulta dW = -dQ, vale decir, el calor aportado se convierte completamente en trabajo mecánico. De la ecuación 3 se obtiene

W 12=∫V 1

V 2

dW=−nR T1 lnV 2

V 1

=−Q 12

Enfriamiento isocórico (2-3)

El pistón de trabajo se ubica en el punto de inversión inferior (V = V2 = V3).Ahora, el desplazador se mueve hacia arriba (ilustración 4b) y el gas caliente fluye a través del regenerador "frío" a la zona enfriada inferior del cilindro. En ello, el gas es enfriado (por el regenerador) de la temperatura T1 a la temperatura T2 y reduce su energía interna en U 23=CV (T 2−T1 ), Dado que en cambios de estado isocóricos no se realiza trabajo mecánico (W 23 = 0), se obtiene del primer principio que el calor Q23 =U 23 < 0, se transfiere al regenerador calentándolo y luego vuelve a quedar disponible para el calentamiento isocórico del gas. (Por decirlo así, sin regenerador, el Q23 se "derrocharía" entregándolo al agua refrigerante).

Compresión isotérmica (3-4)

Mediante el volante, el pistón de trabajo vuelve al punto de inversión superior (ilustración 4c). En ello, el gas en la parte "fría" del cilindro se comprime a temperatura T2 pasando del volumen V3 al volumen V4. En ello, aumenta la presión del gas de acuerdo con la ecuación 1. El trabajo mecánico realizado por el volante

W 34= ∫V 3=V 2

V 4=V 1

dW=−nR T2 lnV 2

V 1

=−Q 34

Se entrega en este proceso al refrigerante como calor Q34

Calentamiento isocórico (4-1)

El pistón de trabajo se ubica en el punto de inversión superior (V = V4 = V1).Ahora, el desplazador se mueve hacia abajo (ilustración 4d), y el gas frío fluye a través del regenerador "caliente" a la zona calentada superior del cilindro. En ello, el gas es calentado (por el regenerador) de la temperatura T2 a la temperatura T1 y aumenta su energía interna enU 41=CV (T 1−T2 ). El calor requerido para ello Q41 ¿U 41=−Q23es extraído del regenerador y éste vuelve a enfriarse. (Sin regenerador, el Q41 tendría que ser compensado por la fuente de calor). Al final, se realizó el siguiente trabajo neto:

W=W 12+W 34=−nR(T 1−T 2) lnV 2

V 1

RENDIMIENTO DEL CICLO STIRLING

El ciclo de Stirling teórico trabajando con un gas ideal tiene el redimiendo de Carnot, que es el máximo rendimiento que puede tener un motor térmico.

Ƞ = 1 -T2T1

El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido.

Ƞ =WQ1

El trabajo producido será:

W=Q1−Q2

El calor absorbido es Q1. El rendimiento térmico del ciclo será:

Ƞ =Q1−Q2

Q1

El proceso 1-2 se produce a temperatura constante por lo que Q1 será:

Q1=W 12= ∫1

2

p . dv

Como trabajamos con un gas ideal P V =n R T, sustituyendo en la integral obtenemos:

Q1=∫ nRTV

. dv

Q1= n.R. T1 .ln (v4v3

)

De igual manera llegamos a la conclusión de que:

Q2= n.R. T2 .ln (v1v2

)

El rendimiento será:

Ƞ = n .R . T 1. ln( v4

v3 )−n . R . T2 . ln(v1v2

)

n . R .T 1 . ln( v4v3 )

Como podemos ver en el diagrama P-V: V1=V4 y V2=V3. Simplificando la expresión obtenemos el rendimiento de Carnot.

Ƞ = 1 -T2T1

Construyendo el motor stirling

En el siguiente experimento se determina la eficiencia de un motor Stirling a partir del área de la curva P-V asociada a este obtenida utilizando el sistema de adquisición PASCO Science Workshop 750.

Materiales & Equipos

o Motor Stirling basado en el modelo de Koichi Irata (Ver información adicional)o Sistema de adquisición de datos (PASCO Science Workshop 750)o Sensor de movimiento rotacional (PASCO Science Workshop 750)o Sensor de presión (PASCO Science Workshop 750)o Computador con el programa Data Studio instaladoo Cables de conexión y soportes

o Para realizar el motor se utilizaron los siguienteso materiales:o 1 lata met_alica ( cms de di_ametro y 12 deo alto)o 2 abrazaderas met_alicaso 50 cent__metros de alambre duroo 2 pitillos de pl_asticoo 3 tablas de balso (3 _ 125 _ 910 mm)o 1 tabla de madera (1 _ 15 _ 100 cms)o puntillaso tornillos y tuercaso plastilinao

Descripción del experimento

En el experimento se genera la curva PV de un motor Stirling mientras se encuentra en funcionamiento. El motor ha sido construido a partir de materiales que pueden conseguirse

fácilmente. A partir de la información obtenida se determina la eficiencia asociada al ciclo y la eficiencia mecánica del motor.

Principio de funcionamiento

Un motor Stirling es una máquina térmica que se caracteriza porque permite convertir directamente la energía suministrada por una fuente de calor en energía mecánica. Esto se consigue mediante la compresión y expansión de una cantidad fija de aire que circula entre dos regiones con diferente temperatura. El ciclo de Stirling se compone de dos procesos a temperatura constante y dos procesos a volumen constante. En la siguiente figura se presenta el ciclo representado en el espacio P-V y la relación de este con un motor Stirling tipo beta (Un motor Stirling tipo beta se caracteriza porque los pistones de potencia (arriba) y de desplazamiento (medio) se mueven en el interior del mismo cilindro).

Al iniciar el ciclo, el aire en el interior del cilindro se encuentra comprimido, con alta temperatura y con alta presión (estado 1). Estas condiciones sumadas al ingreso de calor hacen que el aire se expanda y a través del pistón de potencia realice trabajo moviéndose desde el volumen V1 al volumen V2 (estado 2). Inmediatamente después de que esto ocurre, el pistón de desplazamiento baja rápidamente hacia la región caliente del cilindro permitiendo que la temperatura y la presión del aire descienda debido a que este queda expuesto a la región fría del cilindro (estado 3). En este punto, el volante conectado al cigüeñal que sincroniza el movimiento de los cilindros de potencia y de desplazamiento, lleva suficiente inercia para hacer que el pistón de potencia realice trabajo sobre el sistema comprimiendo el aire (estado 4). Una vez que el pistón de potencia llega al volumen V1, el pistón de desplazamiento sube rápidamente hacia la región fría del cilindro con el fin de que el aire quede expuesto a la región caliente del cilindro y así aumente su temperatura y presión hasta llegar al estado inicial en donde de nuevo se repite el ciclo.

Resultado del experimento

En la siguiente figura se presenta un ejemplo del resultado obtenido con el sistema de adquisición.

Diferentes modelos de MOTORes STIRLING

Imágenes del motor stirling

Conclusiones Es un motor de combustión externa convierte el calor que se le entrega en trabajo se calienta el aire al interior del motor siendo así un proceso adiabático. Se produce el llamado ciclo de carnot ya que trabaja absorbiendo el calor de una foco

caliente y lo sede a otro foco frío.