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Practica stirling Practica stirling Document Transcript

  • “Elaboración de Motor Stirling” DOCENTE: Luis Salinas Nahyr Michelle Tercero González 235961 RESUMEN En el presente documento se muestra la metodología y desarrollo experimental que se siguió para la construcción de un motor Stirling. Durante la construcción del motor Stirling primeramente se determinó el diseño del motor en el que se basaría para su posterior construcción, luego se reunió los materiales requeridos y se procedió a armarlo. Se utilizó tablas de madera como soporte del motor. En un tubo de ensaye se colocó siete canicas y se cerró el tubo con un tapón horadado, en cuyo orificio se colocó un tubo plástico que sirviera para conducir el aire de la recamara del tubo de ensaye hasta la jeringa, efectuando con esto el movimiento mecánico provocado por la expansión del aire en el interior. Se colocó una jeringa de vidrio en forma vertical sobre el soporte de madera y se sujetó el émbolo de la misma entre dos placas de madera en la base, como lo muestra la figura #, para lo cual fue necesario realizar un orificio en una de las placas de madera correspondiente al diámetro del émbolo para poder pasarlo a través de ella. Se construyó dos soportes de alambre y se colocaron en la base de madera con tornillos para sujetar el tubo de ensaye, mismo que se colocó de forma horizontal en dichos soportes, ver figura #. Se unió, utilizando el tubo plástico, el tubo de ensaye con el orificio de la jeringa, quedando sellado el sistema. Se utilizó una vela como fuente de calor y se calentó la parte inferior del tubo de ensaye, provocando con esto la expansión del aire en el interior del tubo el cual se desplazó hacia la recamara de la jeringa ocasionando el movimiento lineal ascendente y descendente del cuerpo de la misma ya que el émbolo estaba fijo. Se determinó mediante los cálculos necesarios la velocidad aproximada en el motor construido, arrojando los datos los siguientes resultados. Velocidad promedio del motor igual a 0.755 cm/seg. OBJETIVO • Construir un motor Stirling, cuyo funcionamiento durare al menos 15 segundos. • Determinar la velocidad del motor Stirling.
  • INTRODUCCION A principios del siglo XIX la revolución industrial comenzaba a tomar fuerza. El símbolo de esta etapa histórica era la máquina de vapor que contaba ya con algunos años de desarrollo. Sin embargo las máquinas de vapor eran aún monstruos enormemente costosos, muy ineficientes e incluso peligrosos, pues las calderas explotaban frecuentemente. Estos y otros inconvenientes sumados a la imposibilidad de desarrollar motores simples, económicos de construir y accesibles a pequeñas industrias, fueron los motivos por los que el reverendo inglés Robert Stirling propuso la idea de un nuevo motor que funcionara con un principio totalmente distinto: "el motor de aire caliente". En 1816 obtuvo la patente de su invento. Estos motores de aire caliente se conocen hoy con el nombre de su inventor. (1) El motor Stirling se hace uso del hecho de que la presión de un gas contenido en un recipiente aumenta cuando es calentado y disminuye cuando es enfriado. Una cierta cantidad de gas está cerrada herméticamente en el motor, siendo alternativamente calentada y enfriada. Cuando se calienta, su presión creciente hace descender a un pistón de potencia, y cuando se enfría produce un efecto contrario sobre el mismo pistón, o sea, lo empuja haciéndole ascender. (2) Desarrollo del proceso (Figura 1): en el estado I, el embolo de trabajo se encuentra en la posición más baja y el embolo de desplazamiento en la posición más alta; todo el gas de trabajo se encuentra expandido entre el embolo de trabajo y el embolo de desplazamiento en el espacio “frio”. En el transcurso de I a II, el embolo de trabajo comprime el medio de trabajo en el espacio frio. El embolo de desplazamiento permanece en la posición más alta. En la fase II a III, el medio de trabajo comprimido es desplazado por el embolo de desplazamiento en movimiento descendente a través del radiador hasta llegar al regenerador (donde absorbe el calor almacenado) y, a continuación, es desplazado al calentador (donde se calienta a la máxima temperatura de trabajo). Debido a que el embolo de trabajo permanece en la posición más baja, el volumen no cambia. (3) El gas calentado llega hasta el espacio “caliente” por medio del embolo de desplazamiento. En el transcurso de III a IV, el gas caliente se expande; el embolo de trabajo y el de desplazamiento son empujados a su posición más baja y se genera su trabajo. El ciclo se cierra en el transcurso de IV a I, donde el gas vuelve a ser empujado por el embolo de desplazamiento en movimiento ascendente a través del calentador hasta el regenerador y cede la mayor parte de su calor. El calor residual se cede en el radiador, antes de que el gas vuelva al espacio frio. (3) Figura 1. Desarrollo del proceso de trabajo en el motor Stirling.
  • MATERIALES Y METODOLOGÍA MATERIALES Jeringa de vidrio de 10 ml. 3 bloques de madera de distinto grosor (3 mm, 1 cm, 1.4 cm) respectivamente. 6 tornillos. 2 alambres de aluminio. Manguera de plástico de 2mm de diámetro 1 corcho de hule. Cinta teflón. 1 tubo de ensaye de vidrio. 1 liga. 7 canicas. 1 vela. Cerillos. Metodología Para armar el motor Stirling, lo primero que se hizo fue construir una base sólida a base de madera de diferentes gruesos uno sobre otro para que le diera buena estabilidad y alturas correspondientes a los componentes esenciales del motor. Al tener la base fija y estable, se utilizaron dos tornillos para afianzar los dos alambres de aluminio que serían utilizados como soporte para el tubo de ensayo; todo esto cuidando la distancia y altura correspondiente entre el tubo, la jeringa y la pequeña manguera de plástico que las uniría. Al conocer la altura del soporte, la longitud del tubo de ensayo y la altura de la jeringa se dispuso a colocar la jeringa sobre la base de madera, utilizando pegamento de pegado instantáneo. Antes de colocar el tubo de ensaye entre los dos alambres, primero se procedió a colocar dentro del tubo las canicas (7 en total), que serían utilizadas como contrapeso una vez que el motor fuera puesto en marcha. Luego, se utilizó un corcho de hule (perforado con anterioridad conectado a la pequeña manguera de plástico) recubierto parcialmente con cinta teflón para asegurar un mejor aislamiento. Al tener la jeringa y los soportes de alambre en su sitio; se procedió a colocar una liga que sería utilizada para soportar el peso del tubo de ensaye, para después unir el otro extremo de la manguera de plástico a la punta de la jeringa; asegurándose de que estuviera bien unida y no hubiera posibilidad de contacto con el aire del exterior. Finalmente se encendió una vela, que sería utilizada para echar a andar el motor. Dicha vela fue puesta cerca del fondo del tubo de ensayo cuidando la distancia que debe haber, debido a que si se coloca demasiado cerca puede dañar el tubo. Se esperó a que la llama calentara el aire dentro del motor, para que dicho aire caliente pasara del tubo a través de la manguera hacia la jeringa y la hiciera subir el nivel a tal punto de que las canicas dentro del tubo comenzaran a moverse en movimiento vaivén sirviendo como contrapeso, haciendo que el motor funcionara por un periodo de tiempo superior a 15 segundos.
  • M A T E R IA L U S A D O S E N L A E L A B O R A C IO N D E L M O T O R S T IR L IN G 7 C A N IC A S D E V ID R IO 1 C O R C HO ALAM BR E VELA 1 J E R IN G A D E V ID R IO 2 T O R N IL L O S 1 TUBO D E ENSAYE M O T O R S T IR L IN G CALCULOS Y RESULTADOS Cálculos Para calcular la velocidad promedio del motor, se realizaron dos pruebas. Los datos obtenidos de la distancia que recorrió el émbolo de la jeringa y del tiempo que tardó, se muestran en la Tabla 1. Tabla no.1: Datos experimentales Prueba 1 Prueba 2 Para calcular la velocidad: Distancia recorrida (cm) 6 16 Tiempo (s) 8 21
  • Para la prueba 1: Para la prueba 2: Para calcular la velocidad promedio: Resultados. Tabla no. 2, Calculo del trabajo realizado mediante Trabajo = (fuerza) (distancia) Nota: una canica tiene 0.0000098 kg fuerza por 7 canicas usadas = 0.00006867 N Prueba 1 Prueba 2 Distancia recorrida (m) 0.06 0.16 Trabajo (N*m) 0.0000041202 0.0000109872 Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 3: Velocidad (cm/s) Velocidad (m/s) Prueba 1 0.75 7.5 x 10-3 Prueba 2 0.76 7.6 x 10-3 Promedio 0.755 7.55 x 10-3 DISCUCIÓN En la práctica realizada se observó un punto importante y característico de este tipo de motores el cual es que su arranque es lento, esto debido a que no cuenta con una inercia de impulso. Razón por la cual este tipo de motores no han sido usados en la industria automotriz, ya que siendo un motor más eficiente que el motor de 4 cilindros de la actualidad, capaz de alcanzar el límite máximo de rendimiento porque tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, además de ser un motor limpio que no genera emisiones ya que opera en un ciclo cerrado, y en la actualidad se combina con fuentes de energía limpia como fuentes geotérmicas y colectores solares, los cuales proporcionan el punto caliente que llega hasta 700 ºC, aun no se logra superar la barrera del arranque. En la actualidad se usan para la generación de electricidad, pero no
  • para el transporte (que valla que es lo que más genera emisiones de gases a la atmosfera). El impulso se obtiene al calentarse, conforme aumenta la temperatura ayudas de forma más veloz a la expansión del gas, ocasionando el movimiento del volumen, que finalmente es el que realmente mueve el embolo. Al momento de hacerlo funcionar, en primera instancia se usó un mechero de alcohol para proporcionar el punto caliente, sin embargo este no fue el adecuado (quizá porque necesitaba proporcionar más calor) ya que no se logró el objetivo de generar el movimiento del embolo. Así que se optó por usar una vela y se obtuvo el resultado esperado de movimiento. Claro que se tuvo el pendiente de que quizá esta fuera muy caliente y reventara el regenerador que en este caso fue un tubo de ensaye de vidrio. Por otro lado, es posible calcular el trabajo realizado por el motor, ya que conocemos la distancia recorrida, y de acuerdo a la bibliografía consultada, sabemos que una canica tiene una masa de aproximadamente 0.000001 kilogramos (masa) que en kilogramo fuerza es 0.0000098, y sabemos que, Trabajo = (Fuerza)(distancia), resultados mostrados en la tabla no. 2. Y como es de esperarse en el ensayo no.2, que recorre más distancia, se observa más trabajo realizado. Por otro lado sería interesante compararlo con los otros motores presentados para saber qué tan eficiente es con respecto a ellos y quizá tener un punto de referencia y poder debatir si el motor realizado es bueno o no. En la tabla no. 3 se muestran los resultados de velocidad obtenidos en (cm/s), los cuales muestran precisión, ya que son muy similares. CONCLUSIÓN El punto caliente es de vital importancia en este tipo de motores, ya que la temperatura alcanzada en el punto caliente proporciona la expansión del gas que moverá el embolo. Finalmente se comprobó que efectivamente, este tipo de motores puede ser una opción limpia (ya que está aislado y el calor se aplica por fuera) para generar movimiento siempre y cuando el punto caliente lo proporcione una fuente de energía limpia. Anexos.
  • BIBLIOGRAFIA (1) Moran J. M. y Shapiro H. N. (2005) Fundamentos de termodinámica técnica, Instalaciones de producción de potencia mediante gas, Los ciclos Ericsson y Stirling, Editorial REVERTÉ, Barcelona. (2) Crouse H. W. (1993) Mecánica del automóvil, Motor Stirling, McGrawHill, Barcelona. (3) Manual de la técnica del automóvil, Motor de émbolo de combustión externa (motor Stirling), Bosch. (4) http://es.answers.yahoo.com/question/index? qid=20080228145705AAklhpU