Motor Stirling

INDICE

INTRODUCCIÓN 1

HISTORIA 2

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 2

CICLO TERMODINAMICO DEL MOTOR STIRLING 3

TIPOS DE MOTORES DE AIRE CALIENTE 5

APLICACIONES 6

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 9

RESULTADOS Y CONCLUSIONES 10

BIBLIOGRAFÍA: 11

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Motor stirling 2

Figura 2. Funcionamiento del motor stirling 3

Figura 3. Ciclo del motor stirling 3

Figura 4. Diagrama de presión-volumen 4

Figura 5. Motor tipo beta 5

Figura 6. Motor tipo alfa 5

Figura 7. Motor tipo gama 6

Figura 8. Motor ringbom 6

Figura 9. Material 9

Figura 10. Motor Stirling casero 10

INTRODUCCIÓN

Esta práctica describe los pasos a seguir para la realización del modelo de un motor Stirling fabricado con piezas caseras. Así como la visualización del principio de su funcionamiento.

El Motor Stirling fue inventado 1816 por Robert Stirling, reverendo de origen escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de gas, al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío en el cual se contrae y de calentamiento en un foco caliente con el cual se expande. Se puede decir que con las diferencias de temperatura trabaja como un motor térmico.

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. El ciclo teórico Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto, además el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos, mientras tendría menos interés en climas como los de los países de habla hispana, conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión.

El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempos de los egipcios para desarrollar trabajo mecánico, accionando de esta manera trampillas, puertas y pesadas cargas, pero fue en la revolución industrial cuando las máquinas llamadas “térmicas” se estudiaron, desarrollaron y aplicaron de manera general. El Motor Stirling objeto de nuestro estudio es un tipo de motor térmico y como tal, genera trabajo mecánico a partir de la diferencia de temperaturas entre dos focos. La actual preocupación medioambiental y la cada vez más acuciante escasez de recursos energéticos de carácter fósil han hecho que se haya rescatado del olvido este genial artilugio como una de las posibles soluciones a tales problemas, dado su excepcional rendimiento.

Figura 1. Motor stirling

HISTORIA

Robert Stirling fue un clérigo Escocés que, heredando el interés de su padre por la ingeniería, diseñó en 1816 un motor térmico que funcionaba sin peligro de las explosiones y quemaduras que tenia la maquina de vapor. Posteriormente sería el francés Sadi Carnot el que hiciera una interpretación teórica de su funcionamiento para comprender el fenómeno de producir fuerza motriz partiendo del calor que fluye entre dos focos a distinta temperatura. Si bien en potencia no podía competir con la, famosa por entonces, máquina de vapor, era el motor de Stirling una máquina mucho más sencilla, barata y segura y se aseguró un campo de aplicación allí donde la fuerza no fuera un factor tan decisivo diseñándose así ventiladores y bombas de agua basadas en el principio de la expansión y la compresión del aire.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

Figura 2. Funcionamiento del motor stirling

CICLO TERMODINAMICO DEL MOTOR STIRLING

El ciclo termodinámico del motor de Stirling visto en la gráfica de presión contra volumen, se compone de dos procesos isotermos (se mantiene constante la temperatura) y de dos procesos isócoros (se mantiene constante el volumen), veámoslo en detalle:

Figura 3. Ciclo del motor stirling

Si partimos por ejemplo de la situación en la que el pistón desplazador se encuentra en la posición más baja, el aire se encontrará por competo en la cámara fría del cilindro, supongamos pues que esas condiciones son de temperatura T1, volumen V1 y presión P1. Ahora el pistón desplazador comienza subir y en consecuencia el aire comienza a ser enviado a la parte caliente del cilindro [trazo A, isócoro], se supone que este proceso se hace a volumen constante y por lo tanto cuando ya está todo el aire en la parte caliente las condiciones son de volumen V1, de temperatura T2 (mayor que T1) y de presión P2 (mayor que P1). El aire, al estar más caliente y con mayor presión comienza a expansionarse generando trabajo mecánico [trazo B, isoterma], al expandirse su volumen pasa a ser V2 (mayor que V1) y su presión desciende a P3 sin embargo mantiene su temperatura T2. Llegado este punto el pistón desplazador comienza de nuevo su recorrido descendente y envía de nuevo todo el aire a la parte fría del cilindro sin cambiar el volumen V2 [trazo C, isócoro], la temperatura baja a T1 y la presión a P4. Por último volvemos al punto de partida del ciclo al comprimirse el aire manteniendo su temperatura T1 y reduciendo su volumen a V1 y con presión P1 [trazo D, isoterma]. De esta manera comienza el ciclo de nuevo. El diagrama Presión-Volumen aporta la ventaja de poder “ver” gráficamente el trabajo externo desarrollado por la máquina pues coincide con el área encerrada en el ciclo (al multiplicar presión por volumen las

...