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    Motor Stirling Motor Stirling Document Transcript

    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II Índice  Dedicatoria............................................... 3  Introducción.............................................. 4  ¿Qué es un motor Stirling?....................... 6  Tipos de motor Stirling............................. 6  Funcionamiento........................................ 7  Ciclo del motor Stirling............................ 9  Rendimiento del motor Stirling................ 13  Aplicaciones............................................. 16  Ventajas.................................................... 20  Desventajas............................................... 20  Galería de fotos........................................ 21  Conclusiones............................................ 22  Bibliografía............................................... 23 Reysond Renato La Chira Martínez 2 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II Dedicatoria: El presente trabajo de investigación va dedicado a nuestros padres por su esfuerzo y dedicación hacia nosotros; y un reconocimiento especial a nuestro profesor quien nos incentivo a realizar el incentivo presente trabajo. Reysond Renato La Chira Martínez 3 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II El motor Stirling • Introducción:  El motor Stirling fue originalmente inventado por Sir Robert Stirling, fraile escocés, hacia 1816. La patente de este motor era el glamoroso final de una serie de intentos de simplificar las máquinas a vapor. Stirling consideraba demasiado complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, expansionarlo en un motor, condensarlo y mediante una bomba introducir de nuevo el agua en la caldera. Otro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales causados frecuentemente por las máquinas a vapor, ya que aún no se había inventado el acero y las calderas explotaban con facilidad. El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor y el gas era aire en vez de vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba caldera. Un tipo de motor bastante común en su época, sobre todo para pequeñas maquinas de uso domestico tales como ventiladores, bombas de agua etc..., su potencia especifica no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran magníficos. La teoría física, el proceso Carnot, fue definido 40 años mas tarde. Perdió interés después del desarrollo del motor de combustión interna y ha retomado interés en los últimos años por varias características muy favorables que tiene. En particular: • Rendimiento: el motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, lo cual le permite, teóricamente, alcanzar el límite máximo de rendimiento. • Fuente de Calor Externa: este motor intercambia el calor con el exterior, por lo tanto es adaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operación. Se han construido motores Stirling que usan como fuente de calor la energía nuclear, energía solar, combustibles fósiles, calor de desecho de procesos, etc. Al ser de combustión externa, el proceso de combustión se puede controlar muy bien, por lo cual se reducen las emisiones. • Ciclo cerrado: el fluido de trabajo opera en un ciclo cerrado y la fuente de calor es externa. Esto hace que este motor sea, potencialmente, de muy bajo nivel de emisiones. Como contrapartida a estas características favorables, está el hecho de que el fluido de trabajo es gaseoso, lo cual acarrea dificultades operativas. En la Reysond Renato La Chira Martínez 4 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II práctica, se ha visto que los fluidos de trabajo viables son el hidrógeno y el helio, ambos por buenas propiedades termodinámicas. • ¿Qué es un motor stirling?  Se define como motor Stirling como aquel dispositivo que convierte trabajo en calor o 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 frío. Es una maquina de combustión externa, o sea, 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.  Tipos de Motor Stirling: o Motor Tipo Alfa: Consta de dos cilindros independientes, sin desplazador, con dos pistones desfasados 90º. Uno de los cilindros se calienta mediante mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua. o Motor Tipo Beta: Reysond Renato La Chira Martínez 5 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II Es el motor original de Stirling. Consta de un cilindro con una zona caliente y otra fría. En el interior del cilindro está el desplazador. Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, y existe una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del gas. o Motor Tipo Gamma: Está derivado del 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 • Funcionamiento: Reysond Renato La Chira Martínez 6 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II  El principio del funcionamiento es tan sólo el calentar y enfriar un medio de trabajo, sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido. ç Calentando ese medio provoca una expansión del mismo dentro del motor. El medio de desplaza a otra parte del motor dónde es enfriado. Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo. Ese cambio de volúmenes activa un pistón de trabajo el cual ejerce el trabajo del motor. El motor es hermético por lo que siempre se utiliza el mismo medio en un circuito cerrado (no hay escape del medio de trabajo) • Regenerador: Existe un elemento del motor, llamado regenerador, que, aunque no es obligatorio, permite alcanzar mayores rendimientos. Éste, tiene la función Reysond Renato La Chira Martínez 7 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, con conductividad térmica despreciable. Divide al motor en dos zonas: zona caliente y zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría a lo largo de los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.  Funcionamiento del motor Stirling mediante un ejemplo práctico: Imaginemos un tubo de ensayo en el que hemos introducido unas canicas, hemos puesto un tapón y mediante un tubo de silicona lo hemos conectado con un pequeño globo. Si calentamos un extremo del tubo de ensayo por ejemplo con un mechero de alcohol, tendremos dos zonas una fría y otra caliente en el tubo. Si las canicas están en la zona caliente, el aire del interior del tubo estará en la zona fría y el globo se mantendrá desinflado. Si inclinamos el tubo de modo que las canicas pasen al otro lado, el aire deberá pasar a la zona caliente y por lo tanto se calentará aumentando su temperatura y su presión con lo que el globo se hinchará y podrá realizar un trabajo. Reysond Renato La Chira Martínez 8 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II Si volvemos a inclinar el tubo en sentido contrario las canicas volverán a la zona caliente y el aire a la zona fría con lo que se volverá a enfriar y el globo se desinflará. Un motor construido así no es muy eficaz, ya que el calor gastado en calentar el aire se utiliza en producir un trabajo (inflar el globo) pero se pierde al enfriar el aire cuando las canicas lo hacen pasar a la zona fría. Si sustituyéramos la canica central por una bolita formada hilos metálicos muy finos (por ejemplo lana de acero de la utilizada para pulir), el aire al pasar de la zona caliente a la fría cedería su calor a estos hilitos y luego al pasar de la zona fría a la caliente tomaría calor de estos hilos y no sería necesario aportar tanto calor para inflar el globo. En los motores de Stirling las canicas son sustituidas por un cilindro que desplaza el aire de la zona caliente a la fría y el globo es sustituido por un conjunto cilindro pistón que es quien realiza el trabajo del motor. La bolita de hilos metálicos que almacena y cede calor se denomina Regenerador.  Ciclo del motor Stirling: El motor Stirling en su ciclo ideal es capaz de desarrollar el trabajo máximo posible entre dos focos térmicos a distinta temperatura, conocido como rendimiento de Carnot, pero que a diferencia del ciclo de Carnot poco útil técnicamente, el motor Stirling es capaz de generar trabajo de forma practica, pudiendo en algunos casos reales llegar al 80% del trabajo máximo obtenible, lo que lo sitúa como una opción ante estos tiempos de necesidad de mayor eficiencia energética y menor contaminación. Desde el punto de vista termodinámico el ciclo de un motor Stirling consta de dos procesos isocóricos y de dos isotérmicos. Reysond Renato La Chira Martínez 9 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II Reysond Renato La Chira Martínez 10 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II El ciclo del motor Stirling está compuesto por dos evoluciones a Volumen constante y dos evoluciones isotérmicas, una a Tc y la segunda a Tf. 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 viceversa 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 sigue: Reysond Renato La Chira Martínez 11 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II 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. 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. Reysond Renato La Chira Martínez 12 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II El área del ciclo real es inferior al del teórico.  Rendimiento del motor Stirling: El motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, lo cual le permite, teóricamente, alcanzar el límite máximo de rendimiento, que es a lo máximo que puede llega r un motor térmico. Tf η = 1− Tc El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido. W η= Qc Reysond Renato La Chira Martínez 13 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II El calor absorbido es Qc. El rendimiento térmico del ciclo será: Procederemos a analizar cada etapa, hallaremos en W y el calor en cada una de ellas: Datos a utilizar: V1=V4, V2=V3 T1=T2, T4=T3 - Etapa 3-4: Proceso isotérmico (temperatura constante).Calentamiento ∂U = ∂Q + ∂W ∂Q = −∂W V  Q = nRTc ln 4  V   3 V  W = nRTc ln 4  V   3 - Etapa 4-1: Proceso isocórico (volumen constante). ∂U = ∂Q + ∂W ∂U = ∂Q Q = Cv(T1 − T4 ) W =0 - Etapa 1-2: Proceso isotérmico (temperatura constante).Enfriamiento ∂U = ∂Q + ∂W ∂Q = −∂W Reysond Renato La Chira Martínez 14 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II ∂Q = −(−∂W ) = ∂W V  ∂Q = nRT f ln 2  V   1 V  ∂Q = − nRT f ln 4  V   3 V  W = − nRT f ln 4  V   3 - Etapa 2-3: Proceso isocórico (volumen constante). ∂U = ∂Q + ∂W ∂U = ∂Q ∂Q = −Cv(T1 − T4 ) ∂Q = Cv(T4 − T1 ) ∂W = 0 - Hallando el trabajo neto: Wneto V  V  Wneto = nRTc ln 4  − nRT f ln 4  + 0 + 0 V  V   3  3 V  V  Wneto = nRTc ln 4  − nRT f ln 4  V  V  - Hallando el  3  3 calor suministrado: V  Qc = nRTc ln 4  + Cv(T1 − T4 ) + Cv(T4 − T1 ) V   3 V  Qc = nRTc ln 4  V   3 - Reemplazando: W η= Qc Reysond Renato La Chira Martínez 15 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II V  V  nRTc ln 4  − nRT f ln 4  V  V  η=  3  3 V  nRTc ln 4  V   3 Tf η = 1− Tc  Aplicaciones: Inicialmente muy común, esa tecnología murió con el invento de los motores Otto y Diesel, hasta renacer al inicio del siglo XX impulsado por la compañía Philips en Holanda. La segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarrollos y solo hace 25 años volvieron a iniciar nuevas iniciativas y desarrollos. Hoy en día se utiliza motores Stirling para generar calor, para impulsar submarinos y próximamente como motores en automóviles híbridos. Sus aplicaciones son muchas. Existen pequeños motores capaces de funcionar con la temperatura de la palma de la mano y se han construido prototipos para corazones artificiales implantables. Las más cercanas al ciudadano son: • Conversión de la energía solar en eléctrica y la cogeneración, o sea, la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica. Para convertir la energía solar en energía eléctrica, se utilizan espejos concentradores o parabólicos parecidos a cuencos o platos (de ahí, el nombre de dish-stirling). En ellos, se reflejan los rayos del sol, que van a parar a un punto llamado foco del concentrador. Gracias a estos sistemas, se logran unos rendimientos solar-eléctricos del 30%, el doble que si utilizásemos el sistema convencional de paneles fotovoltaicos. Aunque, de momento, no es una tecnología competitiva desde el punto de vista económico, ofrece una gran ventaja: la generación de energía distribuida. O sea, podrían construirse minicentrales dish-Stirling adecuadas al tamaño de un pueblo o un distrito. De este modo, la generación de electricidad estaría más cerca del punto de consumo y se reducirían las pérdidas ocasionadas en el transporte y la distribución de electricidad. Reysond Renato La Chira Martínez 16 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II Otra de las aplicaciones del motor de ciclo Stirling es la cogeneración, la producción simultánea de energía eléctrica y térmica. ¿Cómo se consigue? El motor mueve un generador para producir electricidad y entrega simultáneamente agua de refrigeración que, a una temperatura de unos 60 grados centígrados, puede ser aprovechada como energía térmica. En España, en la Plataforma Solar de Almería, se ha construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento. • Submarinos, el motor stirling es la base de la propulsión de algunos motores pues permite recargar las baterías a altas profundidades, al contrario que el motor diesel, que exige subir a altura de periscopio para realizar esta operación. Reysond Renato La Chira Martínez 17 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II En aparatos de alta tecnología tiene utilidad. La marina sueca ha instalado motores Stirling en varios de sus submarinos. Kawasaki realiza investigaciones sobre este tema para la marina japonés. Otro campo abierto es la generación de energía cerca del punto de consumo, es decir, podrían producirse minicentrales adecuadas a un pueblo o distrito. De este modo la generación de electricidad se adaptaría al consumo de la zona y se evitarían las pérdidas ocasionadas como consecuencia del transporte y redes de distribución en largas distancias. • Yates, existe un tipo especifico de motor stirling que es especialmente diseñado para yates. • Enfriadoras, una de las características del motor stirling es que es un ingenio reversible, es decir, se puede usar como motor aplicándole calor en forma que genere movimiento, o puede ser usado como maquina, consiguiendo producir frió y calor cuando se le aplica movimiento mecánico mediante un motor exterior. Si se diseña de manera correcta este motor, puede alcanzar temperaturas de -10ο K , y se usan en aparatos de alta tecnología • El motor Stirling es excelente para aplicaciones de refrigeración, de hecho es una de la máquinas que permite alcanzar temperaturas criogénicas. • Vehículos, los vehículos híbridos son señalados por muchas voces hoy en día como los medios de transporte que ocuparemos a mediano plazo en especial en las grandes ciudades. Esto principalmente debido a las bajas emisiones de contaminantes y a la elevada economía de combustible que se obtiene con esta tecnología. Los HEV (hybrid electric vehicle) son autos provistos de un motor de combustión y otro eléctrico, y se pueden clasificar en dos categorías: en serie y en paralelo. o HEV en serie: El motor de combustión es ocupado como un generador de electricidad para mover el motor eléctrico, que es el que finalmente provee la potencia para propulsar el vehículo. Este sistema se utiliza intercalando una batería entre los dos motores, de manera de ocupar el motor de combustión en recargarla cuando sea necesario, existiendo también la posibilidad de hacer esto último enchufándola a alguna fuente (como la casa del propietario del vehículo). Reysond Renato La Chira Martínez 18 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II La energía proveniente del combustible mueve el motor de explosión. Este entrega energía para almacenarla en la batería. Desde ésta, la energía viaja a un motor eléctrico encargado de mover las ruedas. o HEV en paralelo: Tanto el motor de combustión como el eléctrico proveen la potencia para la propulsión del vehículo. Así, si el vehículo se encuentra en ciudad, puede funcionar accionado solamente por el motor eléctrico (sin emitir contaminantes), y utilizar como apoyo el motor de combustión cuando se requiera una potencia elevada, como al realizar un adelantamiento o hacer un viaje cargado. La energía del combustible mueve el motor de combustión. La potencia para mover las ruedas viene de dos fuentes: el motor de combustión a través de la transmisión y/o el motor eléctrico (con su dispositivo para almacenar energía)  Ventajas: • Su elevado rendimiento, ya que el motor Stirling puede potencialmente alcanzar el rendimiento ideal de Carnot. • Posee una baja cantidad de elementos móviles, sobre todo en comparación con los motores de combustión interna, lo que permite pérdidas de rendimiento por fricción muy bajas. • El hecho que el ciclo en la realidad sea cerrado hace que potencialmente se puedan obtener niveles muy bajos de emisiones. • Dado que es un motor de combustión externa el proceso de combustión se puede controlar muy bien, con lo que se reducen las emisiones. • Como intercambia calor con el exterior, se pueden utilizar una gran cantidad de fuentes de calor, como por ejemplo energía nuclear, energía solar y combustibles fósiles, entre otras. • El bajo nivel de ruido y la ausencia de vibraciones con que opera.  Desventajas: • Baja densidad de potencia debido a la combustión externa, lo que condiciona su tamaño. • Dificultad en la construcción del motor para sellar el fluido de trabajo durante toda la vida útil, lo que eleva su costo. • Falta de experiencia en la construcción de este tipo de motores en el rubro automotriz. Reysond Renato La Chira Martínez 19 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II • Como el fluido de trabajo es gaseoso, esto acarrea dificultades operativas, con lo que los fluidos realmente viables debido a sus buenas propiedades termodinámicas son el helio y el hidrógeno. • Lento tiempo de respuesta. • Se requieren grandes superficies de intercambios de calor, lo que hace aumentar desmesuradamente su tamaño en comparación con los motores de combustión interna. • Largo tiempo de encendido y apagado del motor.  Galería de fotos del Motor Stirling: Aquí van una serie de fotos de motores Stirling, desde los mas antiguos hasta los mas nuevos. Ahora veamos un motor stirling en uso actual, y por fines educativos de direfentes acercamientos: Reysond Renato La Chira Martínez 20 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II  Conclusiones: • Es un motor de combustión externa. • El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas. • Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante) • El regenerador tiene la función de recuperar parte de la energía que se cede en uno de los procesos isócoro donde se enfría el gas de trabajo para aportarlo de nuevo en el proceso isócoro restante. • Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior. • El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot. Reysond Renato La Chira Martínez 21 E.A.P. Ing. Química
    • Tema: Motor Stirling Fisicoquímica II  Bibliografía:  http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling  http://www.alpoma.net/tecob/?p=390  http://news.soliclima.com/modules.php? name=Content&pa=showpage&pid=86  http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm  http://www.fayerwayer.com/2007/08/hagalo-usted-mismo-motor- stirling-que-funciona-con-tu-cafe/  http://www.howstuffworks.com/stirling-engine2.htm  http://perso.gratisweb.com/andressanzol/Historia.htm  Video: http://www.youtube.com/watch?v=76eneqAO9RA Reysond Renato La Chira Martínez 22 E.A.P. Ing. Química