Motor Stirling Informe (proyecto final) PDF

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El acceso a la energía es esencial para el desarrollo del país y las diferentes actividades cotidianas. Por lo cual, el proyecto ha sido desarrollado para explicar y analizar la “Importancia y el funcionamiento del Motor Stirling” (generador de energía usable con diversas fuentes), con el fin de dem...

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"Año del Bicentenario del Perú: 200 años de Independencia"

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

LA IMPORTANCIA Y EL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING CALCULO APLICADO A LA FÍSICA 3

DOCENTE:

Ramos Torres, John Jerson SECCION: 13221

INTEGRANTES:          

Amaro Ramos, Joan Sebastian Angulo Galarreta, Estrella Corazon Blas Diaz, Ingrid Nicole Cardenas Perez, Jose Alberto Carrasco Chavez, Enzon Abeth Cosme Vale, César Diaz Zegarra, Luis Gerardo Espinoza Huarcaya, Brigitte Espinoza Maury, Veronica Brenda Espinoza Ponte, Marinela

Agosto - 2021

CALCULO APLICADO A LA FÍSICA 3

LA IMPORTANCIA Y EL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING Joan Amaro R. (1), Estrella Angulo G. (2), Ingrid Blas D. (3), José Cárdenas P. (4), Enzon Carrasco C. (5), César Cosme V. (6), Luis Diaz Z. (7), Brigitte Espinoza H. (8), Veronica Espinoza M. (9), Marinela Espinoza P. (10). (1)

Estudiante de 4° ciclo de Ingeniería Civil, UTP, (2) Estudiante de 4° ciclo de Ingeniería Civil, UTP, (3) Estudiante de 5° ciclo de Ingeniería Industrial, UTP, (4) Estudiante del 4⁰ ciclo de Ingeniería Civil, UTP, (5) Estudiantes de 4° ciclo de Ingeniería Civil, UTP, (6) Estudiantes de 4° ciclo de Ingeniería Industrial, UTP. (7) Estudiante del 4° ciclo de Ingeniería Civil, UTP, (8) Estudiantes de 4° ciclo de Ingeniería Industrial, UTP, (9) Estudiante de 4° ciclo de Ingeniería Industrial, UTP, (10) Estudiante de 4° ciclo de Ingeniería Industrial, UTP.

Palabras claves:

Motor Stirling: Motor térmico que genera energía a través de la compresión y expansión cíclica de un gas. Cambios climáticos: Es un cambio de clima atribuido directamente o indirectamente a la actividad humana. Combustión: Es toda reacción química exotérmica de un material con un gas. Temperatura: Grado o nivel térmico de un cuerpo o atmosfera. Termodinámica: Rama de la física que estudia las transformaciones de la energía. Energía: Capacidad de los cuerpos para efectuar un trabajo. Medio ambiente: espacio en el que se desarrolla la vida de los organismos y que permite su interacción. Contaminación: Ingreso de sustancias químicas nocivas en un entorno determinado.

CALCULO APLICADO A LA FÍSICA 3

1. Resumen El acceso a la energía es esencial para el desarrollo del país y las diferentes actividades cotidianas. Por lo cual, el proyecto ha sido desarrollado para explicar y analizar la “Importancia y el funcionamiento del Motor Stirling” (generador de energía usable con diversas fuentes), con el fin de demostrar sus utilidades y ventajas a comparación de otros motores. Por otra parte, explicaremos los tipos de motor Stirling. Además, analizaremos diversas teorías que comprende la termodinámica. Asimismo, con ayuda de un simulador, experimentaremos su funcionamiento. Concluyendo, el motor Stirling es muy eficiente para un uso limitado con poco rendimiento; y una buena alternativa para reducir la contaminación del ecosistema.

2. Introducción

En la actualidad, en todas partes del mundo existen diversas clases de industrias, más aún en los países desarrollados, que con el pasar de los años, estas industrias han ido evolucionando y han traído consigo los motores de combustión interna, desencadenando cambios climáticos a nivel mundial generando una ola de desastres naturales. Uno de los principales causantes, es la alta emisión de CO2 a la atmosfera, proveniente principalmente de la combustión del petróleo, generando el calentamiento global en las últimas décadas por la destrucción de la capa de ozono.

Debido a que el mundo se encuentra en una crisis ambiental, hemos decidido analizar el funcionamiento del motor Stirling, el cual es una maquina térmica de ciclo cerrado con bajos niveles de ruido y emisiones toxicas. Este aparato fue inventado en 1816 por el reverendo Robert Stirling. Para su funcionamiento, este motor necesita que se le dé una fuente de energía calorífica, proveniente de la energía solar, energía de fuentes geotermales, nuclear u otras, desde la parte externa para así iniciar un ciclo de movimiento en un pistón. Este aprovechamiento de energía del pistón es el principio termodinámico de este mecanismo. Es más, gracias a su tecnología lo hace muy fiable, versátil, duradero y extremadamente fácil de mantener.

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Durante muchos años se redujo a aplicaciones domésticas como, por ejemplo, en la ciudad de California se usó el motor Stirling como generador de energía, aplicándole como fuente energía solar, o también como una bomba de calor el cual fue usado por la empresa Philips en la década de 1930 llegando a ser utilizado como calefacción y aire acondicionado. Hoy en día el motor Stirling se emplea con fines de refrigeración, para propulsar motores de submarinos o como generadores auxiliares de energía para yates, ya que no presenta emisiones de gases ni derrame de combustibles, trayendo muchas ventajas al medio ambiente; alta eficiencia, bajo nivel de ruidos y emisiones tóxicas. Sin embargo, la potencia de este es inferior y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas lo cual su aplicación es limitada a comparación del motor de combustión interna, por lo que su eficiencia estaría comprendida en sistemas que requieran poca energía para su funcionamiento como los sistemas de iluminación en zonas rurales, entre otras. En base a ello, en equipo nos centraremos en explicar los fundamentos teóricos del motor Stirling necesarios para su funcionamiento y las aplicaciones que se le puede dar para poder preservar el medio ambiente.

2.1 Descripción del proyecto Para llevar adelante nuestro proyecto se realizaron los siguientes pasos: Paso N°1: Organización del grupo para elegir el nombre del proyecto Mediante la aplicación “WhatsApp” el grupo conformado por 10 integrantes, se coordinó que cada uno proponga un tema a desarrollar y mediante un análisis, en una reunión en zoom se eligió democráticamente “La importancia y el funcionamiento del motor Stirling”. Paso N°2: Investigación del tema a desarrollar Se indagó a profundidad sobre la historia y el funcionamiento del motor Stirling. Mediante proyectos, artículos, libros, videos, etc. Los cuales fueron base para el desarrollo de una breve introducción de dicho tema. En donde damos a conocer sobre una energía más limpia y a la vez amigable con el medio ambiente resaltando así su importancia. Paso N°3: Debate del desarrollo del proyecto “maqueta o simulador”

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Se realizó una breve reunión para decidir si se realizara el proyecto en una maqueta o por medio de un simulador. Debido a la coyuntura actual, que nos impide reunirnos para el desarrollo de dicha maqueta y la falta de presupuesto, decidimos realizar el proyecto mediante un simulador. Paso N°4: Objetivos Buscamos resaltar la importancia del motor Stirling para con el medio ambiente. Por ello, proponemos ideas que estén relacionados con el funcionamiento, características, ventajas y desventajas de dicho motor térmico. Sin dejar de lado los conceptos básicos de la termodinámica. Paso N°5: Organización del proyecto En el informe se desarrollará detalladamente los objetivos planteados. Paso N°6: Análisis de los resultados obtenidos. Se expondrán los resultados obtenidos del simulador, así como también los pasos que se observan. Además, se mencionarán las variables, se realizará los cálculos y resultados. Paso N°7: Culminación del informe Se mostrarán las conclusiones, observaciones y recomendaciones del proyecto. Paso N°8: Recopilación e información adicional. En esta última etapa, organizaremos las fuentes utilizadas en el transcurso del proyecto, las cuales están citadas correctamente. Además, se colocará información adicional del motor Stirling en anexos.

2.2 Objetivos 2.2.1 Generales -

Explicar el funcionamiento del motor Stirling analizando los principios de la termodinámica que intervienen en es esta.

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Analizar los tipos de motores Stirling y hacer una comparación con los motores clásicos, con respecto al impacto en el medio ambiente

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2.2.2 Específicos -

Comparar el impacto de los motores de combustión interna con los motores térmicos en el medio ambiente.

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Estudiar los diferentes tipos de motores Stirling para entender su funcionamiento e identificar las diferencias de su desempeño.

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Describir las ventajas y desventajas del motor Stirling y sus principales características.

-

Determinar el rendimiento termodinámico del ciclo (n), y la potencia mecánica (Pm), entregada al eje del motor.

2.3 Alcances y limitaciones 

Alcances -

A través del uso del internet se logró obtener los modelos y la información para entender el funcionamiento del motor Stirling.

-

Se recomienda de un simulador del motor Stirling ya que su manejo es simple y deductivo, nos permite experimentar su funcionamiento físico con mayor detalle.

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La facilidad del uso de fuentes confiables como tesis, artículos, libros, entre otros. Permitió obtener información referida a lo largo del proyecto.

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La realización del trabajo de manera virtual es eficaz, a pesar del cruce de horarios nos estamos organizando por medio de WhatsApp y zoom.



Limitaciones -

Dada la coyuntura actual generada por la Covid-19, la cual nos impide reunirnos presencialmente para el desarrollo del proyecto.

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-

Los integrantes del grupo viven en zonas lejanas, por lo cual, nos es difícil juntarnos para elaborar la maqueta del proyecto.

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El costo de materiales para un prototipo del motor Stirling es elevado. Por ende, no podemos dar el cargo a uno de los integrantes para su elaboración.

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Los horarios de los integrantes no coinciden, debido a que la mayoría trabaja o están en clase.

3. METODOLOGÍA 3.1. Marco teórico Motores en el medio ambiente. Para comparar dos motores que funcionan con diferentes fuentes debemos hallar temas en común, elementos que afectan directamente a nuestro medio ambiente ya sea a corto, mediano o largo plazo. En base a ello, tenemos dos temas en específico a tratar, gases emitidos y el material particulado. Motor a combustión -

Gases emitidos

Ya sea con cualquier tipo de combustible (Diesel o aceite vegetal) la emanación de gases no es nula, entre ellos tenemos; óxido de nitrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono, siendo los más dañinos para la salud y el medio ambiente. -

Material particulado

A causa del oxígeno emitido por los motores y el desgaste que pueden tener por dicha combustión, estas partículas son transportadas a su alrededor, provocando daños al ser humano y al medio ambiente en el corto plazo (hollín) y largo plazo (azufre). Motor térmico -

Gases emitidos

No podemos evitar que este motor funcione mejor con otro sistema de acompañamiento como son la energía solar (el mejor de los casos) o con energía fósil (motor a combustión) esto para aumentar su rendimiento, aun así, los gases son notablemente mucho menores con un motor a combustión sin derivados.

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-

Material particulado

En este caso el material particulado es menor pero no hay tanta diferencia, sin embargo, lo que es beneficioso es que el motor no emana gases directamente así que estas partículas no se esparcen, resultando ser un problema ínfimo. Ante lo expuesto, el proceso cíclico cerrado del motor de Stirling, es mayormente usado con los gases de aire, helio o dioxígeno, se utiliza energía en forma de calor de una fuente externa para la contracción y expansión de estos gases por lo que no son emitidos al medio ambiente en forma de impurezas. Por lo que estos motores como el de Stirling al no usar una fuente de calor interna, es posible construir dichos motores que aprovechen la energía externa proveniente de paneles solares o la hidroeléctrica. Ventajas del motor Stirling Al ser una máquina con proceso de ciclo cerrado se obtiene bajos niveles de emisiones, además, a diferencia de otros motores, el motor Stirling presenta bajo niveles de ruido y vibraciones. Del mismo modo se puede utilizar diferentes fuentes de energías accesibles tales como la energía solar, la geotermia y la biomasa generando su uso en la calefacción, electricidad y sistemas de refrigeración provocando así que su uso pueda ser desde el uso doméstico, granjas y pequeñas empresas de industria. Desventajas del motor Stirling El motor Stirling es mucho más costoso de producir que un motor de combustión interna. Asimismo, para hacer uso de este motor este debe primero de “calentarse” generando que su tiempo de encendido sea mayor. De igual manera al trabajar con intercambios de calor provoca que su tamaño aumente por ende se vuelve costosa a diferencia de los demás motores. Características del motor Stirling 

Motor de combustión externa, aunque menor potencia que los motores de combustión interna con un ciclo parecido al ciclo de Carnot.



Se pueden activar con calor, lo que representa una opción adicional para el uso de energía renovable.



Gran rendimiento por ser de un ciclo (Carnot) completamente reversible y de mantenimiento nulo.



No emite ruido y son de larga vida útil.

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Proceso del ciclo Stirling El motor Stirling ideal es un motor térmico cuya sustancia de trabajo es aire caliente y sigue cuatro procesos, dos isotérmicos y dos isocóricos entre los cuales podemos encontrar la compresión isotérmica, la absorción de calor a volumen constante, la expansión isotérmica y la cesión de calor a volumen constante.

Figura 01: SAAD, Michael. Thermodynamics principles and practice. México: Prentice Hall, 1997. capítulo 7.

Primer Proceso 1->2: Expansión isotérmica: hace referencia a un cambio de volumen y a temperatura constante en todo el sistema. En dicho proceso el pistón de compresión se separa del regenerador producto del aumento de la presión atmosférica debido al calor que entra , incrementa la capacidad del volumen encerrado, mientras el pistón de expansión se mantiene estático. (

Donde: : Variación de energía W: Trabajo : Calor que entra al sistema n: Número de moles cv: Capacidad calorífica

R: Constante de gases ideales (J/mol.k)

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Vmax: Volumen máximo (m3) Vmin: Volumen mínimo (m3)

Segundo Proceso

2->3

: Isocórico, a volumen constante se produce una transferencia de

calor del regenerador. Además, ambos pistones se mueven simultáneamente, pues el pistón de compresión se acerca más al regenerador y el de expansión se aleja. De ese modo existe una transferencia de flujo entre ambas zonas teniendo que pasar por el regenerador (quien actúa como una reserva calorífica) causando el incremento de la temperatura y la presión.

Tercer Proceso

: Se produce una expansión Isotérmica. En donde, el pistón de

3->4

expansión se aproxima al regenerador y el de compresión se mantiene estático. En este proceso se le entrega calor externo a la sustancia de trabajo, debido a que el calor sale el volumen y la presión disminuyen.

Cuarto Proceso

: Isocórico, es una transferencia de calor al regenerador a volumen

4->1

constante. Ambos pistones vuelven a moverse simultáneamente y el fluido de trabajo pasa por el regenerador transfiriendo así calor a este y reduciendo su temperatura, finalizando así el ciclo termodinámico.

Ciclo completo El ciclo de Stirling teórico trabajando con un gas ideal tiene el redimiendo de Carnot, que es el máximo rendimiento que puede tener un motor térmico.

CALCULO APLICADO A LA FÍSICA 3 

Eficiencia térmica del ciclo (n): Es la relación entre el trabajo neto y el calor suministrado.

Donde: n: Rendimiento o eficiencia Q: calor transferido (cal) Tmax: Temperatura máxima (k) Tmin: Temperatura mínima (k)



Variación de energía interna (

-

En un proceso cíclico reversible la variación de energía interna es cero.



Trabajo (W)

La potencia termodinámica (Pt) y la potencia mecánica (Pm) se calculan como producto de los trabajos correspondientes por eficiencia térmica de ciclo también llamada frecuencia de giro.

Tipos de motores Stirling Tipo Alfa

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Diseñado por Rider, en EEUU, funciona bajo el mismo principio termodinámico, se caracterizan por la ausencia de un desplazador respecto a la construcción original del motor Stirling.

Figura 2: (Motor Stirling tipo alfa, 2016) Fuente: https://www.youtube.com/watch? v=dqi1k-daC0U En base al video, se pudo observar que para el funcionamiento del motor de tipo alfa se necesita de un precalentamiento de 1 minuto. Es decir, una de las jeringas se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua. Es un motor realizado con materiales reciclables y tienen la característica de ser el más silencioso a diferencia de los otros tipos. Es más, conforme avanza el tiempo aumenta su velocidad. El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de una jeringa a otra calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor. Tipo Gamma Es un motor que presenta algunas características iguales al tipo Beta, en ambos se utiliza un desplazador, pero a diferencia del tipo Beta ambos se encuentran en distintos cilindros. De este modo, el espacio de compresión está dividido entre los dos cilindros que están unidos de forma que el calentador y el regenerador se encuentran normalmente entre ellos.

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Figura 3: (Motor Stirling Gama Casero Parte 1, 2019). Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=VJ4Iq8KwypI En este caso, el motor Stirling de tipo Gamma cuenta con idénticos sistemas con el motor beta para calentar y enfriar el gas. Aunque a diferencia de los otros tipos, el motor de tipo Gamma tiene un diseño y construcción más sencilla de realizar. Presenta una similitud con el motor de una motocicleta, ya que cuentan con dos cilindros separados. Además, en uno de ellos se ubica el desplazador y en el otro el pistón, se mueven desfasados 90 grados por el uso de un cigüeñal. Desde el punto de vista termodinámico, el tipo Gamma es menos eficaz que el modelo de tipo Beta, ya que la expansión de trabajo se realiza a menor temperatura. Tipo Beta El motor Stirling de tipo Beta corresponde al diseño original de su creador Robert Stirling, y aunque requiere de menos elementos a primera vista, puede llegar a ser más complicado de fabricar.

Figura 4: (Motor Stirling tipo Beta, 2015). Fuente: https://www.youtube.com/watch?

v=7GYh--ukyug&ab_channel=AlfredoRodrigues

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Consta de un solo cilindro que alberga tanto la zona fría como la caliente, las cuales están separadas por un émbolo que se mueve debido a la contracción y expansión del aire, causando a su vez el movimiento de aire y por consiguiente el movimiento del pistón. El émbolo y la parte interior del cilindro no deben ser de la misma medida, sino que debe existir cierto espacio para dejar pasar el aire de una zona a otra. Prototipo de un motor de Stirling casero El objetivo principal es mostrar la transformación de energía térmica en trabajo mecánico y viceversa a través de los principios termodinámicos, esta se compone de movimientos de compresión y expansión cíclica de fluidos. El cont...