El motor Stirling

Tema: Motor Stirling AlphaTermodinmica Aplicada

ndice

Dedicatoria3

Introduccin4

Qu es un motor Stirling?6

Tipos de motor Stirling6

Funcionamiento7

Ciclo del motor Stirling9

Rendimiento del motor Stirling13

Aplicaciones16

Ventajas20

Desventajas20

Galera de fotos21

Conclusiones22

Bibliografa23

DEDICATORIA:

El presente trabajo de investigacin va dedicado a nuestros padres por su esfuerzo y dedicacin hacia nosotros; y un reconocimiento especial a nuestro profesor quien nos incentiv a realizar el presente trabajo.

OBJETIVOS

En el presente trabajo se hablara sobre el principio de funcionamiento del motor Stirling, sus partes y generacin de corriente elctrica a partir de este.

Debido a la crisis ambiental del mundo debemos buscar la forma de reemplazar los combustibles fsiles para lo cual el motor Stirling es una buena solucin como alternativa de generacin elctrica

Demostrar que a partir de una fuente de energa trmica (mechero) es posible crear energa mecnica y de esta convertirla a energa elctrica(a travs de un alternador elctrico).

Este motor es una alternativa factible para solucionar problemas de abastecimiento energtico, creando fuentes de energa, y sistemas auxiliares de energa en lugares remotos; como por ejemplo localizaciones rurales, asentamientos humanos de bajos recursos.

Una forma de producir energa de manera sencilla barata sin apenas mantenimiento tcnico y con un magnifico poder para transformar la energa.

El objetivo final ha sido el diseo, la construccin y el anlisis experimental de una maquina trmica como una de las posibles soluciones a los problemas energticos mundiales.

HISTORIA:

El motor Stirling fue originalmente inventado por Sir Robert Stirling, fraile escocs, hacia 1816.

La patente de este motor era el glamoroso final de una serie de intentos de simplificar las mquinas a vapor. Stirling consideraba demasiado complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, expansionarlo en un motor, condensarlo y mediante una bomba introducir de nuevo el agua en la caldera. Otro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales causados frecuentemente por las mquinas a vapor, ya que an no se haba inventado el acero y las calderas explotaban con facilidad.

El motor de Stirling realizaba 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. Un tipo de motor bastante comn en su poca, sobre todo para pequeas mquinas de uso domstico tales como ventiladores, bombas de agua etc..., su potencia especifica no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran magnficos.

La teora fsica, el proceso Carnot, fue definido 40 aos ms tarde.

Perdi inters despus del desarrollo del motor de combustin interna y ha retomado inters en los ltimos aos por varias caractersticas muy favorables que tiene. En particular:

QU ES UN MOTOR STIRLING?

Se define como motor Stirling como aquel dispositivo que convierte trabajo en calor o viceversa, a travs de un ciclo termodinmico regenerativo, con compresin y expansin cclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco caliente y la del foco fro. Es una maquina de combustin externa, o sea, puede adaptarse a cualquier fuente de energa (combustin convencional o mixta, por ejemplo, con biomasa y gas, energa solar), sin que ello afecte al funcionamiento interno del motor.

MOTOR TIPO ALFA:Consta de dos cilindros independientes, sin desplazador, con dos pistones desfasados 90. Uno de los cilindros se calienta mediante mechero de gas o alcohol y el otro se enfra mediante aletas o agua.

FUNCIONAMIENTO:

El principio del funcionamiento es tan slo el calentar y enfriar un medio de trabajo, sea aire, helio, hidrgeno o incluso un lquido.Calentando ese medio provoca una expansin del mismo dentro del motor. El medio de desplaza a otra parte del motor dnde es enfriado.Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo. Ese cambio de volmenes activa un pistn de trabajo el cual ejerce el trabajo del motor. El motor es hermtico por lo que siempre se utiliza el mismo medio en un circuito cerrado (no hay escape del medio de trabajo)

Regenerador:

Existe un elemento del motor, llamado regenerador, que, aunque no es obligatorio, permite alcanzar mayores rendimientos. ste, tiene la funcin de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, con conductividad trmica despreciable. Divide al motor en dos zonas: zona caliente y zona fra. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fra a lo largo de los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.

CICLO DEL MOTOR STIRLING:

El motor Stirling en su ciclo ideal es capaz de desarrollar el trabajo mximo posible entre dos focos trmicos a distinta temperatura, conocido como rendimiento de Carnot, pero que a diferencia del ciclo de Carnot poco til tcnicamente, el motor Stirling es capaz de generar trabajo de forma practica, pudiendo en algunos casos reales llegar al 80% del trabajo mximo obtenible, lo que lo sita como una opcin ante estos tiempos de necesidad de mayor eficiencia energtica y menor contaminacin.

Desde el punto de vista termodinmico el ciclo de un motor Stirling consta de dos procesos isocricos y de dos isotrmicos.

El ciclo del motor Stirling est compuesto por dos evoluciones a Volumen constante y dos evoluciones isotrmicas, una a Tc y la segunda a Tf. El fluido de trabajo se supone es un gas perfecto. En el ciclo terico hay un aspecto importante que es la existencia de un regenerador. Este tiene la propiedad de poder absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. Si no existe regenerador, el motor tambin funciona, pero su rendimiento es inferior. Hay algunos aspectos bsicos a entender en la operacin de un motor Stirling: El motor tiene dos pistones y el regenerador. El regenerador divide al motor en dos zonas, una zona caliente y una zona fra. El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder calor y con conductividad trmica despreciable. El fluido de trabajo est encerrado en el motor y los pistones lo desplazan de la zona caliente a la fra o viceversa en ciertas etapas del ciclo. Por lo tanto se trata de un ciclo cerrado. Cuando se desplaza el fluido desde la zona caliente a la fra (o al revs), este atraviesa el regenerador. El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga trabajo til. Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro del regenerador es despreciable en el caso del ciclo terico. Como en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento es algo inferior. En el ciclo terico se supone que la eficiencia del regenerador es de un 100%. Es decir devuelve todo el calor almacenado y adems con recuperacin total de temperaturas.

La descripcin del ciclo es como sigue:

El cilindro fro est a mximo volumen y el cilindro caliente est a volumen mnimo, pegado al regenerador. El regenerador se supone est "cargado" de calor. El fluido de trabajo est a Tf a volumen mximo, Vmax y a p1.

Entre 1 y 2 se extrae la cantidad Qf de calor del cilindro (por el lado fro). El proceso se realiza a Tf constante. Por lo tanto al final (en 2) se estar a volumen mnimo, Vmin, Tf y p2. El pistn de la zona caliente no se ha desplazado. En esta evolucin es sistema absorbe trabajo.

Entre 2 y 3 los dos pistones se desplazan en forma paralela. Esto hace que todo el fluido atraviese el regenerador. Al ocurrir esto, el fluido absorbe la cantidad Q' de calor y eleva su temperatura de Tf a Tc. Por lo tanto al final (en 3) se estar a Tc, Vmin y p3. El regenerador queda "descargado". En esta evolucin el trabajo neto absorbido es cero (salvo por prdidas por roce al atravesar el fluido el regenerador).

Entre 3 y 4 el pistn fro queda junto al lado fro del regenerador y el caliente sigue desplazndose hacia un mayor volumen. Se absorbe la cantidad de calor Qc y el proceso es (idealmente) isotrmico. Al final el fluido de trabajo est a Tc, el volumen es Vmax y la presin es p4.

Finalmente los dos pistones se desplazan en forma paralela de 4 a 1, haciendo atravesar el fluido de trabajo al regenerador. Al ocurrir esto el fluido cede calor al regenerador, este se carga de calor, la temperatura del fluido baja de Tc a Tf y la presin baja de p4 a p1. Al final de la evolucin el fluido est a Vmax, p1 y Tf. El regenerador sigue "cargado" de calor.

El rea del ciclo real es inferior al del terico.

RENDIMIENTO DEL MOTOR STIRLING:

El motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, lo cual le permite, tericamente, alcanzar el lmite mximo de rendimiento, que es a lo mximo que puede llega r un motor trmico.

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

El calor absorbido es Qc. El rendimiento trmico del ciclo ser:

Procederemos a analizar cada etapa, hallaremos en W y el calor en cada una de ellas:

Datos a utilizar: V1=V4, V2=V3 T1=T2, T4=T3

Etapa 3-4: Proceso isotrmico (temperatura constante).Calentamiento

Etapa 4-1: Proceso isocrico (volumen constante).

Etapa 1-2: Proceso isotrmico (temperatura constante).Enfriamiento

Etapa 2-3: Proceso isocrico (volumen constante).

Hallando el trabajo neto: Wneto

Hallando el calor suministrado:

Reemplazando:

APLICACIONES:Inicialmente muy comn, esa tecnologa muri con el invento de los motores Otto y Diesel, hasta renacer al inicio del siglo XX impulsado por la compaa Philips en Holanda.La segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarrollos y solo hace 25 aos volvieron a iniciar nuevas iniciativas y desarrollos. Hoy en da se utiliza motores Stirling para generar calor, para impulsar submarinos y prximamente como motores en automviles hbridos.Sus aplicaciones son muchas. Existen pequeos motores capaces de funcionar con la temperatura de la palma de la mano y se han construido prototipos para corazones artificiales implantables. Las ms cercanas al ciudadano son: Conversin de la energa solar en elctrica y la cogeneracin, es decir, la produccin simultnea de energa elctrica y energa trmica. Para convertir la energa solar en energa elctrica, se utilizan espejos concentradores o parablicos parecidos a cuencos o platos (de ah, el nombre de dish-stirling). En ellos, se reflejan los rayos del sol, que van a parar a un punto llamado foco del concentrador. Gracias a estos sistemas, se logran unos rendimientos solar-elctricos del 30%, el doble que si utilizsemos el sistema convencional de paneles fotovoltaicos. Aunque, de momento, no es una tecnologa competitiva desde el punto de vista econmico, ofrece una gran ventaja: la generacin de energa distribuida. O sea, podran construirse minicentrales dish-Stirling adecuadas al tamao de un pueblo o un distrito. De este modo, la generacin de electricidad estara ms cerca del punto de consumo y se reduciran las prdidas ocasionadas en el transporte y la distribucin de electricidad. Otra de las aplicaciones del motor de ciclo Stirling es la cogeneracin, la produccin simultnea de energa elctrica y trmica. Cmo se consigue? El motor mueve un generador para producir electricidad y entrega simultneamente agua de refrigeracin que, a una temperatura de unos 60 grados centgrados, puede ser aprovechada como energa trmica.

En Espaa, en la Plataforma Solar de Almera, se ha construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parablicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling, el cual produce energa mecnica que mediante un alternador es transformada en energa elctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento. SubmarinosEl motor stirling es la base de la propulsin de algunos motores pues permite recargar las bateras a altas profundidades, al contrario que el motor diesel, que exige subir a altura de periscopio para realizar esta operacin.

En aparatos de alta tecnologa tiene utilidad. La marina sueca ha instalado motores Stirling en varios de sus submarinos. Kawasaki realiza investigaciones sobre este tema para la marina japons. Otro campo abierto es la generacin de energa cerca del punto de consumo, es decir, podran producirse minicentrales adecuadas a un pueblo o distrito. De este modo la generacin de electricidad se adaptara al consumo de la zona y se evitaran las prdidas ocasionadas como consecuencia del transporte y redes de distribucin en largas distancias.Al final de los aos 80, se instal en un submarino Nacken, de la marina sueca, un motor Stirling. El nombre del sistema instalado fue The Kockums Stirling AIP System. Este motor ocupaba unos 8 metros de longitud dentro del submarino. Tras varios aos de prueba de este submarino, en el mar, se obtuvieron resultados muy satisfactorios, por lo que se decidi colocar este sistema en la nueva flota de submarinos de la clase Gotland.El sistema Stirling AIP aumenta considerablemente el tiempo de inmersin del submarino en el mar. En vez de algunos das de inmersin, un submarino con este sistema, puede estar sumergido semanas y superar as a cualquier otro submarino convencional con respecto a esta caracterstica.La caracterstica principal del sistema Stirling AIP es el uso del oxgeno puro y combustible Diesel en una cmara de combustin presurizada. La presin de la combustin es ms alta que la presin circundante del agua de mar, esto permite que los productos de la combustin sean expulsados hacia el agua de mar, para ser disueltos en ella, sin la necesidad de usar un compresor. El oxgeno se almacena en forma lquida (LOX) en tanques criognicos. El tiempo de inmersin es determinado sobre todo por la cantidad de LOX almacenado.En comparacin con otros sistemas AIP de bajo desarrollo, el sistema Stirling AIP muestra ventajas importantes.

El sistema Stirling AIP est fcilmente disponible y es de tecnologa madura, El sistema Stirling AIP est prcticamente libre de vibracin, es silencioso y menos contaminante. El sistema Stirling AIP es un sistema adicional. Cuando se agota la fuente de LOX, el submarino sigue siendo un submarino convencional de gran alcance. El sistema Stirling AIP tiene un costo de adquisicin bajo y, tambin, un bajo costo durante su ciclo de vida. La infraestructura necesaria para su produccin ya existe. El sistema Stirling AIP est igualmente disponible para la modernizacin de submarinos existentes y para su integracin en nuevos diseos de submarinos. probada en servicio operacional.

El principio del sistema Stirling AIP en submarinos.

Yates, existe un tipo especifico de motor stirling que es especialmente diseado para yates.

Enfriadoras

Una de las caractersticas del motor stirling es que es un ingenio reversible, es decir, se puede usar como motor aplicndole calor en forma que genere movimiento, o puede ser usado como maquina, consiguiendo producir fri y calor cuando se le aplica movimiento mecnico mediante un motor exterior. Si se disea de manera correcta este motor, puede alcanzar temperaturas de - , y se usan en aparatos de alta tecnologaEl motor Stirling es excelente para aplicaciones de refrigeracin, de hecho es una de la mquinas que permite alcanzar temperaturas criognicas.El ciclo de refrigeracin Stirling es el inverso del motor de aire caliente, donde el foco caliente es el medio ambiente y en el foco fro se encuentra un lquido a baja temperatura (nitrgeno, amoniaco, etc.), al cual para mantenerlo a baja temperatura o bajarle mas la temperatura, hay que entregarle trabajo al motor ya que lo que se desea es enfriar. Las aplicaciones en este campo son numerosas debido a que con este motor se llega a alcanzar los 4 K de temperatura en refrigeracin, valor muy cercano al cero absoluto. Entre estas aplicaciones se pueden mencionar:

Medio para enfriar equipos electrnicos e imanes superconductores en investigacin Secado de materiales por congelacin Medio enfriador para licuar helio, hidrgeno y nitrgeno Aparatos de refrigeracin varios (contenedores para trasladar productos congelados VehculosLos vehculos hbridos son sealados por muchas voces hoy en da como los medios de transporte que ocuparemos a mediano plazo en especial en las grandes ciudades. Esto principalmente debido a las bajas emisiones de contaminantes y a la elevada economa de combustible que se obtiene con esta tecnologa. Los HEV (hybrid electric vehicle) son autos provistos de un motor de combustin y otro elctrico, y se pueden clasificar en dos categoras: en serie y en paralelo. HEV en serie: El motor de combustin es ocupado como un generador de electricidad para mover el motor elctrico, que es el que finalmente provee la potencia para propulsar el vehculo. Este sistema se utiliza intercalando una batera entre los dos motores, de manera de ocupar el motor de combustin en recargarla cuando sea necesario, existiendo tambin la posibilidad de hacer esto ltimo enchufndola a alguna fuente (como la casa del propietario del vehculo).

La energa proveniente del combustible mueve el motor de explosin. Este entrega energa para almacenarla en la batera. Desde sta, la energa viaja a un motor elctrico encargado de mover las ruedas. HEV en paralelo: Tanto el motor de combustin como el elctrico proveen la potencia para la propulsin del vehculo. As, si el vehculo se encuentra en ciudad, puede funcionar accionado solamente por el motor elctrico (sin emitir contaminantes), y utilizar como apoyo el motor de combustin cuando se requiera una potencia elevada, como al realizar un adelantamiento o hacer un viaje cargado.

La energa del combustible mueve el motor de combustin. La potencia para mover las ruedas viene de dos fuentes: el motor de combustin a travs de la transmisin y/o el motor elctrico (con su dispositivo para almacenar energa)

VENTAJAS: Su elevado rendimiento, ya que el motor Stirling puede potencialmente alcanzar el rendimiento ideal de Carnot. Posee una baja cantidad de elementos mviles, sobre todo en comparacin con los motores de combustin interna, lo que permite prdidas de rendimiento por friccin muy bajas. El hecho que el ciclo en la realidad sea cerrado hace que potencialmente se puedan obtener niveles muy bajos de emisiones. Dado que es un motor de combustin externa el proceso de combustin se puede controlar muy bien, con lo que se reducen las emisiones. Como intercambia calor con el exterior, se pueden utilizar una gran cantidad de fuentes de calor, como por ejemplo energa nuclear, energa solar y combustibles fsiles, entre otras. El bajo nivel de ruido y la ausencia de vibraciones con que opera. DESVENTAJAS: Baja densidad de potencia debido a la combustin externa, lo que condiciona su tamao. Dificultad en la construccin del motor para sellar el fluido de trabajo durante toda la vida til, lo que eleva su costo. Falta de experiencia en la construccin de este tipo de motores en el rubro automotriz. Como el fluido de trabajo es gaseoso, esto acarrea dificultades operativas, con lo que los fluidos realmente viables debido a sus buenas propiedades termodinmicas son el helio y el hidrgeno. Lento tiempo de respuesta. Se requieren grandes superficies de intercambios de calor, lo que hace aumentar desmesuradamente su tamao en comparacin con los motores de combustin interna. Largo tiempo de encendido y apagado del motor.

CONCLUSIONES: Es un motor de combustin externa. El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansin y contraccin de un gas. Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresin y expansin a temperatura constante) El regenerador tiene la funcin de recuperar parte de la energa que se cede en uno de los procesos iscoro donde se enfra el gas de trabajo para aportarlo de nuevo en el proceso iscoro restante. Si no existe regenerador, el motor tambin funciona, pero su rendimiento es inferior. El motor Stirling es el nico capaz de aproximarse (tericamente lo alcanza) al rendimiento mximo terico conocido como rendimiento de Carnot.

BIBLIOGRAFA:

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling http://www.alpoma.net/tecob/?p=390 http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm http://www.howstuffworks.com/stirling-engine2.htm Video: http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RA

20Ing. Mecnica