Ciclo Del Motor Stirling

7/24/2019 Ciclo Del Motor Stirling

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Ciclo Stirling


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El ciclo Stirling difiere del ciclo de Carnot en que los dosprocesos isentrpicos son sustituidos por dos de regeneracina volumen constante.

En el ciclo terico hay un aspecto importante que es laexistencia de un regenerador. Este tiene la propiedad de poderabsorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante

del ciclo.


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El motor Stirling fue originalmente inventado por Sir RobertStirling, hacia 11! quien lo concibi como un primer motor

dise"ado para rivali#ar con el motor de vapor, en la pr$cticasu uso se redu%o a aplicaciones dom&sticas por casi un siglo.

Es un motor de combustin externa frente a los tradicionalesmotores gasolina o di&sel de combustin interna que muevenlos veh'culos.

En la pr$ctica est$ limitado, por que el gas con el que traba%a

es no ideal, es inevitable el ro#amiento en los distintoscomponentes que se mueven, etc.


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(as venta%as que tiene un motor Stirling son )

* Rendimiento) El motor Stirling tiene el potencial deaproximarse al rendimiento de Carnot, lo cual le permite,

tericamente, alcan#ar el l'mite m$ximo de rendimiento.

* Fuente de Calor Externa) este motor intercambia el calor conel exterior, por lo tanto es adaptable a una gran gama defuentes de calor para su operacin. Se han construido motoresStirling que usan como fuente de calor la energ'a nuclear,energ'a solar, combustibles fsiles, calor de desecho deprocesos, etc. +l ser de combustin externa, el proceso de

combustin se puede controlar muy bien, por lo cual sereducen las emisiones.

* Ciclocerrado) el fluido de traba%o opera en un ciclo cerrado yla fuente de calor es externa. Esto hace que este motor sea,potencialmente, de muy ba%o nivel de emisiones.


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El motor patentado por el escoc&s Robert Stirling era unmotor de ciclo cerrado. (o m$s interesante de su dise"oera que incorporaba un regenerador de calor.peraba de la siguiente forma)

-n gran cilindro vertical + es calentado en su parte superiorpor el flu%o de gases calientes provenientes de la caldera .El interior del cilindro tiene un pistn de potencia / yun despla#ador C. El despla#ador es liviano y no conducef$cilmente calor de un extremo a otro. +l medio deldespla#ador existe un anillo de material capa# de absorbery ceder calor que es el regenerador. Cuando el despla#adorse mueve hacia aba%o, la mayor parte del aire dentro delcilindro queda en la #ona caliente y se expande, empu%andoel pistn de traba%o / hacia aba%o. +qu' se entrega traba%oal exterior y gira el volante. +l suceder esto, una serie debielas mueven el despla#ador hacia arriba, despla#ando lamayor parte del aire a trav&s del regenerador hacia la #onafr'a. +ll' se enfr'a el aire, ba%a la presin y se repite el ciclo.


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-n motor ideal de Stirling consta de cuatro procesostermodin$micos reversibles

10 expansin a 2 constante 3adicin de calor de una fuenteexterna4

05 regeneracin a v constante 3transferencia de calorinterna desde el fluido de traba%o hacia el regenerador4

506 compresin a 2 constante 3recha#o de calor a unsumidero externo4

601 regeneracin a v constante 3nuevamente, transferenciade calor interna desde un regenerador hacia el fluido detraba%o4


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La ejecucin del ciclo Stirling requiere equipos detecnologa avanzada. Los motores Stirling reales,incluso el patentado originalmente por RobertStirling, son muy pesados y complicados.

Este sistema se compone de un cilindro con dosmbolos a los lados y un regenerador en medio. Elregenerador puede ser una malla de alambre ocermica o cualquier tipo de tapn poroso con unaalta masa trmica !masa por calor espec"co#, que seemplea para el almacenamiento temporal de energatrmica.La masa del $uido de trabajo contenida dentro delregenerador en cualquier instante se considerainsigni"cante.


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7nicialmente, la c$mara i#quierda alberga todo el fluido detraba%o 3un gas4 que se encuentra a alta temperatura y presin./urante el proceso 10 se a"ade calor al gas a 28desde una

fuente a 28. Cuando el gas se expande isot&rmicamente, el&mbolo de la i#quierda se mueve hacia fuera, efect9a traba%o yla presin del gas disminuye.


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/urante el proceso 05 los dos &mbolos se mueven haciala derecha a la misma velocidad 3para mantener elvolumen constante4 hasta que todo el gas es introducido

en la c$mara derecha. Cuando el gas pasa por elregenerador se transfiere calor al regenerador y latemperatura del gas disminuye de TH a TL. :ara que esteproceso de transferencia de calor sea reversible, ladiferencia de temperatura entre el gas y el regenerador nodebe exceder una cantidad diferencial dT en cualquierpunto. +s', la temperatura del regenerador ser$ TH en elextremo i#quierdo del mismo y TL en el derecho cuando se

alcan#a el estado 5.


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/urante el proceso 506 el &mbolo de la derecha se muevehacia dentro y comprime el gas, se transfiere calor del gasal sumidero a temperatura TL, por lo que la temperaturadel gas permanece constante en TL mientras aumenta lapresin. :or 9ltimo, durante el proceso 601, ambos&mbolos se mueven hacia la i#quierda a la mismavelocidad 3para mantener el volumen constante4 yempu%an a todo el gas hacia la c$mara i#quierda. (atemperatura del gas aumenta de TL a TH cuando pasa porel regenerador y toma la energ'a t&rmica almacenada ah'durante el proceso 05. Esto completa el ciclo.


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El segundo proceso a volumen constante sucede a un volumenm$s peque"o que el primero y que la transferencia neta de calorhacia el regenerador durante un ciclo es cero. Es decir, lacantidad de energ'a almacenada en el regenerador durante el

proceso 05 es igual a la cantidad de calor tomada por el gasdurante el proceso 601.

Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gasdentro del regenerador es despreciable en el caso del cicloterico. Como en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento esalgo inferior.En el ciclo terico se supone que la eficiencia del regenerador es

de un 1;;


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* Motor Stirling de pistn libre

En este caso el fluido de traba%o es calentado por radiacin solar. (aradiacin caliente un caloducto 3heat pipe receiver4 que transfiere el calora los tubos de un intercambiador de calor 3#ona naran%a4. (a #ona derechadel motor incorpora tanto el pistn de traba%o 3po=er piston4 como eldespla#ador 3displacer4. +l moverse el despla#ador, transfiere el gas detraba%o desde la #ona fr'a 3como est$ en la figura4 a la #ona caliente. Estolo hace atravesando el regenerador. El enfriamiento en la #ona fr'a es poragua de refrigeracin. El movimiento de los pistones 3el despla#ador y elpistn de traba%o4 se logra por medio de resortes con gas comprimido 3elmismo gas de traba%o4. (a conversin del movimiento alternativo del pistnde traba%o a energ'a 9til se logra por medio de una bobina alternadora 3fi%a4e imanes permanentes acoplados al pistn de traba%o.Este sistema permite que el gas de traba%o 3t'picamente 84 est& sellado.


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(os regeneradores son intercambiadores en donde un fluidocaliente fluye a trav&s del mismo espacio seguido de uno fr'o enforma alternada, con tan poca me#cla f'sica como sea posible

entre las dos corrientes.(a superficie, que alternativamente recibe y luego libera la energ'at&rmica, es muy importante en este dispositivo. (as propiedadesdel material superficial, %unto con las propiedades de flu%o y delfluido de las Corrientes fluidas, y con la geometr'a del sistema,son cantidades que deben conocer para anali#ar o dise"ar losregeneradores

* Regenerador de calor


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+plicaciones +ntiguas) comprenden desde la invencin del motor Stirlinhasta inicios de este siglo, en que fue una cierta competencia a la m$quin

a vapor. >poca de 77? @uerra Aundial) aqu' fueron los (aboratorios :hilips d

8olanda los que hicieron importantes avances en el estudio y desarrollo deste motor.

(os a"os !;0B;) aqu' se estudi el motor Stirling como una alternativa parproveer energ'a el&ctrica en naves espaciales y tambi&n se comen# tener prototipos para uso en veh'culos.

>pocas Recientes) actualmente se sigue investigando como m&todo dproveer energ'a para lugares aislados y usando fuentes como la energ'solar como fuente de calor.

-so en refrigeracin) el ciclo Stirling inverso es excelente para aplicacionede refrigeracin, de hecho es una de la m$quinas que permite alcan#atemperaturas criog&nicas.

* Evolucin del Motor de ciclo Stirling


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Aplicacin en la Industria Automotriz:

Una de las mayores dificultades para utilizar motores Stirling envehculos no hbridos es que resulta muy difcil construir uno deestos motores logre partir instantneamente. Cuando uno se

sube a su auto, le gusta que parta a la primera y pueda salirinmediatamente, cosa que los motores Stirling no pueden hacer. pesar de estas limitaciones, !ord, "#, y merican #otors Corp.$#C% gastaron millones de d&lares desarrollando motoresStirling para autos antes de los a'os (). *uego el precio delpetr&leo se vino aba+o en los a'os ) y la gente comenz& acomprar grandes autos, sin preocuparse por su rendimiento. pesar de ello no hay aparentemente una buena raz&n paraconstruir un motor que sea sustancialmente ms eficiente que elmotor de combusti&n interna, pero que no partainstantneamente.


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+AC Spirit del a"o 1B el cual estaba equipado con unmotor Stirling experimental de planta llamado el D:06;D.Este auto era capa# de quemar bencina, petrleo o untipo de gas 3gashol4. Este motor Stirling :06; promet'auna ba%a polucin, una me%or'a del 5;< en rendimiento3msFlt4, y un igual desempe"o que el motor estandar de

combustin interna.

#C Spirit (-


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"# $"eneral #otors Company%, est acconstruyendo y desarrollando motores S

parte de un contrato con el epartame/stados Unidos para desarrollar un sistehbrido para sus vehculos en el futuro."# desarroll& en 0-- un prototipo de llamado "en1 Stirling 2/3

"# "en1

Stirling 2/3


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/l motor Stirling desarrollado por "# usa hidr&geno comofluido de traba+o y tiene varias particularidades. *aprincipal es un disco rotatorio montado en ngulo yunido al pist&n $s4ash plate%que reemplaza a la

tradicional biela

Seg5n el irector del 6rograma de esarrollo 2brido dela "#, 7erry S8ellenger9*os motores Stirling son silenciosos, suaves y, como lasturbinas, son motores de combusti&n continua por lo quedeberan producir muy ba+as emisiones9.9/l :s4ash plate: fue desarrollado para controlar me+or la

salida de potencia y as darle al motor una respuesta masrpida9.9*a real interrogante sobre el uso de ;stos motores es elcosto, ya que no tenemos datos sobre lo que costaraproducir altas cantidades de ellos9


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#CConcord0-)

"otlandSubmarine


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SodermanlandSubmarine


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/n la aviaci&n eodos sabemos lo ruidosos que pueden ser los aviones, desde los reactorpeque'as avionetas equipadas con motores de e

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