ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR

STIRLING PARA LA GENERACIÓN DE

ENERGÍA

DESIGN AND CONSTRUCTION OF A MOTOR

STIRLING FOR THE GENERATION OF

ENERGY

Tutor Arq. Gustavo Adolfo CONCHA FLORES

gusstock@hotmail.com

Integrantes: María R. Avendaño Sierra

Inguaebur J. Collado Sierra

Sixto Ipenza Ballón

Janet Peña Mejía

RESUMEN

El presente documento pretende ser un trabajo no

sólo de investigación teórica sino también de

experimentación práctica. El objetivo final ha sido el

diseño, la construcción y el análisis experimental de

una máquina térmica para generar energía, esta

máquina ha sido prácticamente olvidada desde

principios del siglo XX y que en los últimos años ha

resucitado como una de las posibles soluciones a

los problemas energéticos mundiales, el llamado

motor Stirling.

¿QUES UN MOTOR STIRLING?

Se define un motor Stirling como un dispositivo que convierte trabajo en calor y viceversa, a través de un ciclo termodinámico

regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido de

trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas la del foco

caliente y la del foco frio. Es una maquina combustión externa,

osea, puede adaptarse a cualquier fuente de energía

(combustión convencional o mixta, por ejemplo, con biomasa y

gas, energía solar), sin que ello afecte al funcionamiento interno

del motor.

Principio de funcionamiento del motor Stirling.

El funcionamiento del motor Stirling se basa en el

aprovechamiento de los cambios volumétricos del fluido de

trabajo como resultado de los cambios de temperatura que

éste sufre. Estos cambios volumétricos se deben al

desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente

y la zona fría en un cilindro cerrado.

Fig. 1 Motores tipo Alfa Fig. 2 Motores tipo Beta

Imagenes: www.wikipedia.com

A continuación se explicará el funcionamiento del motor

con la ayuda de una serie de diagramas:

1. Si se tiene aire encerrado en un cilindro y luego se

calienta, se observa que la presión dentro del cilindro se

incrementa. Se asume que una de las tapas del cilindro es

un émbolo y que éste es hermético; entonces habrá una

expansión del gas y aumentará el volumen interior del

cilindro hasta cierta posición final del émbolo.

Fig. 2 Calentamiento del aire dentro de un cilindro.

2. Si al mismo cilindro, en su estado de expansión, se

enfría rápidamente, la presión disminuye; entonces, el

volumen se contrae y la posición del émbolo vuelve al

estado inicial.

Fig.3 Enfriamiento del aire dentro de un cilindro.

3. Si el proceso del estado 1 se repite, pero ahora uniendo

el émbolo a una volante. El incremento de la presión forzará

al émbolo a moverse ocasionando el giro de la volante, con

lo cual se consigue que el “cambio volumétrico” se

transforme en movimiento.

Fig.4 Conversión de la expansión del gas en movimiento, a través de un

mecanismo.

4. Si se repite el proceso del estado 2, enfriando

rápidamente, el pistón retorna por efecto del movimiento de

la volante y se produce la disminución de la presión y el

volumen.

Fig .5 Conversión de la compresión del gas en movimiento, a través

de un mecanismo

5. Si se juntan los procesos 3 y 4, en un solo

cilindro, con un desplazador, se producirá el movimiento

del motor debido a la expansión del gas, y, durante la

compresión el pistón retornará a su posición debido a la

energía de la volante.

Fig.6 Esquema general de un motor Stirling

Con este simple ejemplo se ha explicado el principio de

funcionamiento del motor Stirling.

Descripción de los componentes de un motor Stirling

Un motor Stirling está compuesto, generalmente, de las

siguientes partes (fig. 7):

Fig.7 Componentes de un motor Stirling.

Zona caliente

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

consiguiente, estará sometido a altas temperaturas.

Zona fría

En esta parte se extrae calor del motor. La extracción de calor puede

realizarse por convección libre o forzada.

Regenerador

Esta es una parte muy importante del motor Stirling. El regenerador

absorbe y entrega calor al fluido de trabajo compensando una parte del

calor perdido por el motor, haciendo que la potencia y velocidad del

motor se incrementen.

Pistón

Esta parte es la que realiza el trabajo motriz, y va conectado al

mecanismo de transformación de movimiento. El pistón debe ser ligero

porque el gas realiza trabajo sólo durante la expansión. Debido a que el

pistón está en la zona fría del motor, sí se puede utilizar aluminio para

su construcción. Para motores pequeños experimentales, también

utilizan teflón.

Desplazador

Esta parte es la encargada de desplazar el aire de una zona a otra. Esta

parte debe ser capaz de generar un gradiente de temperatura entre

la zona caliente y la zona fría.

La volante

Esta es la parte que entrega energía al ciclo para que se produzca la

compresión del fluido de trabajo y también ayuda a mantener estable el

giro del motor.

Tipos de configuración constructiva de los motores

Stirling

Existen tres tipos de configuraciones para un motor Stirling:

•Configuración Alfa

Consta de dos cilindros independientes unidos mediante un

ducto; este tipo de motor Stirling no tiene desplazador, pero

tiene dos pistones desfasados 90º. Uno de los cilindros se

calienta mediante suministro de calor y el otro se enfría

mediante aletas o agua.

Motores tipo Alfa

Configuración Beta

En este tipo, el pistón y el desplazador están en el mismo

cilindro, por eso tiene poco volumen muerto, y, por lo

tanto, es el de mayor potencia específica de las tres

configuraciones. Existe una holgura entre el desplazador y

el cilindro para permitir el paso del gas de la zona caliente a

la fría y viceversa. Su desventaja está en su fabricación,

porque ésta es muy complicada y requiere de bastante

precisión.

Motores tipo Beta

Configuración Gamma

Este tipo es derivado de la configuración beta, pero más

sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados, en

uno de los cuales se sitúa el desplazador y en el otro el

pistón de potencia. Es el de menor potencia específica

debido a su gran volumen muerto.

Motor Stirling de configuración gamma.

Estudio termodinámico del motor Stirling

Ciclo termodinámico ideal del motor Stirling

El ciclo ideal Stirling se compone de dos procesos

isotérmicos (se mantiene constante la temperatura) y dos

isométricos (se mantiene constante el volumen); la

regeneración se efectúa a volumen constante, tal como se

muestra en el gráfico siguiente:

Fig. 11 Ciclo ideal Stirling.

En resumen el funcionamiento del motor Stirling radica en la

diferencia de temperatura que se genera entre los focos del

motor, un foco a baja temperatura y uno a alta. Esta

diferencia hace que el gas que se utiliza (puede ser hidrogeno, aire, etc.) entre en un ciclo termodinámico, en el

cual el gas se desplaza cíclicamente por convección, de esta

manera permite mover los pistones en cada ciclo. Veamos un

grafico donde se ilustra este ciclo:

En este grafico podemos ver la relación entre el volumen y la

presión, a diferentes temperaturas, donde T1 es mayor a T2.

Podemos observar también que estas curvas no se cortan entre

sí, y que muestran una relación inversamente proporcional entre

volumen y presión. En otras palabras, cumple la relación de los

gases ideales:

Donde:

= Presión, se mide en la Fuerza dividida por unidades de Área

[newton/mts2]

= Volumen, se mide en [mts2].

= Moles de gas que se miden en [mol]. = Constante universal de los gases ideales. [Newton ∙ metro ∙ mol-1 ∙ °K-1].

= Temperatura en Kelvin [°K]. Esto es la medición de la temperatura

absoluta. La relación entre grados Celcius y Kelvin es: °K= °C+273.

EFICIENCIA En términos teóricos, el motor Stirling puede alcanzar una

eficiencia del orden del 90% (eficiencia de Carnot). Lamentablemente, los materiales y las formas de fabricación

aun no son lo suficientemente buenos para alcanzar tal eficiencia, pero día a día se mejora en cuanto a la

construcción de este motor. Se trata de un ciclo reversible, es

decir que en vez de proporcionarle una diferencia de temperatura y generar trabajo mecánico, es posible

entregarle energía mecánica y producir calor o frío,

dependiendo del foco que se use. Se dice que es un ciclo

cerrado (el gas nunca abandona el ciclo) y degenerativo (utiliza un “intercambiador” de calor que aumenta la

eficiencia).

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas

Las ventajas del motor Stirling consisten en que no necesariamente debemos tener combustión, sino que se

utilizan fuentes de calor naturales y que tienen niveles de temperatura comparables a la combustión interna. Por ende,

hay menos tipos de emisiones que los provocados por la reacción de los combustibles al quemarse, es decir, el motor

es menos contaminante. Además, el proceso de fabricación del motor es

relativamente sencillo, y también tiene la ventaja de que el

frio no es un impedimento de partida. Y eso también es una

ventaja a la hora de poder aplicarle energía mecánica para

utilizar el motor como calefactor en invierno y/o como

condensador en verano.

Desventajas

Las principales desventajas del motor Stirling consisten en

que lamentablemente aún los motores a combustión

interna son mucho más rentables que los motores Stirling,

tanto en capacidad de generación como en costos de

fabricación. Sin embargo esta deficiencia en capacidad de

generación no se debe al rendimiento del motor (pues

como se había dicho anteriormente, tiene una eficiencia de

cerca del 90%) sino a la capacidad energética de las

fuentes que utiliza para su funcionamiento.

METODOLOGÍA

PLAN DE CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR STIRLING TIPO

ALFA.

Primera: diseñar y montar una estructura de madera que sea óptima para

situar el motor y que soporte cada una de las piezas. Como se puede observar en la imagen la estructura está formada por una base alargada de 30 cm de

ancho y 45 cm de largo, y otra pieza similar colocada verticalmente en medio de la base. Estas piezas no están compuestas de una sola unidad,sino que

hemos utilizado varias piezas más pequeñas unidas con tornillos y tuercas

para formar otras más grandes.

Segunda, ha sido formar las unidades principales como: -Cámara de presión, se construye la cámara de presión con una lata de

aerosol de 58 mm de diámetro (insecticidas, aprestos, desodorantes de

ambientes, etc) que debe ser necesariamente de hojalata. La tapa de la cámara es su misma tapa, que luego de cortada, se le rebaja levemente el

diámetro para que entre en el fuste.

-El pistón desplazador, se construye con una lata de aerosol de aluminio de

los usados para desodorantes personales. Su diámetro comúnmente es de 53

mm. con lo que el “juego” que queda entre desplazados y cámara es de 2,5

mm en todo el contorno.

El largo del desplazador se fija en 80 mm, y se prefijó un “volteo” del cigueñal

de 50 mm, el largo de la cámara de presión debe ser de 80+50+3=133 mm .

Los últimos 3 mm son para que en su movimiento el desplazador nunca toque la base ni la tapa de la cámara, y no queden “zonas muertas”.

El eje del desplazador se construyó con un tubo de aluminio de 6 mm de diámetro, que se desplaza apoyado por adelante en un agujero realizado

en la tapa, y por detrás en un perno fijado a la base de la cámara.

-El pistón de trabajo o embolo motor: se construyó con una lata de

aerosol de de 50 cm3, la que hice cortar como se muestra en la foto, para

obtener un desplazamiento útil de 50 mm.

El volante de 15cm. de diámetro, se construyó con 10mm de espesor. En

este caso se dispuso de un disco rígido de madera que adaptó para el

caso, pero se estima que un eje y buje resultan suficientes. En las fotos se

observa una cámara de enfriamiento construida con una lata de conserva

de las corrugadas, la que debería se mas grande para conseguir mejor

eficiencia.

Todas las uniones de la estructura y del cigüeñal se han hecho con

tornillos y tuercas, Un aspecto constructivo muy importante y fundamental

es el desfase entre los dos pistones de la máquina, en la siguiente gráfica

lo hemos representado: en azul está representado el movimiento del

pistón desplazador y en rojo el movimiento del pistón de potencia; como

se ve, ambos movimientos han de estar desfasados 90º.

Constructivamente hemos cuidado que el pistón desplazador sea lo más

ligero posible y no esté demasiado tenso. El volante de inercia, por su

parte ha de ser lo bastante pesado como para perpetuar el movimiento

pero no tanto como para impedirlo.

Problemas encontrados

Al construir nuestro motor Stirling encontramos una serie de fallos que

tuvimos que ir solucionando. -El primero de ellos fue que utilizamos un diseño en el que había mucho

rozamiento. Más tarde tuvimos que cambiar la estructura varias veces.

Otro problema fue que pusimos un volante de inercia muy pequeño y que

pesaba poco por lo que no realizaba bien su función.

-También el bote estaba mal fijado y se movía. Otro problema que

tuvimos que solucionar fue que el pistón desplazador se desintegró por

las altas temperaturas y debido al material utilizado que también tuvimos

que cambiar.

-Uno de los grandes inconvenientes fue que el aire se escapaba y tardamos bastante en darnos cuenta dónde estaba la fuga. También

tuvimos que lubricar el orificio por el cual pasaba la varilla del pistón

desplazador. -Lo último que tuvimos que cambiar fue la unión entre el cigüeñal y la

varilla del pistón desplazador metálico y pesaba mucho por lo que

decidimos sustituirlo por una polea.

DATOS EXPERIMENTALES. Descripción del experimento: Nuestro objetivo es demostrar

experimentalmente la relación entre la diferencia de temperaturas

entre los focos de la máquina térmica y la potencia desarrollada, es

decir, su velocidad y así poder obtener energía por medio de un

pequeño motor dínamo.

Materiales e instrumentos: Motor Stirling experimental, gas metano (ch4) para la combustión y generación de calor para el funcionamiento

del motor, termómetro digital para altas temperaturas, termómetro de

mercurio con rango -10ºC – 50ºC, cronómetro y soportes.

Procedimiento: Tomar muestras de los instrumentos de medida cada 15 segundos a medida que la temperatura de los focos de la máquina

va cambiando.

RESULTADOS:

Tabla de datos

Muestreo

cada

15seg.

Temperatura

del foco

caliente (°C)

Temperatura

del foco frío

(°C)

Diferencia de

Temperaturas

Velocidad de

Giro (r.p.s)

1 20.8 5 15.8 02 28.9 5 23.9 03 35.7 5 30.7 04 46.5 5 41.5 05 57.9 5 52.9 06 66.7 5.5 61.2 557 80 5.5 74.5 648 91.5 5.5 86 669 100 5.5 94.5 7010 108 5.5 102.5 8111 118 5.5 112.5 8512 129 6 123 9513 138 6 132 9814 145 6 139 10015 154 6 148 10116 155 7 148 10217 161 7 154 10218 164 7.5 156.5 10119 169 7.5 161.5 10020 171 8 163 10621 172 9 163 11022 178 10 168 11023 175 10 165 10824 181 10.5 170.5 11125 188 10.5 177.5 11226 187 11 176 11727 195 14 181 12328 218 15 203 12329 219 16 203 12530 217 17 200 12131 220 11 209 12332 221 10 211 12433 230 11 219 12534 231 11 220 12535 230 15 215 12436 223 17 206 12037 227 18 209 12438 234 19 215 12339 236 20 216 12040 239 21 218 12141 240 22 218 12242 230 44 186 10343 225 44 181 9944 220 44 176 8845 216 44 172 046 209 44 165 0

TEMPERATURA DE FOCO CALIENTE / VELOCIDAD DE GIRO

DIFERENCIA DE TEMPERATURA / VELOCIDAD DE GIRO

Tabla . Datos de generación eléctrica del motor con focos de 8 W (corriente alterna)

RPM

CONEXIÓN

V

A1

A2

A3

Potencia (W)

1 foco 556 normal 11,2 0,2 2,24

2 focos 489 trifásica 10 0,2 0,2 0,5

2 focos 556 serie 11,4 0,1 1,14

2 focos 513 paralelo 10,1 0,5 5,05

3 focos

470

trifásica

9

0,9

8,1

RPM CONEXIÓN V A Potencia (W)

1 foco 504 normal 13,1 0,57 7,467

2 focos 511 serie 13,5 0,39 5,265

2 focos 429 paralelo 11,2 1,05 11,76

3 focos 405 paralelo 9,6 1,43 13,728

Tabla . Datos de generación eléctrica del motor con focos de 8 W (corriente

continua)

El siguiente cuadro nos muestra la carga utilizada, la potencia eléctrica

generada y las RPM del motor (conexión en paralelo utilizando diodos).

Tabla. Datos de generación eléctrica del motor con diferentes cargas (corriente continua)

Carga

V

A

P (W)

RPM ht (%)

m3/(kW-h)

$/(kW-h)

8 13,1 0,57 7,5 504 0,18 18.5 41,5

16 11,2 1,05 11,76 429 0,29 11.8 26,5

21 9,4 1,52 14,3 395 0,35 9.7 21,8

25 9,78 1,5 14,7 406 0,36 9.4 21,2

42 6 2,35 14,1 293 0,35 9.8 22,1

50 5,7 2,3 13,1 285 0,32 10.6 23,8

Figura. Curvas de potencia eléctrica generada, voltaje y amperaje en función de la carga

Figura. Curvas de potencia eléctrica generada, voltaje y amperaje VS RPM

DISCUSIÓN

Inicialmente el motor stiriling era muy común, esa tecnología murió con el

invento de los motores Otto y Diesel, hasta renacer al inicio del ciclo 20

impulsado por la compañía Philips en Holanda.

La segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarollos y solo

hace 25 años volvieron a iniciar nuevas iniciativas y desarollos. Hoy en día

se utiliza motores Stirling para generar calor, para impulsar submarinos y

proximamente como motores en automóbiles híbridos.

Las grandes ventajas del motor Stirling son:

-Combustión externa (se puede quemar cualquier combustible para calentar

el motor)

-No hay explosión por lo que el motor es extremamente silencioso y libre de

vibraciones.

-Se genera a la vez energía eléctrica, mecánica y térmica (cogeneración)

Existen diseños de motores LTD (de baja temperatura) los cuales no

requieren un concentrador solar pero con mucho menor rendimiento. Los

motores potentes trabajan con temperaturas de 600ºC a 900ºC.

Hoy en día el motor está ya muy maduro en su diseño (tiempo de vida aprox.

100.000 horas) existen aún pocas aplicaciones comerciales y muchos

proyectos de investigación.

CONCLUSIONES

Tal y como muestran los datos experimentales, la diferencia de temperaturas es el factor fundamental en la velocidad del motor. A más

diferencia de temperaturas, mayor es el áera del ciclo termodinámico en

la gráfica P-V y por lo tanto mayor es el trabajo desarrollado, trabajo que

se invierte en aumentar la energía cinética del motor, esto es, su

velocidad. Como puede comprobarse en la gráfica, hemos detectado

experimentalmente la diferencia de temperaturas "umbral" a partir de la

cual el motor comienza a moverse. Conforme la diferencia de

temperaturas entre focos va aumentando, la velocidad del motor

aumenta lentamente. Llegando a la conclusión de que esta máquina térmica (motor stirling) es

buena alternativa para generar energía y sobre todo este motor puede

ser de gran utilidad en zonas rurales que no cuenten con energía

eléctrica, ya que sólo se necesitarían biocombustibles o alternativas de

combustibles convencionales (como es el biodiesel ) para el funcionamiento del motor. Con esto se lograría mejorar la productividad

de sus actividades y mejorar la calidad de vida en dichas zonas, sin dañar al medio ambiente.

ANEXOS