INFORME DE PROYECTO

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSUniversidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

ESCUELA DE MECANICA DE FLUIDOSFACULTAD DE FISICA

UNIDAD DE PREGRADO

“Motor Stirling Solar”

TRABAJO GRUPAL

Arpi Choque, Verónica Cabrera Reynoso, Victor Coral Saenz, Jean Pierre De Montreuil Estupiñan, André Egoavil Rosas, Angel Emerson Castro, José Mallqui Santos, Cristhian Palacios Cuzcano, Francisco Prieto Bonilla, Rosario

Lima – Perú

2015

CONTENIDO

INTRODUCCION OBJETIVOS MARCO TEORICO PROCEDIMIENTO CONCLUSIONES SUGERENCIAS BIBLIOGRAFIA

INTRODUCCION

En el presente proyecto se dará a conocer la definición, funcionamiento y desarrollo de

Motor Stirling mediante un sistema solar, el cual faculta hacer un uso más ecológico y

económico de los recursos en función de un desempeño aceptable.

Dicho producto permite obtener energía lumínica utilizando solo calor como fuente

provisora en vías a la obtención de energía eléctrica mediante un mecanismo de

conversión de energía calorífica en energía eléctrica mediante un proceso

termodinámico, además de representar máxima eficiencia como motor térmico también

se busca hacer inducción a la comunidad universitaria en una antiguamente útil forma

de obtener electricidad involucrando materiales reciclables, haciendo énfasis al

bienestar medio ambiental y conceptualizando de una manera más objetiva a los

miembros estudiantiles hacia esta forma de obtención energética.

Considerando el desconocimiento de este recurso de alto desempeño y de aplicación

fiable para la sociedad, de esta manera exponiendo de forma más rentable este tipo de

motor térmico. Se dará en exposición una demostración física, que incluye un video

donde se muestra el desarrollo de dicho proyecto, completa de la funcionalidad de este

motor bajo el principio Stirling y ampliando de una manera teórica-práctica los

conocimientos de tendencia eléctrica para los intereses estudiantiles a partir de un

prototipo para fines didácticos.

OBJETIVOS

Elaborar un Motor Stirling, explicar su concepto y proceso de desarrollo.

Usar materiales de uso diario con el fin de presentar un presupuesto accesible para cualquier persona.

Presentar una fuente ecológica, mediante energía solar, para el proceso de desarrollo del motor Stirling.

Crear un concentrador solar y explicar su funcionamiento dentro del motor Stirling.

Incentivar mediante este proyecto a la comuna estudiantil el interés en desarrollar proyectos afines a la carrera y si es posible, aplicaciones para un bien común.

MARCO TEORICO

1. Motor Stirling

El motor Stirling, es un dispositivo capaz de producir energía mecánica debido a una fuente de energía calorífica la cual permite disminuir costos en el proceso y representando gran importancia a nivel industrial y en áreas como el motor Stirling diseñado especialmente para yates, el motor de los submarinos y hasta para convertir la energía solar en eléctrica también es empleado dicho motor con el principio Stirling, en vías de demostrar dicho principio e innovar a razón de estar diseñado a base de materiales reciclables. Se ha fabricado un dispositivo para demostrar la funcionalidad de este artefacto.

Mediante el cual se demuestra la compresión y expansión cilíndrica de aire u otro gas, denominado fluido de trabajo, el cual se encuentra a diferentes niveles en cuanto a temperatura y de esta manera genera una conversión neta de energía calorífica a mecánica, este dispositivo tiene su origen hacia 1816 por Robert Stirling, quien lo diseño por primera vez y en respuesta al motor de vapor, represento gran relevancia en las aplicaciones domesticas por casi un siglo.

Actualmente los motores que emplean combustible fósiles son numerosamente utilizados en la actualidad y en la mayoría de casos, muchas familias o estudiantes desconocen de esta opción térmica aplicable. El motor Stirling, teóricamente representa un rendimiento máximo en el ámbito de los motores térmicos, pero no podría emplearse como motor de coches, debido a que. Aunque su rendimiento es mayor, su potencia es inferior y el rendimiento óptimo solo alcanza velocidades bajas.

2. Ciclo Stirling Teórico

Descripción del CicloEl ciclo Stirling Teórico está

compuesto por dos evoluciones

a Volumen constante y dos

evoluciones isotérmicas, una

a Tc y la segunda a Tf. Este

queda ilustrado en la figura

1. El fluido de trabajo se supone

es un gas perfecto. En el ciclo

teórico 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 también funciona, pero su

rendimiento es inferior. Hay

algunos aspectos básicos a

entender en la operación 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 fría.

El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder calor

y con conductividad térmica despreciable.

El fluido de trabajo está encerrado en el motor y los pistones

lo desplazan de la zona caliente a la fría o vice versa 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 fría (o al

revés), este atraviesa el regenerador.

El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga

trabajo útil.

Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro

del regenerador es despreciable en el caso del ciclo teórico. Como

en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento es algo inferior.

En el ciclo teórico se supone que la eficiencia del regenerador es de

un 100%. Es decir devuelve todo el calor almacenado y además con

recuperación total de temperaturas.

La Descripción del ciclo es como la siguiente:

En 1 el cilindro frío está a

máximo volumen y el cilindro

caliente está a volumen

mínimo, pegado

al regenerador.

El regenerador se supone está

"cargado" de calor (una

discusión más extensa sobre

este punto se ve en el párrafo

sobre el regenerador). El fluido

de trabajo está a Tf a volumen

máximo, Vmax y a p1.

 

Entre 1 y 2 se extrae la

cantidad Qf de calor del cilindro

(por el lado frío). El proceso se

realiza a Tf constante. Por lo

tanto al final (en 2) se estará a

volumen mínimo, Vmin, Tf y p2.

El pistón de la zona caliente no

se ha desplazado. En esta

evolución 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 estará

a Tc, Vmin y p3. El regenerador

queda "descargado". En esta

evolución el trabajo neto

absorbido es cero (salvo por

pérdidas por roce al atravesar el

fluido el regenerador).

Entre 3 y 4 el pistón frío queda

junto al lado frío del

regenerador y el caliente sigue

desplazándose hacia un mayor

volumen. Se absorbe la cantidad

de calor Qc y el proceso es

(idealmente) isotérmico. Al

final el fluido de trabajo está

a Tc, el volumen es Vmax y la

presión 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 presión baja

de p4 a p1. Al final de la

evolución el fluido está

a Vmax, p1 y Tf. El regenerador

sigue "cargado" de calor.

3. Regenerador

Algo medio "mágico" en toda esta discusión ha sido el papel del regenerador. Que un elemento sea capaz de absorber o ceder calor no tiene nada de extraño. El problema "raro" es como uno logra primero enfriar el fluido de Tc a Tf y luego usar este mismo calor almacenado para calentar desde Tf a Tc. Esto tiene que ver con la posibilidad de lograr un calentamiento reversible, tema que trataremos de explicar a continuación.

La explicación se basa en el hecho de que al interior del regenerador se establece un gradiente de temperaturas. Así, la zona en contacto con el lado caliente está a Tc y la zona en contacto con el lado frío estará a Tf. Entre ambas existirá una distribución de temperaturas análoga a la mostrada en la figura 6a (esta ilustra la situación de regenerador descargado). Cuando fluye fluido desde el lado caliente hacia el lado frío, primero el fluido se encuentra en contacto con material poroso a temperatura Tc, por lo que nada pasa, luego (al seguir penetrando a través del regenerador) se encuentra con material a Tc - dt, por lo cual cede una cantidad de calor dQ al regenerador y se enfría en dt. Así sigue penetrando hasta que el fluido alcanza la temperatura Tf. Cuando esto ocurre, no cede más calor y simplemente sigue atravesando el regenerador. Esta situación intermedia se ilustra en la figura 6b. En ella vemos que el frente de distribución de temperaturas ha penetrado más dentro del regenerador.

A medida que sigue el proceso, el frente se desplaza hacia la zona de menor temperatura. Cuando la parte fría del frente justo llega al borde frío se dice que el regenerador está cargado. Si al llegar a esta situación invertimos el proceso: es decir se toma fluido frío a Tf y se hace pasar a través del regenerador desde el lado frío hacia el lado caliente, ocurrirá lo siguiente: primero es fluido se encuentra con material a Tf, por lo que nada pasa, luego encuentra material del regenerador a Tf + dt, con lo cual gana dQ de calor calentándose en dt, y así sucesivamente hasta que el fluido alcanza Tc. Cuando esto ocurre, ya no se calienta más.

A medida que sigue atravesando fluido el regenerador el fluido se calienta de Tf a Tc y el frente térmico al interior del regenerador se desplaza hacia la zona más caliente. El regenerador está siendo descargado. Cuando el frente en su extremo a Tc llega justo al borde caliente, el regenerador se encuentra descargado.Una vez que ocurre esto, podemos invertir el proceso y repetirlo ad infinitum.Lo mismo que ocurre en un regenerador de un motor Stirling ocurre en un almacenamiento de calor en lecho de rocas en el caso de colectores solares de aire. También algo análogo (aunque no exactamente igual) ocurre en un termo eléctrico de agua.

El primer motor Stirling incorporaba regenerador y tenía una fuerte ventaja en rendimiento con respecto a motores a vapor contemporáneos. Versiones posteriores lo abandonaron, lo cual fue una lástima. Además del motor Stirling se fabricaron otros motores con conceptos similares hacia fines del siglo XIX. Sobre ellos leeremos algo en un próximo párrafo.

Como es lógico el regenerador divide al cilindro en dos volúmenes a distinta temperatura, enfriando o

calentando el gas de trabajo mientras este pasa de un volumen a otro.

PROCEDIMIENTO

1. Materiales

3 latas de cerveza 335 ml.

1 lata de atún

1 CD

2 Tapas de plástico de gaseosa.

Alambre Nº 14 1m.

Pegamento resistente a altas temperaturas SOLDIMIX

Cinta de Aluminio Adhesiva

Cinta de doble fas o de doble contacto

Receptor de cable TV

1 globo mediano

Brillo para lavar ollas

Tubo pvc codo.

Caña para pescar 20 cm

1 Tornillo con 2 tuercas

Lija para fierro

Herramientas de casa (martillo, alicates, desarmadores, tijera, cuchillas para

cortar metal, arco y sierra, etc.)

2. Procedimiento

1. Coger una lata vacía y hacer, cortar la parte superior y moldear de tal manera que la superficie quede perfecta. Para guiarse se podría usar una mesa y ponerla boca abajo y verificar que no haya rendijas entre la mesa y la lata.

2. Cortar la parte superior de la lata, vaciar el contenido y cortar la parte inferior en forma circular y un circulo en el medio tomando en cuenta que el corte circular debe ser del mismo tamaño que la lata de cerveza ya cortada.

3. Ahora unir ambas latas y sellar la parte inferior con el SOLDIMIX, añadir cinta de aluminio si es necesario, de tal manera que no se pueda mover al momento de encender. Dejar secar por 10 min.

4. Ahora coger la otra lata de cerveza y hacer los cortes respectivos tal como se aprecia en la imagen. Para crear un sumidero que nos permitirá ver si el sistema funciona en perfectas condiciones para luego montarlo a la fuente solar. Colocar unos alambres pequeños para poder sostener bien las latas montadas ya mencionadas anteriormente.

5. Preparar el cigüeñal en la forma como se verá en la figura. Hacer 2 agujeros en la parte superior de la lata donde ingresara la polea, usar otro alambre y ponerlo en medio de la polea principal, esta ira

amarrado con el hilo de pescar hacia un pedazo de lata que simulara un embolo relleno del brillo para lavar ollas. Esta parte será la que se movilizara en nuestro motor Stirling.

6. Hacemos un orificio para poder colocar el tubo en codo de pvc en la lata inferior, la limaremos con la lija para poder colocarlo a la perfección en la lata y lo pegaremos con la cinta de doble fas, revisar que no haya fugas en el proceso de colación del tubo.

7. Prepara el pistón con el globo y el tornillo con las tuercas, tal como se aprecia en la imagen. Tener en cuenta en esta parte que no debe haber fuga por el globo eso es muy importante. Ahora poner el pistón en la parte superior de la tapita en todo momento guiarse con las imágenes que mostramos.

8. A continuación mostraremos la imagen del armando completo para guiarse mejor en el armado del motor. Fijarse en los alambres y preparar cada uno de ellos tal y como aparece en la imagen.

Aquí otro modelo que hicimos pero esta vez usamos latas más delgadas y cinta aluminio para sellar ambas latas.

9. Ahora procederemos a hacer el concentrador solar. Usando la cinta de aluminio adhesiva, procedamos a cubrir toda la superficie del receptor de TV. Sin dejar grumos o huecos para aumentar la eficiencia.

10. Procedemos a colocar todas las partes y lo ponemos en una base junto al concentrador, luego esperar que los rayos solares calienten el motor. Dar un pequeño empujón en el cd para poder impulsar el motor.

CONCLUSIONES

El motor Stirling funciona mediante un concentrador de calor, pero notamos que usando un mechero o una vela la eficiencia es mayor, debido a que no contamos con los recursos geográficos para que se den en nuestro motor Stirling.

Mediante el uso de materiales de reciclaje, podemos hacer un motor Stirling que puede contar con muchas aplicaciones para el beneficio propio.

Pudimos observar como el regenerador puede hacer un calentamiento reversible, enfriando o calentando el flujo de trabajo mientras este pasa de un volumen a otro.

SUGERENCIAS

Colocar una base al concentrador solar para poder ser más práctico la movilización y el cambio de posición con respecto al sol.

Dar un leve impulso a un volante de inercia. Si la temperatura es correcta y el calor suficiente, el motor comenzará a girar y no parará hasta que el fuego se extinga o nosotros lo apartemos del calor.

Estar revisando el sistema para descartar fuga antes de iniciar el motor.

Tener cuidado con las partes que contengan que tengan cintas adhesivos, debido a que con el calor tienden a despegarse y por tal el equipo puede dejar de funcionar.

BIBLIOGRAFIA

http://diystirlingengine.com/

http://www.mienergiagratis.com/noticias/n000013.html

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

construir-un-motor-stirling.html

http://100ciaencasa.blogspot.com/2013/06/tutorial-motor-

stirling.html

http://www.whispergen-europe.com/stirling.php

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling

http://www.stirlingbuilder.com/quick-and-easy-stirling-engine