Proyecto 1 Motor Stirling
-
Upload
david-riedel -
Category
Documents
-
view
268 -
download
3
Transcript of Proyecto 1 Motor Stirling
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
1/49
1
INSTITUTO TECNOLGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE LOSCABOS
Reporte #1 proyecto estructurador
MOTOR STIRLING
Atayde Serrano David Emilio Cruz Moreno Miguel
Daz Seplveda Vctor Alfonso Espinosa de Anda Ulam Alfonso Gonzales Miranda Antonio Abad
Oregn Pule Gilberto Pimienta Berrelleza David Alonso
San Jos del Cabo, Baja California Sur 28 de febrero del 2014
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
2/49
2
INDICE
INTRODUCCIN 3
TERMODINAMICA 4
MECANICA DE MATERIALES 15
ECUACIONES DIFERENCIALES QUE INTERVIENEN EN EL MOTOR CICLOSTIRLING 32
DISEO DE ELEMENTOS DE MAQUINA 35
ANALISIS Y SINTESIS DE MECANISMOS 41
ELECTRONICA ANALOGICA 46
COCNCLUSION 47
FUENTES DE CONSULTA 49
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
3/49
3
INTRODUCCIN
En este proyecto realizaremos a un motor Stirling casero aerodinmico, el cual esta
definido como una mquina la cual se encarga de convertir trabajo en calor y viceversa,
esto a travs de un ciclo termodinmico, con compresin y expansiones cclicas del fluido
del trabajo.
Una de las principales ventajas del motor Stirling es la combustin externa y no hay
explosin, y en su defecto el motor es silencioso y libre de vibraciones. Hoy en da se
utiliza estos motores para generar calor, para impulsar cosas y prximamente como motores
en automviles hbridos, existen an pocas aplicaciones comerciales y muchos proyectos de
investigacin.
Nuestro objetivo planteado es entender principalmente el funcionamiento de esta mquina,
para conocer ms a fondo sus propiedades y as poder utilizarlo en la vida cotidiana y
aplicarlo gestionando un proyecto con un fin lucrativo de economizar costos, para esto se
aplicaran diferentes teoras en su caso las leyes de la termodinmica.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
4/49
4
TERMODINAMICASe define un motor Stirling como un dispositivo que convierte trabajo en calor y viceversa,
a travs de un ciclo termodinmico regenerativo, con compresin y expansincclicas del
fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del
foco frio. Es una maquina combustin externa, puede adaptarse a cualquier fuente de
energa (combustinconvencional o mixta, por ejemplo, con biomasa y gas, energa solar),
sin que esto afecte el funcionamiento interno del motor.
El principio del funcionamiento es tan solo el calentar y enfriar un medio de trabajo, sea
aire, helio, hidrgeno o incluso un lquido.
Calentando ese medio provoca una expansin del mismo dentro del motor. El medio de
desplaza a otra parte del motor dnde es enfriado.Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo. Ese cambio de volmenes activa un
pistn de trabajo el cual ejerce el trabajo del motor.El motor es hermtico por lo que
siempre se utiliza el mismo medio en un circuito cerrado (no hay escape del medio de
trabajo)
En si se puede decir que el motor obtiene el calor necesario para el ciclo termodinmico
mediante combustin externa. El ciclo termodinmico es cerrado y regenerativo, es decir, el
fluido de trabajo siempre es el mismo, no se renueva.En motores de ciclo cerrado las fases termodinmicas se combinan unas con otras, mientras
una parte del fluido de trabajo se calienta en una parte del motor en otra se enfra. As, el
proceso termodinmico es ms difcil entender en un ciclo cerrado que en un ciclo abierto.
El ciclo consta de cuatro procesos, dos isotrmicos y dos iscoros. El primero hace
referencia a un cambio a temperatura constante en todo el sistema; y el segundo a un
proceso termodinmico en el cual el volumen permanece constante.
Los procesos isotermos son de compresin y expansin y los iscoros de adicin de calor y
cesin de calor.
Considerando un cilindro con dos pistones opuestos con un regenerador entre ambos se
definen las partes principales de un motor Stirling.El regenerador es como una esponja
trmica que absorbe y cede calor alternativamente del fluido de trabajo. El volumen entre el
regenerador y el pistn derecho es el volumen de compresin y el volumen entre el
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
5/49
5
regenerador y el pistn izquierdo es el volumen de expansin. El volumen de expansin
est encerrado por un cilindro que se encuentra a mayor temperatura que el cilindro de
compresin.Para comenzar el ciclo se asume que el pistn de compresin se encuentra en el
punto muerto cerca del regenerador. Todo el fluido de trabajo se distribuye entre el espacio
de compresin y el regenerador. El volumen presenta su mximo y la temperatura y la
presin son mnimas.
En un motor real convencional, las temperaturas de cada parte del motor varan
dependiendo delpunto del ciclo del motor. Para esta explicacin las temperaturas se
suponen constantes, siendo la mnima la del espacio de compresin,
la mxima la del espacio de expansin y una temperatura intermedia la del regenerador
.
Compresin isoterma: La compresin isoterma tiene lugar entre los estados 1 y 2, que
estn representados en los diagramas Pv y TSde la figura .1.El fluido detrabajo se reparte
entre el regenerador y el volumen de compresin. El cilindro de compresin se encuentra a
la mnima temperatura del motor. El fluido de trabajo es comprimido hasta el volumen
mnimo, mientras su temperatura permanece constante gracias a la transferencia de calor
del fluido de trabajo al cilindro de compresin o foco. Esto supone que el trabajo realizado
en la compresin del fluido es igual en magnitud que el calor transferido al foco fro.
Expansin isotrmica: El pistn de compresin se encuentra en el punto ms cercano al
regenerador y parado durante todo el proceso. El fluido de trabajo desplaza al pistn de
expansin produciendo trabajo sobre este. Como resultadoel volumen aumenta, la presin
disminuye y la temperatura se mantiene constante gracias a la transferencia de calor del
cilindro de expansin al fluido de trabajo. El trabajo realizado por el fluido sobre el pistn
es de la misma magnitud que el calor transferido. No se produce un cambio en la energainterna pero si aumenta la entropa del mismo.
Cesin de calor: se dice que a volumen constante ambos pistones se mueven con la
misma velocidad direccin y sentido. El sentido esta vez es el opuesto al proceso de
absorcin de calor. Como en el proceso de absorcin se produce una transferencia de calor
cuando el fluido de trabajo atraviesa el regenerador.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
6/49
6
Esta vez el fluido cede calor al regenerador, en consecuencia de esto disminuye la
temperatura del fluido, no se realiza trabajo sobre los pistones, y disminuye la energa
interna y la entropa. Este ciclo termodinmico est altamente idealizado. En general se
puede decir que, estos procesos consisten en dos isotermas y dos procesos de intercambio
de calor a volumenconstante reversibles termodinmicamente. Asumir dos procesos
isotrmicos implica que los intercambiadores de calortengan una eficiencia del 100% y un
tiempo infinito en la transferencia de calor hasta alcanzar el equilibrio termodinmico.Estas
dos suposiciones son inalcanzables en un motor real por lo que es ms factible utilizar este
tipo de motores ya que son ms ecolgicos.
El motor es analizado usando un modelo matemtico basado en la Primera Ley y la
Segunda Ley de la Termodinmica para procesos con velocidad finita.
La potencia neta de salida del motor Stirling ideal, es decir, sin prdidas y con
regeneracin ideal, es:
(1)
Siendo y las diferencias finitas de temperaturas entre los
focos trmicos y el gas durante los procesos de absorcin y rechazo de calor. Mientras que
la tasa de calor absorbido ser
(2)
El calor que contempla la ecuacin 2 es absorbido nicamente durante el proceso 34, pues
la regeneracin es perfecta. El trmino rcno es ms que la relacin de compresin, el cual
es dada por la razn V1/V
2para el motor sin espacio muerto, mientras que para el motor
donde se considera espacio muerto su expresin es algo ms compleja:
Y puede ser totalmente esclarecida consultando en Costea, Petrescu and Harman [1999].
El rendimiento del motor expresado en la ecuacin 1 es lgicamente el de Carnot, para un
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
7/49
7
motor que opera con una diferencia finita de temperatura con respecto a los focos trmicos,
a este rendimiento le denominaremos en lo adelante por .
Si el motor presenta regeneracin imperfecta deber absorber una cantidad adicional de
calor del foco caliente para poder producir la misma potencia neta que el motor ideal; enconsecuencia, el rendimiento total del motor ser menor y podr ser considerado como
compuesto de dos trminos, es decir:
(3)
Donde:
: Rendimiento debido a las irreversibilidades en el regenerador.
: Nueva tasa de calor absorbido por el motor, que es superior al motor ideal, y que es
dado por:
(4)
En la expresin 4 se observa que se ha adicionado un segundo trmino a la suma dentro de
las llaves, el cual corresponde al calor adicional demandado por el regenerador debido a la
irreversibilidad en la transferencia de calor en el mismo.
Por tanto, el rendimiento puede ser calculado como:
De donde se obtiene:
(5)
Luego, la potencia neta ser:
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
8/49
8
Antes de continuar, es importante dejar claro que la masa de fluido de trabajo empleado por
el motor (gas ideal) est determinada plenamente por las propiedades del gas y las
dimensiones del motor, es decir:
(6)
En el motor real, las irreversibilidades no se reducen slo a aquellas debido a la
regeneracin, sino que adems existen irreversibilidades debidas al efecto de la friccin en
el fluido de trabajo. Las irreversibilidades por la friccin se expresan en las prdidas de
presin que sufre el flujo al transitar desde la zona caliente hacia la zona fra, y a la inversa
en cada ciclo de trabajo del motor.
Por su esencia, esta irreversibilidad responde a un fenmeno totalmente diferente a las
analizadas antes y, en consecuencia, son expresadas por un rendimiento adicional.
La potencia neta entregada por el motor con friccin es inferior a la entregada por el motor
sin friccin, as:
(7)
Obsrvese que , de manera que las fuentes de irreversibilidad
quedan claramente definidas e independizadas en su evaluacin.
Puesto que:
(8)
Donde:
: Potencia consumida para vencer las prdidas de presin que ocurren en el motor
debido a la friccin.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
9/49
9
El objetivo es por tanto encontrar una forma para la estimacin de las prdidas de presin, y
con ello, un mtodo de estimar el rendimiento que considere la irreversibilidad debida a
esta causa.
El volumen desplazado en cada expansin o compresin desde un cilindro hacia el otro
ser
Y, por tanto, el flujo volumtrico es:
Retomando la potencia neta:
Y sustituyendo la masa, resulta:
Si se sustituye la potencia gastada en vencer las prdidas y la potencia neta en la expresin
8, se tiene:
(9)
Las prdidas por friccin se producen en el motor esencialmente en el regenerador, siendo
despreciables las prdidas de presin en el calentador y el enfriador del motor alcompararlas con las prdidas en el regenerador. Por esta razn, las prdidas de presin en el
motor slo consideran el estrangulamiento en el regenerador. Tales prdidas dependen de
las caractersticas constructivas del regenerador.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
10/49
10
La estimacin de dichas prdidas de presin por friccin se realiza a travs de la expresin:
(10)
El coeficiente f de acuerdo a los resultados presentados en la bibliografa consultada
[Costea, Petrescu and Harman, 1999] se toma igual a (15/k). Los
trminos ry corresponden a la densidad y la velocidad del fluido a travs del regenerador.
La densidad del fluido en el regenerador es calculada para los valores medios de la presin
y la temperatura en el regenerador.
La velocidad en el regenerador puede ser determinada a partir de la velocidad media del
pistn del motor aplicando la expresin de continuidad, obteniendo:
(11)
En la expresin, el subndice p responde a los datos del pistn y, como se observa, la
velocidad en el regenerador es prcticamente proporcional a la velocidad media del
pistn.
Finalmente debe ser establecido que la velocidad media del pistn est determinada por las
revoluciones del motor y la carrera del pistn, es decir:
Cp = 2nL
Donde:
L: Longitud de la carrera.
Con las expresiones desarrolladas puede evaluarse el conjunto de prdidas e
irreversibilidades que tienen lugar en el motor.
Se puede decir que el ciclo de un motor Stirling es un ejemplo, como elciclo de Carnot de
ciclo completamente reversible y que por tanto alcanza el mximo rendimiento que permite
elSegundo Principio de la Termodinmica.
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Carnothttp://laplace.us.es/wiki/index.php/Segundo_Principio_de_la_Termodin%C3%A1micahttp://laplace.us.es/wiki/index.php/Segundo_Principio_de_la_Termodin%C3%A1micahttp://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Carnot -
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
11/49
11
Se trata de un ciclo altamente ideal cuya realizacin prctica, incluso en forma aproximada
entraa serias dificultades. No obstante, en los ltimos aos ha adquirido relevancia con el
desarrollo de motores de Stirling, que funcionan de manera aproximada segn este ciclo.
Un ciclo de Stirling ideal se compone de cuatro procesos reversibles:
Compresin isoterma AB
El gas se comprime desde un volumen inicial VA hasta uno final VB, inferior,
manteniendo su temperatura constante en un valor T1 (a base de enfriar el gas de
forma continuada).
Calentamiento a volumen constante BC
El gas se calienta desde la temperatura T1a la temperatura T2manteniendo fijo su
volumen.
Expansin isoterma CD
El gas se expande mientras se le suministra calor de forma que su temperatura
permanece en su valor T2.
Enfriamiento iscoro DA
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Archivo:EsquemaMotorStirling.gif -
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
12/49
12
Se reduce la temperatura del gas de nuevo a su valor T1en un proceso a volumen
constante.
En este proceso se absorbe calor en al calentamiento iscoro y la expansin isoterma, y se
cede en los otros dos procesos. El valor neto del calor absorbido es
y del cedido
de forma que el rendimiento es
Siendo la relacin de compresin.
Podemos comprobar que este rendimiento es siempre menor que el de una mquinareversible que opere entre estas dos temperaturas
Siendo la diferencia
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
13/49
13
Como resultado se puede decir que un motor Stirling es factible ya que es anlogo pero
con procesos isobaros en lugar de iscoro) es la presencia de un intercambiador de calor.
En el enfriamiento del gas, se pasa de la temperatura T2 a T1 liberando calor. En el
calentamiento, se pasa de T1 a T2, absorbiendo calor. Puesto que se pasa por las mismas
temperaturas es (tericamente) posible aprovechar el calor liberado al enfriarse sin violar el
segundo principio de la termodinmica: el calor que se va liberando gradualmente en un
punto del enfriamiento se cede al punto a la misma temperatura en el calentamiento.
Bomba de calor
Una bomba de calor es un dispositivo que aplica trabajo externo para extraer una cantidad
de calor QC de un foco fro y entregar calor QH a un foco caliente. La bomba est sujeta a
las mismas limitaciones de lasegunda ley de la termodinmicacomo cualquier otro motortrmico, y por lo tanto se puede calcular la mxima eficiencia a partir delciclo de Carnot.
Las bombas de calor, se caracterizan normalmente por uncoeficiente de
rendimiento (COP), que es el nmero de unidades de energa entregada al foco caliente, por
unidad de trabajo de entrada.
Este fenmeno detransferencia de energa calorfica se realiza principalmente por medio de
un sistema derefrigeracin por compresin de gasesrefrigerantes, cuya particularidad
radica en unavlvula inversora de ciclo que forma parte del sistema, la cual puede invertir
el sentido del flujo derefrigeracin, transformando elcondensador enevaporador y
viceversa.
Una bomba de calor derefrigeracin por compresin emplea unfluidorefrigerante con un
bajopunto de ebullicin.ste requiereenerga (denominadacalor latente) paraevaporarse,
y extrae esa energa de su alrededor en forma de calor
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.html#c1http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/carnot.html#c1http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heatpump.html#c3http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heatpump.html#c3http://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_de_calorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigerantehttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=V%C3%A1lvula_inversora_de_ciclo&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_(termodin%C3%A1mica)http://es.wikipedia.org/wiki/Evaporadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigerantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_ebullici%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente_de_vaporizaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Evaporaci%C3%B3n_(proceso_f%C3%ADsico)http://es.wikipedia.org/wiki/Evaporaci%C3%B3n_(proceso_f%C3%ADsico)http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente_de_vaporizaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_ebullici%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigerantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Evaporadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_(termodin%C3%A1mica)http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=V%C3%A1lvula_inversora_de_ciclo&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigerantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_de_calorhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heatpump.html#c3http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heatpump.html#c3http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/carnot.html#c1http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.html#c1 -
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
14/49
14
1. El fluido refrigerante se encuentra en un principio en estado lquido, a baja
temperatura y presin. El aire pasa a travs del evaporador, dnde el fluido
refrigerante absorbe la temperatura ambiente y cambia de estado (a vapor). Al
mismo tiempo, el aire es expulsado a una temperatura ms baja.
2. El fluido refrigerante llega al paso 2 en forma de vapor pero todava a baja presin.
Este vapor pasa a travs del compresor donde aumenta la presin y la temperatura.
3. Este vapor situado en el paso 3 -que se encuentra ahora con un elevado estado de
energa- es el que circula por el condensador situado a lo largo del caldern donde
va cediendo toda la energa al agua acumulada, volviendo as a estado lquido.
4.
En el ltimo paso del proceso, el fluido refrigerante ya en estado lquido se hace
pasar por la vlvula de expansin, lo que hace que recupere su presin y
temperatura inicial obteniendo as de nuevo el fluido en sus condiciones iniciales
para volver a iniciar el proceso.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
15/49
15
MECANICA DE MATERIALES
El esfuerzo se define aqu como la intensidad de las fuerzas componentes internas
distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se define en
trminos de fuerza por unidad de rea. Existen tres clases bsicas de esfuerzos: tensivo,compresivo y corte. El esfuerzo se computa sobre la base de las dimensiones del corte
transversal de una pieza antes de la aplicacin de la carga, que usualmente se llaman
dimensiones originales.
La deformacin se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al
esfuerzo, al cambio trmico, al cambio de humedad o a otras causas. En conjuncin con el
esfuerzo directo, la deformacin se supone como un cambio lineal y se mide en unidades de
longitud. En los ensayos de torsin se acostumbra medir la deformacin cmo un ngulo de
torsin entre dos secciones especificadas.
Cuando la deformacin se define como el cambio por unidad de longitud en una dimensin
lineal de un cuerpo, el cual va acompaado por un cambio de esfuerzo, se denomina
deformacin unitaria debida a un esfuerzo. Es una razn o nmero no dimensional, y es,
por lo tanto, la misma sin importar las unidades expresadas, su clculo se puede realizar
mediante la siguiente expresin:
e= e / L (14)
Donde,
e: es la deformacin unitaria
e : es la deformacin
L: es la longitud del elemento
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
16/49
16
BANCADA
1.-Aluminio- Aleacion 1060
Limite Elastico : 27.570 Desplazamiento Esttico
2.-Acero Recosido-AISI 4340
Limite Elstico: 470 Desplazamiento Esttico
3.-Hierro Dctil.
Limite Elstico: 551.485 Desplazamiento Esttico
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
17/49
17
4.-Cobre.
Limite Elstico: 258.645 Deformacin Esttica
5.-Acero AISI 1020
Limite Elstico: 351.571 Desplazamiento Esttico.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
18/49
18
6.-Aleacin de aluminio 1350
Lmite de Elasticidad: 27.574 Desplazamiento Esttico.
OBSERVACIONES
Nuestro mecanismo pesa aproximadamente 1.2kg, la bancada soportara una fuerza de
11.772N, con las pruebas de elasticidad obtenidas se observa que el material ms dbil es
el aluminio, la nica ventaja que tendra este material en este caso es su precio econmico,
por lo contrario tenemos la bancada de cobre que teniendo una gran nivel de elasticidad es
muy caro. El aceroes un material resistente y ms econmico, pero finalmente optamos por
utilizar el hierro dctil que aparte de ser el ms alto en nivel de elasticidad con 551.485 y
tiene tambin como ventaja que esta reducido de su peso natural lo que permite aligerar su
transporte.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
19/49
19
ESLABON DE UNION
1.-Acero Recosido-AISI 43402.-Cobre
Limite Elstico: 470, 000,000.Limite Elstico: 258, 645,000.3.-Acero AISI 10204.-Hierro
Limite Elstico: 351, 571,000. Limite Elstico: 551, 485,000.
5.-AluminioAleacin 1060 6.- Aluminio Aleacin 1350
Limite Elstico: 27,574,200 Limite Elstico: 27,574, 200.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
20/49
20
OBSERVACIONES
En esta pieza tenamos pensado hacerlo de aluminio pero debido a las dimensiones
reducidas del tubo con este material se deformara aun con el pequeo esfuerzo de los
agarres de 0.3N, debe tener la resistencia de un acero o hierro, pero elegimos acero recosido
debido a que el hierro tiende a oxidarse ms rpido y en nuestro motor Stirling
trabajaremos con vapor de agua que englobara esa seccin.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
21/49
21
ESLABN DE PISTON
1.-AISI 4340 Acero recocido 2.-Hierro Dctil
Limite Elstico: 470, 000,000. Limite Elstico: 551, 485,000.
3.-Aleacin Aluminio 1060 4.-Cobre
Limite Elstico: 551, 495,000. Limite Elstico: 551, 485,000
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
22/49
22
5.-Acero AISI 1020 6.-Aleacin aluminio 1350
Limite Elstico: 351, 571,000. Limite Elstico: 27, 574,000.
ESLABN DE SOPORTE
1.-AISI 4340 Acero recocido 2.- Hierro Dctil
Limite Elstico:470,000,000. Limite Elstico:551, 485,000.
3.-Aleacin Aluminio 1060 4.- Cobre
Limite Elstico:27, 574,200. Limite Elstico:258, 645,000
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
23/49
23
5.-Acero AISI 1020 6.-Acero Inoxidable Forjado
Limite Elstico:351, 571,000. Limite Elstico:206, 807,000.
OBSERVACIONES.
En la parte de los eslabones se es preferible usar un material de gran resistencia elstica y
resistente a la oxidacin, el acero inoxidable es una buena opcin de material, pero debido a
su alto costo es mucho ms conveniente el acero recosido en estas piezas.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
24/49
24
GUIA DE PISTN
1.-AISI 4340 Acero recocido 2.-Hierro Dctil
Limite Elstico: 470, 000,000. Limite Elstico: 551, 496,000.
3.-Aleacin Aluminio 1060 4.-Cobre
Lmite Elstico: 27, 574,200Limite Elstico: 258, 646,000.
5.-Acero AISI 1020 6.-Aleacin aluminio 1350
Limite Elstico: 351, 571,000. Limite Elstico: 27, 574,200.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
25/49
25
OBSERVACIONES
Las guas del pistn se les ejerce una presin interna debido al agua que contienen y el
pistn que la presiona, usamos acero recocido porque tiene que aguantar el calor de la llama
que tendr en un lado y ms aparte no debe oxidarse tan fcil. En este caso el hierro es mspropenso de oxidarse, el cobre no es tan resistente ni econmico como el acero y el
aluminio tiene muy bajo nivel de elasticidad.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
26/49
26
PISTN
1.-AISI 4340 Acero recocido 2.- Hierro Dctil
Limite Elstico: 470, 000,000. Limite Elstico: 561, 486,000
3.-Aleacin Aluminio 1060 4.- Cobre
Limite Elstico: 27, 574,200. Limite Elstico: 258, 646,000.
5.-Acero AISI 1020 6.- Aleacin aluminio 1350
Limite Elstico: 351, 571,000. Limite Elstico: 27, 574,200.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
27/49
27
OBSERVACIONES
El pistn no debe de ser muy pesado para que el mecanismo del motor Stirling funcione en
ptimas condiciones, el movimiento es generado por presin de aire por un intercambio de
temperatura que es ayudado con el vapor del agua, el material ideal para este mecanismo esel aluminio que es el ms ligero.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
28/49
28
TUBERIA
1.-AISI 4340 Acero recocido 2.- Hierro Dctil
3.-Aleacin Aluminio 1060 4.- Bronce comercial, UNSc C22000 (90-10 bronce)
5.-Acero AISI 1020 6.- Acero Inoxidable Forjado
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
29/49
29
OBSERVACIONES.
Se opt por buscar un material que fuera muy resistente a la oxidacin, el ideal fue el cobre
que resulta ser ms econmico que el acero inoxidable.
SUJETADORES
1.-AISI 4340 Acero recocido 2.- Hierro Dctil
Limite Elstico: 470, 000,000. Limite Elstico: 551, 405,000.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
30/49
30
3.-Aleacin Aluminio 1060 4.- Cobre
Limite Elstico: 27, 574,200. Limite Elstico: 27, 574,200.
5.-Acero AISI 1020 6.- Aleacin aluminio 1350
Limite Elstico: 351, 571,000. Limite Elstico: 27, 574,200.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
31/49
31
OBSERVACIONES.
Este material soporta gran cantidad de la estructura del motor Stirling aproximadamente
4.9N por sujetador, el material debe resistir este esfuerzo, con el acero recocido AISI 4340
es ms que suficiente para sostener es estructura sin ningn problema.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
32/49
32
ECUACIONES DIFERENCIALES QUE INTERVIENEN EN ELMOTOR CICLO STIRLING
Ley del enf r iamiento de Newton
El ciclo Stirling funciona mediante la combustin externa de un fluido, el cual pasa porcambios de fase, debido a una variacin en la temperatura. La ley del enfriamiento deNewton expresa que la rapidez con que se enfra una sustancia es proporcional a ladiferencia entre su temperatura y la temperatura ambiente.
Ecuacin Diferencial Solucin General
[ ]
Donde:T= Temperatura de la sustancia en determinado tiempo .Ta= a la temperatura ambiente.K= valor constante, es negativo cuando se estudia a un cuerpo que pierde temperatura.
Clasificacin
Tipo: OrdinariaOrden: Primer ordenGrado: UnoLineal: Si
F lu jo de calor en estado estacionar io
Los componentes del motor Stirling (pistones, carcasa) que estn expuestos al fluido quecambia de fase interactan tambin con los gradientes de temperatura del fluido mismo. Elflujo de calor provoca que en un mismo material se hallen dos temperaturas distintasaplicadas en diferentes areas de los elementos, para esto se formulo la siguiente ecuacin.
Ecuacin Diferencial Solucin General
()()
Donde:
: Cantidad de calor por unidad de tiempo que fluye a travs de un rea, esta dado en
caloras sobre segundo.
: Constante de Conductividad trmica que depende del material.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
33/49
33
: rea que se estudia.
= Cambio en la temperatura en el material dividido entre la diferencia de distancias de
las temperaturas.
Clasificacin
Tipo: Ordinaria
Orden: Primer orden
Grado: Uno
Lineal: Si
Capaci dad calorfica de los gases ideales
Debido a que un motor de ciclo Stirling puede funcionar con gases como hidrogeno,
oxigeno o compuestos, se pueden aplicar las leyes de los gases ideales. La capacidad
calorfica es el calor que el sistema o fluido necesita absorber para elevar su temperatura en
1C. Existen dos tipos de ecuaciones una cuando el volumen del gas es constante y la
segundo cuando la presin del gas es constante, en nuestro proyecto se utiliza la primer
formula, debido a que si bien el gas pasa por procesos de expansin y compresin, en un
tiempo del ciclo los volmenes permaneces constantes.
Ecuacin Diferencial Solucin General
( )
Donde:
= Diferencia de Temperatura
Clasificacin
Tipo: Ordinaria
Orden: Primer orden
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
34/49
34
Grado: Uno
Lineal: Si
Transformacin Adiabtica
Se puede considerar un proceso adiabtico para nuestro proyecto, ya que para optimizar el
funcionamiento de nuestro motor, se necesita que el proceso se lleve a cabo con la mnima
perdida de energa, en nuestro caso, en forma de calor, es ah donde entra la importancia de
la transformacin adiabtica, la cual refiere a un proceso en el cual no existe transferencia
de energa (calor) entre las fronteras del sistema y el medio ambiente.
Ecuacin Diferencial Solucin General
( )
=0 ( )
Donde:
= Cambio en la temperatura.
= Coeficiente adiabtico del gas ideal.
= Cambio en el volumen.
Clasificacin
Tipo: Ordinaria
Orden: Primer orden
Grado: Uno
Lineal: No
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
35/49
35
DISEO DE ELEMENTOS DE MAQUINAAnlisis del elemento de transmisin de potencia (rbol):
Elemento de transmisin sealado en el recuadro de color rojo.
Material:
Existen diversos materiales que pueden ser utilizados para la construccin de este
elemento, solamente deben de cumplir algunas caractersticas fundamentales para
que pueda cumplir su funcin de manera adecuada.
Las caractersticas que tomar en cuenta a la hora de elegir el material son las
siguientes:
Ser lo suficientemente resistente como para soportar la fuerza aplicada en el
momento de impulso causado por el pistn.
Ser moldeable, tanto como para poder darle la forma adecuada pero no tantacomo para que se deforme cuando realice su tarea.
Ser ligero, ya que un elemento pesado consumira ms fuerza en el momento
de transmisin de energa.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
36/49
36
Que pueda soportar la temperatura transmitida por el sistema al calentar el
lquido o el gas.
Algunas de las recomendaciones propuestas por el equipo:
Aluminio: Cumple con todas las caractersticas anteriores y adems es muy
ligero lo cual es muy conveniente para esta aplicacin, tal vez la nica
desventaja que tiene es que no es muy flexible por lo cual es propenso a
sufrir una rotura en el momento en el que se molde, se monte en el conjunto,
o sufra una aplicacin grande de fuerza.
Cobre: Tiene las caractersticas adecuadas para cumplir con la tarea del
elemento adems de que es muy flexible a diferencia del aluminio, pero el
inconveniente de este material es que puede llegar a deformarse si se aplicauna fuerza constante en algn punto de este.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
37/49
37
Acero: Quizs es el ms adecuado para esta tarea pero su desventaja yace en
su peso, ya que no es un material muy ligero por lo cual se necesita una
fuerza mayor para moverlo.
Diseo:
Diseo en el que nuestro equipo se bas.
Prototipo de motor Stirling diseado por nuestro equipo en SW.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
38/49
38
Vista seccionada.
Forma:La forma que debe de tener es la de un tubo con dos dobleces a 90 grados
de diferencia uno con respecto a la posicin del otro. Eso es debido a que si
estuvieran con unos dobleces con 180 grados de diferencia existira la posibilidad de
que en algn momento las fuerzas provocadas por los pistones al estar en
direcciones contrarias provoquen que el mecanismo llegue a un estado esttico
(donde la sumatoria de las fuerzas es nulo provocando equilibrio en el mismo).
F1 F2
Cuando los tubos tienen unos dobleces a 90 grados no existen casi probabilidadesde que las fuerzas en el mecanismo encuentren el equilibrio en algn momento de la
fase de funcionamiento.
180
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
39/49
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
40/49
40
Algunas de las opciones para evitar la friccin en estas zonas son:
Utilizar un lubricante (como WD40).
Pulir las partes en las zonas de contacto.
Nota: anexamos el modelo 3D y una animacin en la cual se puede apreciar el
funcionamiento del motor Stirling simulado en Solid Works.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
41/49
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
42/49
42
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
43/49
43
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
44/49
44
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
45/49
45
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
46/49
46
ELECTRONICA ANALOGICA
En cuanto al funcionamiento del motor Stirling, sern medidos diversos parmetros para
dar una idea clara de cmo se encuentra el motor en determinado momento. Dichosparmetros sernPresin, TemperaturayRevolucionespor minuto.
Para medir los aspectos mencionados anteriormente, se har uso de de sensores.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes fsicas o qumicas, llamadas
variables de instrumentacin, y transformarlas en variables elctricas. Las variables de
instrumentacin pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumnica, distancia,
aceleracin, inclinacin, desplazamiento, presin, fuerza, torsin, humedad, movimiento,
etc.
En este caso los sensores utilizados sern:
Sensor de Presin: Se usar el sensor Modelo 1220
Salida de 0 a 50 mV
Mide de 2-100 PSI
Sensor de Temperatura:
Tiene una temperatura con un rango de 10 mV/k
Funciona desde 400microA a 5mV
Impedancia menos de 1 ohm
Temperatura de funcionamiento es de -40 a 100 C
Sensor de Revoluciones: Se usar un A142
Medir una frecuencia de 20 Hz to 30 kHz Rango de operacin 426.5 V
Corriente de salida 25 mA
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
47/49
47
COCNCLUSIONEn si se puede mencionar que al analizar un motor Stirling con irreversibilidades se puede
obtener el rendimiento mximo que pudiera obtenerse con un motor que opere en esas
mismas condiciones. Por otro lado, el rendimiento del motor Stirling sera el mximo pues
no se han valorado otras irreversibilidades del funcionamiento, como son la friccin de los
componentes del motor y las debidas a las ondas que se desplazan dentro del motor debido
a la velocidad del pistn.
Por otro lado se puede decir que a pesar de que tericamente el motor Stirling posee un
rendimiento igual al de Carnot, en la prctica su rendimiento puede variar notablemente
(2-5) veces el mismo, dependiendo de la eficiencia del regenerador, del volumen muerto, de
las especificaciones.
Es muy importante el anlisis de cada uno de los materiales porque eso permite tomar
ciertas decisiones en cuanto cual es el ms adecuado para utilizar en ciertas tareas
dependiendo de sus respectivas propiedades, como pueden ser la transferencia de calor la
elasticidad su resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosin u oxidacin etc.
Otro dato que tambin es importante tomar en cuenta es su costo ya que si el material es
muy difcil de extraerse ramas caras y esta puede llegar a ser una mala inversin para
nuestro proyecto si se puede conseguir otro material con propiedades similares a bajo
precio. As se logra decidir si se realizan cambios o no, lo cual se traduce en mejoras para
que nuestro modelo de motor Stirling funcione en sus ms ptimas condiciones.
Gracias a software para diseo de piezas en 3d es posible simular y calcular la deformacin
de cada pieza con determinado material establecido, dndonos tambin sus respectivas
caractersticas y propiedades, esto nos da la oportunidad de hacer mecanismos enfocados a
datos reales los cuales nos pueden servir para pruebas de simulacin de nuestros
mecanismos.
La aplicacin de las ecuaciones diferenciales en el motor Stirling es muy extensa, debido a
la variedad de mtodos por los que se puede llegar al mismo resultado, hay motores Stirling
solares, que funcionan con biomasa, el bsico, etc.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
48/49
48
Adems sin contar los procesos termodinmicos, mecnicos, elctricos y dems que
intervienen segn sea la aplicacin que se le d al motor, en primera instancia fue bueno
adentrarse aunque sea un poco en la aplicacin de las ecuaciones diferenciales de primer
orden en el motor de nuestro proyecto
En el diseo de algn elemento es fundamental tomar en cuenta diversas caractersticas que
debe de cumplir, las cuales son tomadas en base a la funcin del mismo y las condiciones a
las que ser expuesto. En el caso del eslabn (alambre/ rbol) que se utilizara en el proyecto
para la transmisin de fuerza se tomaron en cuenta varias propiedades como la forma, el
peso, el material, entre algunas otras, ya que al analizarlos permite tomar decisiones y
aplicar correcciones en caso de ser necesarias, lo cual es bueno ya que gracias a esos
cambios podemos hacer que nuestro motor Stirling tenga un funcionamiento ptimo.
-
8/11/2019 Proyecto 1 Motor Stirling
49/49
FUENTES DE CONSULTAhttp://www.slideshare.net/fisicavicenciana/aplicaciones-de-la-primera-ley-de-la-
termodinamica
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar28/HTML/articulo04.htm
http://www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling
http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_calor
http://www.uclm.es/.../calculoestructuras/temas/tema1.pdf
http://www.virtual.unal.edu.co/.../lecciones/lec2/2_5.htm
[1]Murray R Spiegel (1994) Ecuaciones diferenciales aplicadas Mexico: Prentice HallHispanoAmericana, S.A.
[2]BENITO J. GONZLEZ RODRGUEZ (2013) Ecuaciones diferenciales ordinarias de
primer orden:
Problemas resueltos. [En lnea]. Mxico: Universidad De La Laguna. Disponible en:
http://campusvirtual.ull.es/ocw/pluginfile.php/6103/mod_resource/content/1/tema5/PR5-
ecdiferenciales.pdf
[3]LAS ECUACIONES DIFERENCIALES Y SUS APLICACIONES EN LA
INGENIERA. Disponible en:
http://campus.usal.es/~modelosmatematicos/ModelosMatematicos/index_files/Trabajo%20
Ec%20Diferenciales%20en%20Ingenieria.pdf
[4]Joaqun Bernal Mndez TERMODINMICA Tema 10: El Gas Ideal. Disponible en :
http://www.esi2.us.es/DFA/FFII/Apuntes/10_Gases_ideales.pdf
http://motorcalorusm.blogspot.mx/