Analisis del Objeto Motor Stirling PDF

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL DE RESISTENCIA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA III

Análisis Tecnológico del Objeto: Motor Stirling

Profesores:

Menéndez, Miguel Sánchez, Jorge Horacio

ALUMNO: Legajo: Fecha:

Echavarría, Matías Andrés 22867 27/04/2021

Análisis del Objeto: Motor Stirling

Echavarría, Matías Andrés

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Í ndice: 1. Analisis morfológico 1.1. Conjunto motor Stirling 1.2. Partes del motor 1.3. Plano explosión del motor Stirling 1.4. Despiece del conjunto motor Stirling 1.4.1.Cilindro calentamiento 1.4.2.Soporte cilindro 1.4.3.Junta 1.4.4.Varilla 1.4.5.Tapa depósito de aceite 1.4.6.Depósito aceite 1.4.7.Guía aceite 1.4.8.Cilindro refrigeración 1.4.9.Base cilindro desplazador 1.4.10. Cabeza cilindro desplazador 1.4.11. Cilindro desplazador 1.4.12. Pistón 1.4.13. Eje biela 1.4.14. Guía pistón 1.4.15. Viga 2 1.4.16. Viga 1 1.4.17. Biela 1.4.18. Muñequilla 1.4.19. Contrapeso 1.4.20. Cigüeñal 1.4.21. Engranaje 1.4.22. Volante 1.4.23. Árbol 2 1.4.24. Árbol 1 1.4.25. Brida de rodamiento 1.4.26. Base 1.4.27. Soporte cigüeñal 2. Analisís Tecnico: 2.1. Piezas que componen el objeto 2.2. Otros objetos que cumplen la misma función 2.3. Principio físico del motor Stirling 2.4. Proceso de fabricación de un motor Stirling casero 2.5. Fabricantes y/o proveedores de motores Stirling: Análisis del Objeto: Motor Stirling

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4 4 5 7 8 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 35 36 36 36 37 Leg: 22867

3 3. Análisis funcional 3.1. Principio físico 3.2. Aplicaciones del motor Stirling 4. Analisis Socio-economico 4.1. Evolución histórica 4.2. Ventajas del motor Stirling: 4.3. Desventajas del motor Stirling 4.4. Lugares donde se comercializa 4.5. Precio aproximado 5. Bibliografía

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1. A ná l isis Morfolo gico: 1.1. Conjunto motor Stirling

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5 1.2. Partes del Motor:

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7 1.3. Plano explosión del motor Stirling

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8 1.4. Despiece del conjunto motor Stirling: 1.4.1. Cilindro calentamiento

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1.4.2. Soporte cilindro

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10 1.4.3 Junta

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1.4.4 Varilla

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1.4.5 Tapa depósito de aceite

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13 1.4.6 Depósito aceite

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14 1.4.7 Guía aceite

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15 1.4.8 Cilindro refrigeración

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16 1.4.9 Base cilindro desplazador

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17 1.4.10 Cabeza cilindro desplazador

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18 1.4.11 Cilindro desplazador

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19 1.4.12 Pistón

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20 1.4.13 Eje biela

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21 1.4.14 Guía pistón

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22 1.4.15 Viga 2

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23 1.4.16 Viga 1

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24 1.4.17 Biela

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25 1.4.18 Muñequilla

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26 1.4.19 Contrapeso

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27 1.4.20 Cigüeñal

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28 1.4.21 Engranaje

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29 1.4.22 Volante

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30 1.4.23 Árbol 2

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31 1.4.24 Árbol 1

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32 1.4.25 Brida de rodamiento

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33 1.4.26 Base

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34 1.4.27 Soporte cigüeñal

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2. A nálisí s Tecnico : 2.1 Piezas que componen el objeto Cantidad 4 4 6 4 2 1 1 5 2 4 2 2 8 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 4 2 2 2 2 1 1 1 2 1

Norma/N° de plano MR84 618/8 3,2 DIN 6799 M4x12 DIN 7991 16×1 DIN 472 M5 DIN 934 M2 x 5 DIN 913 M3 x 5 DIN 913 M3 x 16 DIN 912 M3 x 12 DIN 912 M2 x 3 DIN 912 M4 x 12 DIN 912 M3 x 10 DIN 912 M3 x 6 DIN 912 3.27 3.26 3.25 3.24 3.23 3.22 3.21 3.20 3.19 3.18 3.17 3.16 3.15 3.14 3.13 3.12 3.11 3.10 3.09 3.08 3.07 3.06 3.05 3.04 3.03 3.02

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Denominación Rodamientos rígidos de bolas Rodamientos rígidos de bolas Anillo de seguridad Tornillos Anillo de seguridad Tuerca Tornillo Tornillo Tornillo Tornillo Tornillo Tornillo Tornillo Tornillo Cilindro calentamiento Soporte cilindro Junta Varilla Tapa deposito aceite Deposito aceite Guia aceite Cilindro refrigeración Base cilindro desplazador Cabeza cilindro desplazador Cilindro desplazador Piston Eje biela Guia piston Viga 2 Viga 1 Biela Muñequilla Contrapeso Cigüeñal Engranaje Volante Arbol 2 Arbol 1 Brida de rodamiento Base Echavarría, Matías Andrés

Elemento 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2

Material Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Acero Aluminio Plastico Aluminio Alumino Aluminio Acero Bronce Aluminio Aluminio Aluminio Aluminio Acero Acero Aluminio Alumino Alumino Acero Acero Aluminio Bronce Aluminio Acero Acero Aluminio Aluminio Leg: 22867

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3.01

Soporte cigüeñal

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Aluminio

2.2 Otros objetos que cumplen la misma función: Motor de 4 Tiempos, Motor 2 Tiempos, Motor Boxer, Motor Boxer Diesel, Motor Diesel, Cámara de combustión de motor de Ciclo Otto y cualquier otro tipo de motor que entregue movimiento 2.3 Principio físico del motor Stirling: Su movimiento obedece a las diferencias de presión de aire, entre la porción mas caliente y la fría. El mecanismo central de un Stirling consiste de dos pistones/cilindros, uno para disipar calor y desplazar 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. 2.4 Proceso de fabricación de un motor Starling casero: Materiales necesarios para hacer un motor Stirling casero 1 tuerca; 1 tornillo; 1 arandela; 3 latas de refresco vacías; 1 codo de PVC; 1 globo; 1 CD; Hilo de nilón; Alambre galvanizado Herramientas necesarias Destornillador; Alicates Cómo hacer un motor Stirling casero 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

8. 9. 10.

Cortar la parte superior de las tres latas. Agujerear una lata justo en el centro de su base. Agujerear otra lata por el lateral donde se colocará el codo de PVC. Con la tercera lata, fabricar un pistón que debe desplazarse libremente por el interior de la lata que tiene el tubo de PVC. Construir un cigüeñal con el alambre galvanizado. La lata con el agujero en su base deberá tener también dos agujeros en sus extremos enfrentados, donde se colocará el cigüeñal. Colocar la lata donde se encuentra el pistón, debajo de la lata donde se encuentra el cigüeñal, uniendo estos dos elementos con el hilo de nilón pasándolo justo por el agujero de la base. Pegar las dos latas. Agujerear el globo con el tornillo y fijarlo al mismo con la arandela y la tuerca. Colocar el globo en el codo de PVC. Unir con el alambre galvanizado el tornillo que sale del globo y un extremo del cigüeñal. Colocar el CD en el otro extremo del cigüeñal.

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2.5 Fabricantes y/o proveedores de motores Stirling: 1. Gütte-Feinwerktechnik Inh. Sven Gütte  www.stirlingshop.de  16837 Luhme, Alemania 2. Wilhelm Schröder GmbH & Co. KG, Metallwarenfabrik  www.wilesco.de 3. Lloyd Dynamowerke   4. 

www.ldw.de 28207 Bremen, Alemania WITTENSTEIN www.wittenstein.de

 5.   6.   7.

97999 Igersheim, Alemania ElringKlinger www.elringklinger.de 72581 Dettingen an der Erms, Alemania F. Undütsch www.unduetsch.de 28207 Bremen, Alemania Leroy Somer

  8. 

www.leroysomer.com 60489 Frankfurt am Main, Alemania Parkem www.parkem.ch

 9.   10.

5405 Baden-Dättwil, Suiza VEM SACHSENWERK www.vem-group.com 01257 Dresde, Alemania Württembergische Elektromotoren

  11.   12.  

www.weg-antriebe.de 72336 Balingen, Alemania capricorn AUTOMOTIVE www.capricorngroup.net 40221 Düsseldorf, Alemania CAR Technology www.car-t.de 50858 Cologne, Alemania

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3. A ná l isis funcion ál: 3.1 Principio físico: Ciclo termodinámico El motor Stirling es una máquina térmica que está basada en el ciclo termodinámico Stirling. Este motor funciona a partir de un ciclo cerrado de un gas. Típicamente los fluidos utilizados son el aire, helio e hidrogeno. En el motor se generan dos focos, el frio y el caliente. El foco caliente se encarga de subir la temperatura y la presión, luego este gas caliente y a presión se pasa al foco frio. En el foco frio se aprovecha la presión generada en el desplazador para generar potencia, la consecuencia es una bajada de la presión. Como tenemos que calentar de nuevo el gas para subir la presión el gas también se enfría para volverlo a calentar. Una vez se ha aprovechado la presión, el gas se envía al desplazador de nuevo.

Ciclo de potencia Stirling. En la anterior imagen representa el ciclo Stirling. Las diferentes fases del ciclo se dividen en: 1-2 Expansión a temperatura constante donde una fuente de calor entrega calor al sistema. 2-3 Enfriamiento a volumen constante donde se entrega calor al regenerador. 3-4 Compresión a temperatura constate donde se cede calor al foco frio. 4-1 Calentamiento volumen constante donde el regenerador entrega el calor extraído en 2-3. El regenerador es la región que almacena la energía térmica con la que fluido interactúan intercambiando calor. La forma constructiva de este elemento puede asociarse a la estructura de un catalizador de coche como el que se observa en la siguiente imagen.

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Catalizador para vehículos. Como muestra la imagen este es el ciclo Stirling y los diferentes estados en los que se encuentra el gas.

Cambios de estado del ciclo Stirling. A continuación, se explicará el funcionamiento de un motor Stirling tipo Alfa, donde se utilizarán imágenes para entender con facilidad que es lo que está sucediendo en cada cuarto de vuelta. Por otra parte, los estados que se explicaran son los que muestra la imagen anterior. El primer estado, es la fase de precalentamiento. En esta posición es conveniente tener toda la cámara del pistón desplazador disponible. De este modo se calienta una mayor masa de aire. Una vez calentado el aire a una temperatura que nos permita desarrollar el ciclo Stirling, se acciona el motor de arranque. El giro provocado por el motor de arranque, hace que el aire caliente que ha aumentado su presión se desplace a la cámara del pistón de potencia.

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Posición de optimo precalentamiento. El segundo estado corresponde el aire que hay en el desplazador, se desplaza al pistón de potencia. De esta forma, se aprovecha la presión del gas para generar potencia haciendo desplazar el pistón hacia abajo.

Aire que pasa de zona 1 a zona 2. La tercera etapa es cuando el gas está en la cámara del pistón de potencia, donde se ha aprovechado la presión del fluido. Además, en este punto el fluido también ha perdido temperatura porque cede calor al exterior.

Todo el gas está en la zona 2. En la cuarta etapa, la que cierra el ciclo, se impulsa el gas frio y con menor presión hacia la cámara del pistón desplazador. De este modo se cierra el ciclo ya que el gas está otra vez al estado

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41 primero, pero en este caso como el gas ya tiene cierta temperatura mayor que la de inicio por lo que el tiempo en el que está en el foco caliente es menor.

Todo el aire está en zona 1. Para ver las diferentes formas de funcionamiento del ciclo Stirling se va a estudiar como una máquina térmica. Hay tres tipos de máquinas térmicas: Tienes un foco caliente y un foco frio conectados y en la conexión ponemos una máquina térmica que permita aprovechar esta inercia del sistema (el calor fluye desde el foco caliente al frio) y generar un trabajo. Este funcionamiento implica que no podemos transformar toda la potencia calorífica en potencia mecánica, porque necesitamos un foco frio que nos genere la inercia de funcionamiento. La otra aplicación puede ser como bomba de calor. Extraer calor de un foco frio para entregarlo a un foco caliente, como el flujo de calor es a la inversa de lo que haría el fluido por sí mismo, tenemos que aportar energía a este fluido. Utilizando el mismo principio de funcionamiento que una bomba de calor, pero el objetivo es bajar la temperatura en el foco frio.

Esquemas de funcionamiento máquinas térmicas. Análisis del Objeto: Motor Stirling

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42 El rendimiento del motor Stirling puede sacarse a partir de las fórmulas que se deducen para el ciclo de Carnot ya que ambos son ciclos reversibles. (1) El motor Stirling es uno de los ciclos termodinámicos que más se acerca al máximo rendimiento de Carnot, aunque en la realidad el rozamiento del fluido con todos los elementos y las irreversibilidades de los procesos, hacen que el rendimiento decaiga en la realidad. La limitación de este tipo de motor es que trabaja mejor a unas velocidades bajas. Esto se debe al efecto de calentar y enfriar el fluido de trabajo. Si el gas pasa muy rápido por los focos frio y caliente, apenas hay intercambio y decae el rendimiento, ya que no funciona en un régimen que le permita hacer bien las transferencias de calor. Recordando que la transferencia de calor es un proceso lento en este tipo máquina. Otro factor que afecta al rendimiento de estas máquinas son los volúmenes muertos que hay en sistema. Un volumen muerto, no genera potencia y no pasa por todos los estados del ciclo. Si suponemos un sistema ideal sin volúmenes muertos, en el que se entrega una cantidad de calor, se obtiene una potencia y se extrae otra cantidad de energía calorífica determinada. Si añadimos los volúmenes muertos a este sistema y se fija el calor de entrada y de salida como en el ejemplo anterior, la potencia que entregará el fluido será menor. Aunque haya más masa en el sistema, como esta no realiza todo el ciclo, se pierde energía manteniendo frio o caliente el gas. La mejora para estos motores sería disminuir al mínimo estos volúmenes muertos. Pero a su vez son necesarios para el buen funcionamiento del sistema. Estos permiten que no haya colisiones entre los distintos elementos que conforman el sistema, incluso se utilizan para mejorar el funcionamiento de un sistema. Si en este volumen muerto se aprovecha a instalar un regenerador, hará que la potencia calorífica disminuya. 3.2 Aplicaciones del motor Stirling:  Conversión de energía solar en eléctrica, gracias a la construcción de mini centrales dishStirling.  Con fines de refrigeración.  Para propulsar motores de submarinos o como generadores auxiliares de energía para yates.

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4. A nálisis Socio-economico: 4.1 Evolución histórica En la revolución industrial surgen las primeras máquinas que permiten realizar trabajos que antes eran impensables o que requerían mucho tiempo. La máquina que revoluciono la historia fue la máquina de vapor que permitió dar movimiento a locomotoras, barcos y proporcionar energía a la industria. Los inconvenientes de esta tecnología eran que se tenía que controlar la presión de las calderas por peligro de explosión, además de no ser una máquina compacta como un motor de combustión interna. El motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling. El motivo de su creación era rivalizar al motor de vapor. Como no podía superar al motor de vapor en el ámbito industrial, se utilizó para uso doméstico. Las características de este motor son su eficiencia, si tiene integrado un regenerador y su versatilidad para suministrarle calor. Por otra parte, como utilizaba aire a presión atmosférica, era mucho más seguro que la máquina de vapor que trabaja con presiones más altas a la atmosférica. Se llegó a investigar mucho sobre el motor Stirling y mejorarlo, pero con la aparición de los motores de combustión interna, este motor se quedó en desuso, porque no son compactos y no son capaces de entregar mucha potencia. Por otra parte, también se comenzó a distribuir energía eléctrica lo que hace que pierda competi...