Este presente Blog, fue creado por los alumnos de Tecsup del 1er ciclo de la especialidad de Procesos Químicos y Metalúrgicos, mostrando la creación de un Motor Stirling aplicando los conocimientos previos obtenidos en la institución sobre las Leyes de la Termodinámica, utilizando materiales reciclados.

Integrantes

Dedicatoria:

El presente trabajo de investigación va dedicado a nuestros padres por su esfuerzo y dedicación hacia nosotros; y un reconocimiento especial a nuestra profesora, Silvia Marisel Espinoza, quien nos incentivo a realizar este presente motor.

Integrantes:


1. Marco Antonio Castillo Navarrete.
2. Gabriela Alexandra Leon Bueno.
3. Luis Angel Molina Alacote.
4. Rosa Fiorella Murga Villalobos.
5. Lady Julissa Sotomayor Ventura.
6. Lucero Mishelli Torres Gamarra.

HISTORIA

EL MOTOR STIRLING:

Fue inventado por el escosés Robert Stirling, en 1816. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

El funcionamiento se da en el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande.En este motor, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos.

• Descripción del motor stirling:

El motor de aire caliente Stirling, utiliza una fuente de calor fija, para calentar aire en su cilindro. Se le puede considerar de combustión externa y proceso adiabático, ya que no requiere quemar combustible en su interior y al operar, no transfiere calor al entorno. Su movimiento obedece a las diferencias de presión de aire, entre la porción más caliente y la fría. El mecanismo central de un Stirling consiste de dos pistones (cilindros), uno para disipar calor y desplazar el aire caliente hacia la sección fría (viceversa). En la práctica este cilindro funciona como intercambiador de calor y se le denomina regenerador.El otro pistón entrega la fuerza para aplicar torque al cigüeñal.

• Funcionamiento:

La principal característica de este motor es que es alimentado por una fuente de calor externa, por lo que puede usar desde un proceso de combustión convencional usando combustibles fósiles, hasta pérdidas de calor excedentes de un proceso industrial, pasando por la energía solar. Es silencioso y no produce más sustancias contaminantes que las de la fuente de alimentación original. Dentro del motor se halla un compartimento estanco lleno de un gas -que puede ser aire, helio o hidrógeno- dividido en dos zonas: una caliente y otra fría, que se corresponden con los dos ciclos de cada revolución. El calor hace expandirse al gas que se encuentra en la zona caliente, que presiona de esa forma un pistón que a su vez mueve una manivela a la cual se encuentra enganchada una rueda. Al aumentar de volumen, el aire accede a la cámara fría, donde se contrae debido a la disminución de temperatura. Este hecho acciona el segundo pistón.

• Tipos de motores Stirling:

     Motores tipo alfa:

Este tipo de motor no utiliza desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos y consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.

  

Motores tipo beta:

El motor original de Stirling era de este tipo y consta de un cilindro, con una zona caliente (mediante un mechero de gas, alcohol, etc), una zona fría (refrigerada por aletas, agua, etc). En el inferior está el desplazador cuya misión es parar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa.

      Motores tipo gama:

Este tipo esta derivado del beta, consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en otro el pistón de potencia. Los sistemas para calentar y enfriar son idénticos a los del tipo beta.

• El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas:

Dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del primer principio de la termodinámica están escritos acorde con los criterios de signos termodinámicos.

·         Expansión isoterma: Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor y mantiene su temperatura constante. A partir de la 1° ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo.

· Expansión adiabática: La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso.

· Compresión isoterma: Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema. Al ser el calor negativo, la entropía disminuye.

·Compresión adiabática: Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema. Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía.

Ciclo del motor Stirling

Al leer varias informaciones hemos podido notar que muchas de ellas coinciden que existen dos procesos isocoricos y dos procesos isotérmicos, que a continuación lo mostraremos en la imagen:

MATERIALES

Video 1:

Aqui les presentamos el siguiente video mostrando los materiales utilizados en el experimento.

Aplicaciones del Motor Stirling

a.) Conversión de la energía solar en energía electrica:

Se utiliza poder convertir la energía solar en eléctrica (construirse mini centrales dish-Stirling), y así generar más electricidad cerca del punto de consumo y reducir las pérdidas ocasionadas en el transporte y distribución de electricidad. La gran ventaja que nos ofrece, es la generación de energía distribuida. 

b.) Cogenerador:

En esta aplicación el motor mueve un generador para producir electricidad y entrega así mismo agua de refrigeración, la cual es aprovechada como energía térmica a unos 60 grados Celsius.

c.) En los Submarinos:

El motor Stirling es la base de la propulsión de algunos motores, y a que permite recargar las baterías a altas profundidades.

d.) En los yates:

Aquí también tenemos un motor stirling, el cual está especialmente diseñado para yates.

e.) Enfriadoras:

En estos dispositivos se le brinda calor al motor, para que este genere movimiento, y por ende producir frio y calor cuando se le aplique un movimiento mecánico mediante un motor exterior.

El motor Stirling es excelente para aplicaciones de refrigeración, e incluso nos permite alcanzar temperaturas criogénicas.

Ventajas y desventajas

Ventajas:

 ü Funciona con cualquier fuente de calor como solar, geotérmica, nucleares, bilógicas, etc.

 ü Los motores Stirling tienen los mecanismos más sencillos que otros motores.

 ü Una maquina Stirling usa un fluido de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión.

Desventajas:

üLos motores Stirling requieren intercambios de calor de entrada y salida, que tienen que contener el fluido de trabajo de trabajo a alta temperatura, así como soportar los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera.

üUn motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, tiene que primero “calentarse”.

üEl motor Stirling tiene una potencia específica relativamente baja.