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UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLÓGICA DE LIMA SUR

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA, ELECTRÓNICA Y AMBIENTAL

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR STIRLING SOLAR

A PEQUEÑA ESCALA

ENERGIAS RENOVABLES

TRABAJO GRUPAL

INTEGRANTES

Cordova Ananque Renso Enrique

Fuertes Hinojosa Carlos

Roque Baltazar Jhoanny

Surco castro Hands

LIMA – PERU

2

2015

ÍNDICE

Caratula……………………………………………………………………………….1 Índice…………………………………………………………………………………..2 Introducción…………………………………………………………………………..3 Objetivos………………………………………………………………………………3 Marco teórico…………………………………………………………………………4 Materiales utilizados………………………………………………………………...8 Observaciones……………………………………………………………………….9 Conclusiones………………………………………………………………………..10 Bibliografía…………………………………………………………………………..10

I. Introducción

El motor Stirling se inventó antes que el de vapor. Hacia 1827 James Stirling

hizo el primer motor de aire caliente, que aprovecha la diferencia de

temperatura entre un foco frio y otro caliente.

La idea de este proyecto es la de construir un dispositivo elaborado

principalmente a base de materiales reciclables de uso cotidiano, el

cual funciona por principios termodinámicos muy simples. De manera

paralela, al analizar el funcionamiento real de una maquina térmica pero a

la vez experimentando y conociendo sus partes tanto internas como

externas nos ayuda para una mejor comprensión del mismo. Este aparato

busca ser una forma práctica, sencilla y económica de demostrar la

transformación de la energía térmica en trabajo mecánico y viceversa, el

proyecto acredita satisfactoriamente.

En este trabajo se presentara el proceso de construcción de un motor Stirling a

través de varias etapas, tales como la elaboración del pistón de

desplazamiento, las bielas, la transmisión etc.

La aplicación que vamos a realizar es un motor Stirling a escala, con el

agregado que esta máquina funcionara con energía solar, es decir, el calor del

sol, que será concentrada mediante un recipiente parabólico hacia el sistema

que hará posible aprovechar la diferencia de temperatura para transformar la

energía calorífica del sol en energía mecánica.

II. OBJETIVOS

Generales

Diseñar y construir un motor Stirling solar en pequeña escala con fines

didácticos.

Específicos

Comprender el funcionamiento de un motor Stirling.

Aprovechar la energía solar para producir energía mecánica

aprovechable.

III. Marco teórico

Principios Termodinámicos.

La Termodinámica es la rama de la Física, ya por muchos

considerada como ciencia, que se ocupa del estudio de la

transformación de la energía térmica en energía mecánica y del

proceso inverso, la conversión de trabajo en calor. Debido a que casi

toda la energía disponible de las materias primas se libera en forma de

calor, podemos comprender el porqué de la importancia de esta

disciplina, la cual a la vez ha desarrollado enormes avances en la ciencia

y la tecnología.

Procesos termodinámicos.

Existen diversos factores llamados variables de estado que

determinan la condición física de un gas, como son: Presión,

volumen, temperatura y cantidad de materia o sustancia.

Se han realizado diversos estudios sobre las interacciones de estas

variables, dando como resultado la formación de tres leyes: Ley de

Boyle, ley de Gay Lussac y Ley de Charles, que a la vez dieron pie a la

conformación de los procesos termodinámicos, los cuales son:

Proceso Isotérmico.

Proceso Isométrico o isocórico

Proceso Isobárico

Para efectos de este trabajo, nos concentraremos en dos tipos de

procesos, que parten de la Primera Ley de la termodinámica, la cual

enuncia que la energía debe conservarse en cualquier proceso

termodinámico. Dichos procesos son el Isotérmico y el Isocórico o

Isométrico.

Los procesos isométricos se observan en el funcionamiento del motor al

calentar y enfriar el fluido de trabajo a volumen constante. Este

proceso es comúnmente conocido como Ley de Gay Lussac en

donde la presión absoluta del gas es directamente proporcional a la

temperatura.

P1/T1= P2T2…………. (a volumen cte)

En donde:

P: Presión.

T: Temperatura.

Los procesos isotérmicos, apreciables en la compresión y

expansión del fluido a temperatura constante, también son conocidos

como Ley de Boyle “El volumen de un gas es inversamente proporcional

a la presión absoluta que se le aplique”.

P1V1= P2V2..... (a temperatura cte)

En donde:

P: Presión.

V: Volumen.

Mediante estos principios, es más fácil entender el funcionamiento

del motor Stirling, el cual se basa primordialmente en la variación de

presión a causa de los cambios de temperatura.

Máquina térmica.

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor

en trabajo.

Para tal efecto, utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua,

aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones

termodinámicas de forma cíclica para que ésta pueda funcionar de

forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia

absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en

trabajo. Un problema que presentan las máquinas térmicas en el ámbito

práctico es que están sujetas a un gran número de adversidades

como la fricción, la pérdida de calor por conducción y la radiación, que

impiden que dichas máquinas trabajen a su máxima eficiencia. Una

máquina ideal, libre de este tipo de problemas, fue sugerida por Sadi

Carnot en 1824. Esta máquina tiene la eficiencia máxima posible

tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente a alta

temperatura, realiza un trabajo externo y deposita calor en un

recipiente a baja temperatura. La eficiencia de una cierta máquina

puede determinarse al compararla con la máquina de Carnot al

funcionar entre las mismas temperaturas.

El Motor Stirling.

Se define al motor Stirling como un dispositivo que convierte energía

calorífica en trabajo mecánico y viceversa, a través de un ciclo

termodinámico regenerativo el cual se compone de movimientos de

compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho

fluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del foco frío.

En sus inicios, fungió como una gran alternativa al motor de vapor

empleado en las locomotoras. Poco a poco fue perdiendo fama

debido al desarrollo del motor de combustión interna, el cual generaba

una mayor potencia a pesar de la poca eficiencia térmica que

presentaba. Con el paso del tiempo, el motor Stirling se ha vuelto a

tomar en cuenta debido a las grandes ventajas termodinámicas

que presenta, así como a su fácil manipulación de ciclo y a su

baja emisión de contaminantes.

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento

máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot. Es importante

mencionar que el motor Stirling a pesar de presentar una alta

eficiencia térmica, tiene una potencia muy baja, adicionado a que el

rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.

Es un motor de combustión externa, lo que le permite emitir menores o

nulas cantidades de gases contaminantes en comparación al motor de

combustión interna, además tiene la posibilidad de aceptar

fuentes de calor que no requieran de la combustión.

Basándose en lo anterior, grupos de científicos han construido

motores Stirling que funcionan a partir de la energía solar (nuestro

proyecto), de energía nuclear y de calor de desechos de procesos.

Considerando las características que presenta el motor Stirling, las

cuales son muy parecidas a las que presenta la máquina ideal

de Carnot, podemos considerarlo como una máquina térmica ideal,

hecho que a lo largo del trabajo se desarrollará con mayor detalle.

Eficiencia térmica.

Como se mencionó al inicio del cuerpo del trabajo, la eficiencia

termodinámica del ciclo Stirling es prácticamente igual a la de un ciclo de

Carnot, trabajando a las mismas temperaturas de las fuentes de calor, lo

cual se debe principalmente a lo hermético del aparato y al proceso

denominado regeneración en el que se utiliza una misma cantidad de

fluido en todo el proceso de calentamiento y enfriamiento del gas,

evitando de tal forma la pérdida de calor del sistema. Una

máquina térmica recibe una cantidad determinada de calor, pero

debido a inevitables pérdidas por fricción, lo puede convertir en una

cierta cantidad disminuida de trabajo mecánico, estando de tal

forma siempre presente el calor que no se aprovecha. La fórmula

para el cálculo de la eficiencia térmica es:

E= Wsal/QE; pero W= QE–Qs; E= (QE–Qs)/QEpor lo tanto:

E = 1 –Qs/QE

En donde:

E= eficiencia térmica.

QE= Calor entrante.

Qs= Calor saliente.

W= Trabajo

Es complicado calcular las cantidades de calor entrante y saliente ya que

se ven afectados por la fricción de los pistones, por la combustión

incompleta del combustible o por las mismas propiedades físicas de

dichos combustibles. Sin embargo, al considerar la alta eficiencia del

motor Stirling, podemos considerarla como una máquina ideal y

por lo tanto haremos caso omiso de dichas alteraciones,

quedándonos con el valor absoluto del calor entrante y saliente,

considerando la eficiencia en términos de temperatura, ya que se ha

comprobado que para dichas máquinas:

QE/Qs = TE/Ts

En donde:

QE: Calor entrante

Qs: Calor saliente.

TE: Temperatura entrante.

Ts: Temperatura saliente.

Por lo tanto, la eficiencia del motor Stirling se puede calcular como una

función de las temperaturas absolutas:

E= (TE–Ts)/TE por lo tanto:

E= 1 –Ts/TE

En donde:

E= Eficiencia térmica.

TE: Temperatura entrante.

Ts: Temperatura saliente

IV. Materiales utilizados

Para la construcción del motor Stirling solar utilizaremos los siguientes

materiales:

Parábola reflectante de lámpara eléctrica de 40 – 50 cm Φ

Descripción del material: la parábola de aluminio, por su poco peso y

ductilidad. La idea es que colecte la mayor cantidad de calor solar y

pueda se dirigido a un punto en particular.

Tarro de vidrio con boca ancha

Descripción del material: el vidrio, siempre y cuando no tenga

características de anti UV. La idea es que una vez cerrado cree un

efecto invernadero dentro de sí mismo.

Lata de refresco o aerosol.

Descripción del material: el aerosol tiene que ser de hierro, para que

pueda ser soldado con facilidad y también que tenga peso necesario

para que impulse la rueda de transmisión. Serán usadas dos de este

tipo, una mayor que otra para que se introduzca una dentro de otra y

haga de embolo. Ambos estarán pintados de negro mate, para que

pueda retener calor. El cerrado es hermético.

Varilla del desplazador.

Descripción del material: de latón, de 4 mm de diámetro. El latón posee

la dureza necesaria para que no se deforme cuando se aplique una

fuerza de desplazamiento.

Fuelle de goma

Descripción del material: puede ser hecho de cámara de llanta adecuado

a realizar la función de escape de aire contenido en la botella de vidrio.

Tubo de aluminio

Descripción del material: su función es la de servir de escape y toma de

aire del fuelle. El aluminio tiene buena disipación de calor, de manera

que el aire se enfría luego del desplazamiento.

Volante de inercia.

Descripción del material: la rueda de inercia tiene un diámetro de 50 cm.

El material es de aglomerado o melamine, para un mejor acabado. Tiene

que estar con rodajes engrasados para un mejor desplazamiento.

Biela excéntrica

Descripción del material: de alambre de 2mm de diámetro. Excéntrica

porque es la que va a transmitir el movimiento hacia el eje de la rueda.

De acero, con la suficiente dureza y tenacidad para que no se deforme

una vez aplicada la fuerza.

Otros: Soportes de madera, válvulas de cámara de bicicletas, lubricantes

etc.

Potencia del motor Stirling

Aproximadamente, este motor Stirling puede alcanzar los 120 rpm, por ser

de tipo a escala y experimental, consiguiéndose así mismo, unos 1/20 de

HP. Como se repite, es un diseño experimental con fines didácticos y

demostrativos.

Fig 1. Imagen aproximada del motor Stirling acabado

V. proceso de construcción

En este trabajo se presentara el proceso de construcción de un motor Stirling a

través de varias etapas, tales como la elaboración del pistón de

desplazamiento, las bielas, la transmisión etc.

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4

1. Bosquejo del

diseño original.

2. Recopilación

de los materiales.

3. Elección del

lugar en el que se realizara el proyecto.

4. Diseño en

Autocad y/o Solid Work

5. Elaboración

del armazón del motor Stirling

6. Acoplamiento

de los materiales en la pantalla reflectora

7. Elaboración

del pistón de desplazamiento

8. Elaboración

de las bielas excéntrica

9. Elaboración

de la transmisión en la volante de inercia

10. Acoplamiento

de los elementos en los soportes.

11. Pruebas

preliminares en el motor terminado

12. Ajuste de

fallas 13. Presentación

del proyecto

VI. Observaciones

La ejecución del proyecto depende de la disponibilidad de los materiales, se

debe tomar en cuenta las condiciones climáticas para hacer las pruebas de

funcionamiento respectivas. No hay peligro de daños por manipuleo de

electricidad u otras energías peligrosas.

VII. Conclusiones

Con este proyecto se busca obtener energías alternativas limpias, los costos de

los materiales están al alcance de la mano, porque en su mayoría son

materiales de reciclaje. Aunque es un modelo experimental, se puede construir

uno de mayor escala y de mayor potencia, cuyas aplicaciones pueden ser el

bombeo de agua o aceite, transporte de materiales etc.

VIII. Bibliografía

UrkiaLus, Iñaki y Sebastián. “Energía Renovable Practica” Editorial Pamela.

España. 2008

http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria22/feria367_01_moto

r_stirling_casero.pdf

http://www.mienergiagratis.com/motor-stirling/item/50-como-construir-un-

motor-stirling.html

1.-TRAER UN VIDEO√ (Roque)

2.-PROCESO DE DISEÑO EN AUTOCAD√ (Fuertes)

3.- PROCESO DE FABRICACIÓN, √(ya esta en la tabla)

FUERTES ACA ESTAN LOS

BOSQUEJOS. INTENTA DARLE

FORMA EN AUTOCAD