UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

GENERACION DE ELECTRICIDAD PARA USO DOMESTICO CON UN MOTOR

STIRLING

IINFORME FINAL

Autores: Bogrn Guevara, Christian Salvador BG10010

Mancia Gmez, Jaime Orlando MG12020

Martnez Medrano, Wilber Manass MM12006

Robles Paz, William Daniel RP12009

Ventura Lpez, Ronald Samuel VL11002

Instructores: Ing. Salomn Torres

Ing. Luis Salal

Asignatura: Termodinmica II

Fecha de Entrega: 17/Noviembre/2015

SUMARIO

1. INTRODUCCION ........................................................................................ 2

2. OBJETIVOS ................................................................................................. 3

3. JUSTIFICACIN ......................................................................................... 4

4. ESTUDIO Y DESCRIPCIN DEL MOTOR STIRLING ........................... 5

4.1. Generalidades ......................................................................................... 5

4.2. Descripcin de un ciclo termodinmico Stirling ................................... 5

4.3. Descripcin de los componentes de un motor Stirling ......................... 7

4.4. Funcionamiento bsico de un motor Stirling ......................................... 8

5. CONFIGURACIN CONSTRUCTIVA.................................................... 10

5.1. Caractersticas principales .................................................................... 10

5.2. Dimensionamiento del motor ................................................................ 10

5.2.1. Base del motor ............................................................................. 10

5.2.2. Mecanismo de transmisin de movimiento ................................. 11

5.2.3. Pistones y cilindros ...................................................................... 12

5.2.4. Conexiones para el fluido ............................................................ 13

5.2.5. Circuito elctrico .......................................................................... 13

5.3. Costos en la fabricacin del motor ....................................................... 14

5.3.1. Costo de materiales ...................................................................... 14

5.3.2. Costo de Mano de obra ................................................................ 15

6. ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL PROTOTIPO .................................... 15

6.1. Diseo y simulacin en software .......................................................... 15

6.2. Pruebas en el circuito elctrico ............................................................. 15

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 16

7.1. Conclusiones ......................................................................................... 16

7.2. Recomendaciones ................................................................................. 16

8. BIBLIOGRAFA......................................................................................... 17

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1. INTRODUCCION

El gran crecimiento del precio internacional del petrleo y de sus derivados, as como el

cambio climtico mundial y los altos niveles de contaminacin en las zonas urbanas han

determinado la incesante bsqueda de tecnologas ms limpias y al uso de energas

renovables.

Estas razones, de alguna forma, explican por qu en los ltimos aos ha resurgido el inters,

a nivel mundial, por desarrollar y perfeccionar algunos motores y mquinas inventadas en el

pasado pero que no tuvieron mucha aceptacin o que devinieron en desuso; tal es el caso del

motor Stirling (inventado en 1816), el cual tiene una serie de ventajas ya que sta es una

mquina trmica que puede trabajar con cualquier fuente externa de calor, por lo que, en

principio, puede utilizar cualquier tipo de energa (solar, fsil, biomasa, geotrmica, nuclear,

etc.)

Adems, por ser ste un motor de combustin externa, es ms fcil controlar las emisiones

txicas, las vibraciones y el ruido del motor. A pesar que la relacin masa/potencia es ms

alta que la de los motores de combustin interna, su construccin es comparativamente

sencilla.

En este contexto, el motor Stirling constituye una alternativa importante y factible para ser

utilizada por usuarios dispersos geogrficamente de muchas regiones en el pas,

principalmente en las zonas rurales y urbanas marginales, que carecen de energa elctrica y

de sus ventajas, y que difcilmente podrn acceder a la red elctrica nacional, por lo que se

considera que la aplicacin de este tipo de tecnologa, que no requiere de combustibles con

propiedades especficas, puede ayudar a elevar el ndice de electrificacin y mejorar la

calidad de vida de estas poblaciones. A pesar que el combustible utilizado en este proyecto

fue GLP (gas licuado de petrleo), esto slo se debi a razones de accesibilidad y facilidad

de uso, pudindose utilizar cualquier combustible gaseoso disponible (biogs, gas natural,

etc.).

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2. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

El objetivo en general es la construccin de un motor Stirling tipo alfa de baja

potencia y relativo bajo costo de fabricacin para la generacin de energa

elctrica usando aire como fluido de trabajo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Entre otros objetivos de este proyecto est mostrar un proceso de conversin

de diferentes energas tal como son trmica, calorfica, cinticas, mecnica

hasta legar a la elctrica.

Adems elaborar el respectivo anlisis termodinmico de los diferentes

procesos que constituyen el ciclo Stirling, as como su aplicacin paralela en

el proyecto constructivo que como estudiantes de ingeniera mecnica es de

relevante importancia.

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3. JUSTIFICACIN

Una de las grandes problemticas presente en nuestros tiempos, es la necesidad de crear

nuevas fuentes de energa que puedan satisfacer la creciente demanda de energa elctrica,

con el propsito de plantear una posible solucin a dicha demanda energtica, se han

generado muchas y diversas ideas que buscan cumplir este fin, sin embargo al estudiar sobre

las posibles formas de generacin de energa surgen otras problemticas que deben de igual

manera solventarse, una de ellas la cual debe tenerse muy en cuenta es el impacto ambiental,

el cual se busca por muchos medios lograr reducir, ah surge la idea sobre la generacin de

energa elctrica a partir de la conversin de energa motriz de un motor Stirling en energa

elctrica. Por esta razn se toma la decisin de indagar en el motor Stirling, el cual utiliza

una fuente menos contaminante disminuyendo la emisin de xidos a la atmsfera por la alta

quema de combustibles fsiles, debido a que el motor Stirling es un motor de combustin

externa, la aplicacin de muchas y diferentes fuentes de calor limpias es posible en l, es algo

que se puede lograr con el motor Stirling que a diferencia de otros motores y con el equipo

adecuado puede incluso utilizar directamente la energa solar. Los beneficios ambientales de

la utilizacin de esta alternativa generaran cambios los cuales seran enormes ya que gran

parte la las emisiones de contaminantes seran reducidas considerablemente, con el uso de

las fuentes de energa no contaminantes (como ejemplo la energa solar), por propsito de

estudio nos limitaremos a la utilizacin de una fuente de calor por combustin (combustin

generada por una llama).

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4. ESTUDIO Y DESCRIPCIN DEL MOTOR

STIRLING

4.1. GENERALIDADES

En esta parte se hablar sobre el principio de funcionamiento de los motores Stirling

en general, sus partes, y, tambin, se realizar el estudio termodinmico del ciclo del

motor Stirling

4.2. DESCRIPCIN DE UN CICLO TERMODINMICO

STIRLING Considere una mquina trmica que opera entre una fuente de calor TH y un sumidero

a TL. Para que el ciclo de la mquina trmica sea totalmente reversible, la diferencia

de temperatura entre el fluido de trabajo y la fuente (o sumidero) nunca debe exceder

una cantidad diferencial dT durante cualquier proceso de transferencia de calor. Es

decir, los procesos de adicin y de rechazo de calor durante el ciclo deben suceder de

modo isotrmico, uno a cierta temperatura de TH y el otro a una temperatura de TL.

Esto es precisamente lo que sucede en un ciclo de Carnot. Existen otro ciclo que implica

un proceso de adicin de calor isotrmico a TH y un proceso de rechazo de calor

isotrmico a TL: el ciclo Stirling. ste difiere del ciclo de Carnot en que los dos

procesos isentrpico son sustituidos por dos de regeneracin a volumen constante en

el ciclo Stirling. Utilizar regeneracin, es un proceso en el que se transfiere calor hacia

un dispositivo de almacenamiento de energa trmica (llamado regenerador) durante

una parte del ciclo y se transfiere de nuevo hacia el fluido de trabajo durante otra

En la figura se muestran los diagramas T-s y P-v del ciclo Stirling, el cual est

integrado por cuatro procesos totalmente reversibles:

1-2 expansin a T=constante (adicin de calor de una fuente externa)

2-3 regeneracin a v=constante (transferencia de calor interna desde el fluido de

trabajo hacia el regenerador)

3-4 compresin a T=constante (rechazo de calor a un sumidero externo)

4-1regeneracin a v=constante (nuevamente, transferencia de calor interna desde un

regenerador hacia el fluido de trabajo)

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La ejecucin del ciclo Stirling requiere equipos de tecnologa avanzada. Los motores

Stirling reales, incluso el patentado originalmente por Robert Stirling, son muy pesados

y complicados. Para evitar complejidades, la ejecucin del ciclo Stirling en un sistema

cerrado se explica con la ayuda del motor hipottico mostrado en la figura. Este sistema

se compone de un cilindro con dos mbolos a los lados y un regenerador en medio. El

regenerador puede ser una malla de alambre o cermica o cualquier tipo de tapn

poroso con una alta masa trmica (masa por calor especfico), que se emplea para el

almacenamiento temporal de energa trmica. La masa del fluido de trabajo contenida

dentro del regenerador en cualquier instante se considera insignificante.

In

ESTADO 1 ESTADO 2

ESTADO 3 ESTADO 4

7

Inicialmente, la cmara izquierda alberga todo el fluido de trabajo (un gas) que se encuentra

a alta temperatura y presin. Durante el proceso 1-2 se aade calor al gas a TH desde una

fuente a TH. Cuando el gas se expande isotrmicamente, el mbolo de la izquierda se mueve

hacia fuera, efecta trabajo y la presin del gas disminuye. Durante el proceso 2-3 los dos

mbolos se mueven hacia la derecha a la misma velocidad (para mantener el volumen

constante) hasta que todo el gas es introducido en la cmara derecha. Cuando el gas pasa por

el regenerador se transfiere calor al regenerador y la temperatura del gas disminuye de TH a

TL. Para que este proceso de transferencia de calor sea reversible, la diferencia de

temperatura entre el gas y el regenerador no debe exceder una cantidad diferencial dT en

cualquier punto. As, la temperatura del regenerador ser TH en el extremo izquierdo del

mismo y TL en el derecho cuando se alcanza el estado 3. Durante el proceso 3-4 el mbolo

de la derecha se mueve hacia dentro y comprime el gas, se transfiere calor del gas al sumidero

a temperatura TL, por lo que la temperatura del gas permanece constante en TL mientras

aumenta la presin. Por ltimo, durante el proceso 4-1, ambos mbolos se mueven hacia la

izquierda a la misma velocidad (para mantener el volumen constante) y empujan a todo el

gas hacia la cmara izquierda. La temperatura del gas aumenta de TL a TH cuando pasa por

el regenerador y toma la energa trmica almacenada ah durante el proceso 2-3. Esto

completa el ciclo. Observe que el segundo proceso a volumen constante sucede a un volumen

ms pequeo que el primero y que la transferencia neta de calor hacia el regenerador durante

un ciclo es cero. Es decir, la cantidad de energa almacenada en el regenerador durante el

proceso 2-3 es igual a la cantidad de calor tomada por el gas durante el proceso 4-1.

4.3. DESCRIPCIN DE LOS COMPONENTES DE UN MOTOR

STIRLING

Un motor Stirling est compuesto, generalmente, de las siguientes partes

Zona caliente. Esta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por

consiguiente, estar sometido a altas temperaturas (alrededor de 800C). Los materiales a

utilizar para su fabricacin deberan ser materiales resistentes al CREEP. Se podra utilizar

acero inoxidable austentico, acero al Cr-Mo, etc. Esta parte puede ser de varias formas. Su

forma ms simple es cuando no hay ningn tipo de presurizacin dentro del cilindro, sta

puede ser un cilindro con una tapa plana. Esta configuracin la podemos adoptar en motores

pequeos y experimentales que no estn presurizados.

En el caso que se desee presurizar el cilindro del motor Stirling, debera tener una forma de

tal manera que aumentemos el rea de transferencia de calor, debido a que la cantidad de

fluido de trabajo que se requiere calentar es mayor (debido a la presurizacin)

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Zona fra. En esta parte se extrae calor del motor. La extraccin de calor puede realizarse

por conveccin libre o forzada. En el caso que sea libre, sta puede realizarse mediante la

colocacin de aletas de aluminio para disipar rpidamente el calor. En el caso de una

refrigeracin forzada, sta se realiza acondicionando una camiseta de agua. Esta parte puede

hacerse de acero inoxidable, fierro fundido, aluminio, cobre, etc. Estos dos ltimos materiales

se pueden utilizar en motores de baja potencia o experimentales, ya que en motores de alta

potencia sera necesario un mayor espesor de stos, y el costo sera elevado. A continuacin

se hablar sobre el sistema de refrigeracin para un motor Stirling:

Sistema de refrigeracin de un motor Stirling. El sistema de refrigeracin tiene como

objeto evacuar el calor del fluido de trabajo hacia un medio exterior ms fro. Este es una

parte muy importante del motor, porque debe ser capaz de evacuar por lo menos el 50% del

calor que recibe el motor, y que lo debe hacer a la menor temperatura posible para mejorar

la eficiencia trmica del motor

Refrigeracin por aire. Puede ser por conveccin natural o forzada. Es necesario acoplar

aletas al cilindro; es una transmisin poco eficiente y se utiliza en motores lentos y no

presurizados, mayormente se utiliza en pequeos motores demostrativos.

Debido a que este tipo de refrigeracin es poco eficiente, se decidi utilizar materiales de alta

conductividad trmica en la fabricacin del cilindro de la zona fra, como cobre y aluminio.

Se pueden tuvo problemas con este tipo de refrigeracin, porque luego de cierto tiempo no

muy largo, el calor transmitido por conveccin (por parte del fluido de trabajo y de la fuente

caliente) y conduccin (desde el cilindro de la zona caliente) puede calentar el cilindro de la

zona fra y con el tiempo de funcionamiento sus aletas se, trayendo como consecuencia que

la temperatura del cilindro de la zona fra sea alta, esto influye en la diferencia de

temperaturas del gas entre las dos zonas haciendo que sta disminuya. Esto se manifiesta

mediante una disminucin gradual de las RPM del motor, y, por consiguiente, de la potencia,

siendo necesario, para que recupere su velocidad mxima alcanzada o mantenerla en cierto

valor, aumentar el flujo de calor entregado al motor. Esto tambin trae como consecuencia

un mayor calentamiento de la zona fra y de la estructura del motor y un mayor gasto de

combustible.

4.4. FUNCIONAMIENTO BASICO DE UN MOTOR STIRLING

El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los cambios

volumtricos del fluido de trabajo como resultado de los cambios de temperatura que ste

sufre. Estos cambios volumtricos se deben al desplazamiento del fluido de trabajo entre la

zona caliente y la zona fra en un cilindro cerrado.

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Si se tiene aire encerrado en un cilindro y luego se calienta, se observa que la

presin dentro del cilindro se incrementa. Se asume que una de las tapas del

cilindro es un mbolo y que ste es hermtico; entonces habr una expansin del

gas y aumentar el volumen interior del cilindro hasta cierta posicin final del

mbolo. Si al mismo cilindro, en su estado de expansin, se enfra rpidamente, la presin

disminuye; entonces, el volumen se contrae y la posicin del mbolo vuelve al

estado inicial, como se representa en las figuras 1 y 2.

Fig. 1 Fig. 2

Si el proceso del estado 1 se repite, pero ahora uniendo el mbolo a una volante. El

incremento de la presin forzar al mbolo a moverse ocasionando el giro de la

volante, con lo cual se consigue que el cambio volumtrico se transforme en

movimiento. Si se repite el proceso del estado 2, enfriando rpidamente, el pistn retorna por

efecto del movimiento de la volante y se produce la disminucin de la presin y el

volumen, este esquema se presenta en la figura 3.

Fig. 3

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5. CONFIGURACIN CONSTRUCTIVA 5.1. CARACTERISTICAS PRINCIPALES

El motor Stirling est compuesto por una base hecha de madera, con dos secciones

importantes. Una que sostiene los pistones del motor, y otra que contiene los elementos de

transmisin de movimiento: cigeal, volante y el sistema de bielas. Unido al cigeal se

encuentra una rueda dentada conectada a una faja que lleva a un dinamo, el cual a su vez

energiza al circuito elctrico y en consecuencia a la estacin de carga. A continuacin se

dar paso a describir cada uno de los componentes del motor. Los planos que detallan las

medidas de cada componente fueron entregados en el avance de proyecto.

5.2. DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR

5.2.1. Base del motor

La base del motor est hecha de madera. En ella se encuentran los pistones unidos a la misma

por medio de un par de abrazaderas para cada pistn. Frente a estos, se encuentra el sistema

de transmisin de movimiento. Asimismo se incluyen dos baleros pequeos situados a cada

lado con el propsito de asistir al movimiento rotativo.

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5.2.2. Mecanismo de transmisin de movimiento

ste consta de tres elementos principales:

-Cigeal: el cual transforma el movimiento alternante de los pistones en movimiento

rotativo.

-Volante: Esta es la parte que entrega energa al ciclo para que se produzca la compresin del

fluido de trabajo y tambin ayuda a mantener estable el giro del motor.

-Bielas y manivelas: Para cada pistn se encuentran dos bielas y una manivela con un pivote

en su base, el cual asiste en la salida y entrada del pistn a lo largo de su carrera. Las bielas

se localizan dos para cada pistn, unidas al cigeal y separadas por un balero. A esto se

agrega un juego de topes plsticos a cada lado de las bielas para evitar su deslizamiento a

travs del cigeal una vez que el motor empiece a operar.

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5.2.3. Pistones y cilindros

Tanto los pistones como los cilindros estn formados por un par de jeringas hipodrmicas de

vidrio de 20mL cada una. stas han sido pulidas hasta el punto de reducir la friccin entre

los mbolos y las paredes del cilindro. En su extremo ms pequeo estn las conexiones del

fluido mientras que en el extremo opuesto se encuentran las conexiones al sistema de

transmisin de movimiento.

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5.2.4. Conexiones para el fluido

El fluido (aire para este caso), viajar a travs de una tubera de cobre que a su vez est unida

a un disipador que acta como un regenerador, eliminando calor del fluido para su ingreso a

la zona fra.

5.2.5. Circuito elctrico

El circuito elctrico inicia en el dinamo, el cual energiza todos los elementos del mismo.

Estos incluyen la salida de carga USB, una batera UPS y los reguladores de voltaje que

controlan las salidas de voltaje y corriente para cada elemento del mismo. Para asegurar que

la energa del dinamo se aproveche de la mejor manera, se han dispuesto interruptores que

controlan el paso de corriente a cada componente del circuito. Para prevenir despliegues

repentinos de corriente, la estructura exterior del circuito se encuentra polarizada, lo cual

evita que se presenten excesos de corriente que podran daar los componentes del mismo.

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5.3. COSTOS EN LA FABRICACION DEL MOTOR

5.3.1. Costo de materiales

Cantidad Descripcin Precio

unitario

Total

2 Jeringa de vidrio 20mL $20.34 $40.68

2 Paquete de Epoxipol $1.56 $3.12

4 Abrazaderas metlicas $0.16 $0.64

5 Tornillos para madera $0.10 $0.50

2 Spray de pintura $3.50 $7.00

1 Metro de manguera plstica $0.60 $0.60

1 Metro de cable de cobre $0.45 $0.45

3 Interruptores $0.30 $0.90

1 Sierra manual sin marco $1.56 $1.56

5 Arandelas $0.02 $0.10

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5 Tuercas N 7 $0.05 $0.25

1 Aceite 3 en 1 $1.30 $1.30

TOTAL $57.10

5.3.2. Costo de mano de obra

El costo de mano de obra est reflejado en la construccin de la base de madera. Esto debido

a que es el nico elemento del motor que se construy aparte del resto de componentes. El

costo total es de $7.00

6. ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL

PROTOTIPO

6.1. DISEO Y SIMULACION EN SOFTWARE

Para efectos de una mejor visualizacin del funcionamiento, componentes y operacin del

motor Stirling, se realizaron diversos diseos as como simulaciones en SolidWorks 2015.

Mediante ste, se lograron analizar, probar y comparar las diferentes ventajas y desventajas

que un diseo pudiera tener con respecto a otros. El uso de SolidWorks en el proceso de

diseo constituy una valiosa herramienta para el proceso de toma de decisiones con respecto

a los diseos propuestos.

6.2. PRUEBAS EN EL CIRCUITO ELECTRICO

Una vez el motor acoplado al circuito elctrico, se procedi a dar marcha al motor y esperar

a que su movimiento se estabilizara. A continuacin se tom una lectura de los valores de

corriente y voltaje a la salida del dinamo, lo cual otorg una excelente oportunidad para

evaluar la capacidad del motor de entregar energa al circuito elctrico. Esto considerando

las implicaciones de lo que un bajo voltaje o un alto voltaje podra tener en las salidas de

potencia del circuito elctrico.

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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1. CONCLUSIONES

La utilizacin de los motores de combustin externa, tales como el Stirling, son tecnologas

an en desarrollo y que son capaces de suplir las necesidades energticas en varias

circunstancias. Bien ejecutado, un motor Stirling podra asistir a la demanda energtica de

una institucin como un hospital, escuela u hogar, como un sistema de energa de emergencia.

Esto suplantara e n cierta medida a las hoy muy utilizadas plantas de emergencia de Diesel.

Una de las caractersticas ms sobresalientes, es la versatilidad con la que un motor Stirling

puede funcionar, es decir las distintas tecnologas con las que puede ser compatible. Un

ejemplo de esto sera su uso en tecnologa solar, ya sea para el calentamiento de agua o para

la generacin de energa elctrica.

El motor Stirling posee un gran potencial como una tecnologa alternativa y amigable con el

ambiente, una caracterstica que es de extrema necesidad hoy en da y que muchos motores

de combustin interna carecen. Con el correcto enfoque y la adecuada aplicacin y diseo,

el motor Stirling puede resultar ser una tecnologa altamente eficiente.

7.2. RECOMENDACIONES

-La utilizacin de un material para los pistones que sea capaz de resistir la dilatacin de calor

y que a su vez no introduzca fugas o friccin en los pistones es de esencial importancia en el

diseo del motor Stirling.

-El diseo de los componentes de transmisin de movimiento debe estar relacionado con los

diseos ya establecidos por la industria automotriz. Entre estos puede mencionarse el ngulo

con que el cigeal deber contar en su fabricacin a manera que no introduzca fallas en el

movimiento.

-El material de la base debe ser capaz de resistir el esfuerzo que tanto los pistones como la

adicin de otros elementos le puedan infligir. Esto con la finalidad de evitar rozamientos o

incluso fracturas en la base misma que puedan ocurrir en el momento de operacin del motor.

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8. BIBLIOGRAFIA Diseo y Construccin de un Motor Stirling para la generacin de energa elctrica

Universidad Nacional de Ingeniera. Facultad de Ingeniera Mecnica. Vctor Agero

Zamora. Lima, Per 2006

Generacin de Energa Elctrica con un Motor Stirling Empleando un Combustible

Gaseoso Guillermo Lira Cacho, Vctor Agero Zamora. Lima, Per, 2011.

Termodinmica Yunus A. Cengel. 7 Edicin.

Ingeniera Termodinmica David M. Burghardt. 2 Edicin

Integracin de Procedimientos y Modelos para el Diseo y Simulacin de Motores

de Combustin Externa de Ciclo Stirling L. Scollo. P. Valdez. Grupo de Energa

Solar. Instituto CEDIAC. 2008