martes, 12 de abril de 2016
lunes, 14 de marzo de 2016
El motivo de
construir un Motor Stirling “casero” viene con el propósito de analizar el
funcionamiento real de una maquina térmica, conociendo sus partes tanto
internas como externas para una mejor comprensión del mismo. La realización de
este proyecto es una forma práctica, sencilla y económica de demostrar la
transformación de la energía térmica en trabajo mecánico y viceversa.
¿Qué nos ayuda a comprender el funcionamiento del Motor Stirling?
El funcionamiento del motor Stirling, se basa
primordialmente en la variación de presión a causa de los cambios de
temperatura. Conociendo los siguientes conceptos será más fácil de entender.
La Termodinámica es
la rama de la Física, que se ocupa del estudio de la transformación de la
energía térmica en energía mecánica y del proceso inverso; es decir, la
termodinámica es aquella que se encarga de estudiar cómo es que el calor (energía
térmica) puede producir algún tipo de trabajo (energía mecánica).
Existen diversos
factores llamados variables de estado que determinan la condición física de un
gas, como son: Presión, volumen, temperatura y cantidad de materia o sustancia.
Se han realizado diversos estudios sobre las interacciones de estas variables,
dando como resultado la formación de tres leyes: Ley de Boyle, ley de Gay
Lussac y Ley de Charles, que a la vez dieron pie a la conformación de los
procesos termodinámicos, los cuales son:
·
Proceso
Isotérmico.
·
Proceso
Isométrico o Isocórico
·
Proceso Isobárico.
La Primera Ley de
la termodinámica enuncia que la energía debe conservarse en cualquier proceso
termodinámico, es decir que en cualquiera de los procesos mencionados debe de
conservarse la energía. En la elaboración del motor nos enfocamos en el proceso
Isotérmico y el proceso Isocórico o Isométrico.
Los procesos
isométricos se observan en el funcionamiento del motor al calentar y enfriar el
fluido de trabajo a volumen constante. Este proceso es comúnmente conocido como
Ley de Gay Lussac en donde se enuncia que la presión absoluta del gas es
directamente proporcional a la temperatura.
P1/T1 = P2/T2
donde:
P1= Presión inicial
T1= Temperatura inicial
P2= Presión final
T2= Temperatura final
Los procesos
isotérmicos, podemos verlos en la compresión y expansión del fluido a
temperatura constante y también son conocidos como Ley de Boyle en donde se
enuncia que el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión
absoluta que se le aplique.
P1V1 = P2V2
donde:
P1= Presión inicial
P2= Presión final
V1= Volumen inicial
V2= Volumen final
Es
más fácil entender el funcionamiento del motor Stirling si podemos comprender
bien estos principios; en conclusión este motor se basa principalmente en la
variación de presión a causa de los cambios de temperatura.
Porque
hemos definido en lo general la termodinámica para entender este procedimiento,
el por qué es posible su uncionamiento, hay que aclarar también que el motor
Striling es una máquina térmica, pero…
¿Qué es una máquina térmica?
Una máquina térmica es un dispositivo
cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para tal efecto, utiliza una
sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de
transformaciones termodinámicas de forma cíclica para que ésta pueda funcionar
de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe
calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo. Un problema
que presentan las máquinas térmicas en el ámbito práctico es que están sujetas
a un gran número de adversidades como la fricción, la pérdida de calor por
conducción y la radiación, que impiden que dichas máquinas trabajen a su máxima
eficiencia. Una máquina ideal, libre de este tipo de problemas, fue sugerida
por Sadi Carnot en 1824. Esta máquina tiene la eficiencia máxima posible
tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente a alta temperatura,
realiza un trabajo externo y deposita calor en un recipiente a baja
temperatura. La eficiencia de una cierta máquina puede determinarse al
compararla con la máquina de Carnot al funcionar entre las mismas temperaturas.
¿Qué es el Motor Stirling?
Se define al motor Stirling como un dispositivo que convierte
energía calorífica en trabajo mecánico y viceversa, a través de un ciclo
termodinámico regenerativo el cual se compone de
movimientos de compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando
dicho fluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del foco frío.
Historia…
El
motor fue inventado en 1816 por el fraile escocés Robert Stirling. En sus
inicios, fungió como una gran alternativa al motor de vapor empleado en las
locomotoras. Poco a poco fue perdiendo fama debido al desarrollo del motor de
combustión interna, el cual generaba una mayor potencia a pesar de la poca
eficiencia térmica que presentaba. Con el paso del tiempo, el motor Stirling se
ha vuelto a tomar en cuenta debido a las grandes ventajas termodinámicas que
presenta, así como a su fácil manipulación de ciclo y a su baja emisión de
contaminantes.
El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento
máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot. Es importante mencionar que
el motor Stirling a pesar de presentar una alta eficiencia térmica, tiene una
potencia muy baja, adicionado a que el rendimiento óptimo sólo se alcanza a
velocidades bajas. Es un motor de combustión externa, lo que le permite emitir
menores cantidades de gases contaminantes en comparación al motor de combustión
interna, además tiene la posibilidad de aceptar fuentes de calor que no
requieran de la combustión. Basándose en lo anterior, grupos de científicos han
construido motores Stirling que funcionan a partir de la energía solar, de
energía nuclear y de calor de desechos de procesos.
Considerando
las características que presenta el motor Stirling, las cuales son muy
parecidas a las que presenta la máquina ideal de Carnot, podemos considerarlo
como una máquina térmica ideal, hecho que a lo largo del trabajo se
desarrollará con mayor detalle.
Alfa
No utiliza pistón desplazador como en la patente original de
Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es
similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos.
Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en
el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los
cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro. Uno
de los cilindros se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se
enfría mediante aletas o agua. El desfase entre los dos pistones hace que el
aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el
trabajo que permite el funcionamiento del motor.
Beta
El motor original de Stirling era de este tipo. Consta de un
cilindro, con una zona caliente y una zona fría.
En el interior del cilindro está el desplazador cuya misión es
pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa.
Concéntrico
con el desplazador se encuentra el pistón de potencia y mediante un cigüeñal
especial el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados,
lo que permite que el motor funcione.
Desde
el punto de vista termodinámico es el motor más eficaz, pero su construcción es
complicada ya que el pistón debe de tener dos bielas y permitir el paso del
vástago que mueve el desplazador.
Gamma
A esta clase de motor Stirling es a la que pertenece el prototipo
mostrado a lo largo del trabajo. Consta de dos cilindros separados en uno de
los cuales se sitúa el desplazador y en otro el pistón de potencia.
Los sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo
beta.
En este tipo el pistón de potencia es mucho más sencillo de
construir ya que es similar al de un motor de motocicleta. Aquí el pistón y el
desplazador también deben de moverse desfasados 90 grados, lo cual se consigue
mediante el cigüeñal adecuado.
Desde
el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el tipo beta, puesto que la
expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.
domingo, 13 de marzo de 2016
¿Qué es la eficiencia térmica?
Es la capacidad que tiene una máquina para aprovechar todo el
calor sin que tenga perdida de este.
Por ejemplo, las maquinas alimentadas de
gasolina, el calor que genera la combustión solo aprovechan el 30% del calor
para que transformarla en fuerza motriz, la demás energía la pierde.
Dicho esto…
La
eficiencia térmica del ciclo Stirling es prácticamente igual a la de un ciclo
de Carnot, trabajando a las mismas temperaturas de las fuentes de calor, lo
cual se debe principalmente a lo hermético del aparato y al proceso denominado
regeneración en el que se utiliza una misma cantidad de fluido en todo el
proceso de calentamiento y enfriamiento del gas, evitando de tal forma la
pérdida de calor del sistema. Una máquina térmica recibe una cantidad
determinada de calor, pero debido a inevitables pérdidas por fricción, lo puede
convertir en una cierta cantidad disminuida de trabajo mecánico, estando de tal
forma siempre presente el calor que no se aprovecha. La fórmula para el cálculo
de la eficiencia térmica es:
E= Wsal/QE ; pero W= QE – Qs ;
E= (QE – Qs)/QE
por lo tanto:
E= 1 – Qs/QE
E= eficiencia térmica.
QE= Calor entrante.
Qs=
Calor saliente.
W=
Trabajo
Es complicado calcular las cantidades de calor entrante y saliente
ya que se ven afectados por la fricción de los pistones, por la combustión
incompleta del combustible o por las mismas propiedades físicas de dichos
combustibles. Sin embargo, al considerar la alta eficiencia del motor Stirling,
podemos considerarla como una máquina ideal y por lo tanto haremos caso omiso
de dichas alteraciones, quedándonos con el valor absoluto del calor entrante y
saliente, considerando la eficiencia en términos de temperatura, ya que se ha
comprobado que para dichas máquinas:
QE/Qs = TE/Ts
QE: Calor entrante
Qs: Calor saliente.
TE:
Temperatura entrante.
Ts: Temperatura saliente.
Por lo tanto, la eficiencia del motor Stirling se puede calcular
como una función de las temperaturas absolutas:
E= (TE – Ts)/TE
por lo tanto:
E= 1 – Ts/TE
E= Eficiencia térmica.
TE: Temperatura entrante.
Ts:
Temperatura saliente
En la construcción del motor ¿qué problema se presenta?
Emplear
materiales de fácil adquisición, si es posible reciclados, y económicos; para
la construcción de un motor Stirling tipo gamma de bajo presupuesto.
¿Con
qué objetivo?
Estudiar
y explicar el funcionamiento de una de las máquinas térmicas más eficaces, en
este caso el motor Stirling.
Hipótesis
Dada
la investigación que se realizó previa al experimento esperamos que el motor Stirling
nos demuestre los procesos termodinámicos presentes en una máquina térmica.
Desarrollo
Materiales:
1
codo de PVC de 25.40mm
3
latas de aluminio
1
lata de diámetro más pequeño u otra lata para cortar
Taladro
Broca
de 2mm
Clavo
Rayo
de bicicleta
1
disco
1
globo
Pegamento
Hilo
naylon (aprox. 0.5 m)
Cinta
doble faz de espuma
Alambre
galvanizado (aprox. 0.05 m)
Abrelatas
Lijas
de 80 y 120
Tapa
de botella
Cinta
adhesiva
Engrapadora
(si es que no hay un lata más pequeña)
Algodón
de acero
Tijeras
Vela
o mechero de alcohol
Análisis e interpretación de resultados
En base a los resultados obtenidos (nuestro motor trabajando en
perfectas condiciones), podemos fácilmente revisar el funcionamiento del motor
¿qué es lo que lo hace funcionar?. En primera instancia, debemos recordar que
el motor Stirling es una máquina térmica y por tanto, el principal elemento
para que inicie su funcionamiento es la suministración de calor. Al incidir
calor en la parte baja del motor, calentamos el aire ubicado en la zona baja
del motor, en la cámara donde se encuentra el pistón desplazador; este aire
comienza a elevar su temperatura y de acuerdo a la ley de Gay Lussac, su
presión aumenta de forma directamente proporcional, empujando así al pistón
desplazador hacia arriba, a la vez que este aire caliente también se dirige a
la zona fría del motor(recordemos que el principio en el que se basa el motor
Stirling para funcionar es la diferencia de temperaturas). Al llegar el aire a la
parte superior, empuja al pistón de fuerza hacia arriba y al pistón desplazador
hacia abajo, pero al enfriarse por el contacto que sufre con la parte a baja
temperatura, su presión disminuye, dejando que el pistón de fuerza baje y el
pistón desplazador vuelva a subir, completando así un ciclo, el cual se
repetirá de forma indefinida mientras exista la fuente de calor, la diferencia
de temperaturas y la inercia provocada por la masa de los volantes de inercia,
la cual ayuda a que el ciclo se realice de forma mucho más eficiente..
Un aspecto muy importante
para resaltar es que el motor Stirling posee una potencia baja pues es sólo a
bajas frecuencias que su eficiencia térmica aumenta sustancialmente. Mientras
mayor sea la diferencia de temperaturas, pudimos observar que la potencia
aumenta, debido a que existen cambios mucho más bruscos en los estados del
sistema, obligándolo a adaptarse y a actuar más rápido, transformando
rápidamente esa energía calorífica en energía mecánica.
Conclusiones
El funcionamiento del motor Stirling responde a principios
termodinámicos simples, pero que a la vez hacen del mismo una maquina
asombrosa, como hemos visto la energía en el universo no es más que la
capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, lo cual está íntimamente relacionado
a un principio muy elemental “la energía no se crea ni se destruye, solo se
transforma”, es decir, la primera ley de termodinámica. Por otro lado hemos
aprendido que no existe maquina perfecta capaz de aprovechar íntegramente la
energía total de un sistema para la producción de trabajo, lo cual ha traído
consigo la inquietud de desarrollar artefactos capaces de aprovechar todo el
recurso suministrado, pues en la mayoría de los casos será posible presenciar
perdidas lo cual no trae consigo ningún beneficio. Afortunadamente el motor
Stirling es el artefacto termodinámico que más se ha acercado a esa perfección
anhelada tanto en eficiencia como en consumo de energía debido a que esta es
aprovechada casi al 100% y con grandes prestaciones. Gracias a esto las
aplicaciones que se le pueden dar son diversas y los beneficios en mayor
medida.
El motor Stirling fue utilizado como alternativa del motor de vapor durante sus
inicios, para después ser desplazado por el motor de combustión interna, pero
actualmente se han estudiado mejor sus grandes beneficios, convirtiéndose en
una gran promesa para la generación limpia de energía eléctrica pues la
reacción de combustión es mucho más controlada que en un motor de combustión
interna, además, se han construido también motores Stirling solares, de tal
forma que no requiere de la quema de combustibles para mantener el calor en la
parte baja del motor, haciendo por lo tanto de este maravilloso motor un
extraordinario, ecólogico y de gran eficiencia motor Stirling.
Algunas personas la emplean también como motores de vehículos
pequeños, que no requieran tanta potencia.
En
suma, el realizar el motor Stirling no representó una gran inversión
(aproximadamente 50 pesos), lo cual no presenta comparación alguna al dejarnos
descubrir una parte del maravilloso mundo de la termodinámica. Además, al ser
un motor de gran eficiencia y relativamente ecológico (digo relativamente pues
éste no funciona con energía solar), podría en un futuro ubicarse en gran parte
de los hogares del mundo, produciendo energía eléctrica libre de contaminantes.
Bibliografía
·
Tippens, Paul E. (2007). “Física.
Conceptos y aplicaciones”. Mc Graw Hill. 7ª ed. México.
·
Seely y Ensign. (1990). “Mecánica
analítica para ingenieros”. Reimpresión. México.
·
Stolberg, R. y Hill, F.F. (1999). “Física, fundamentos y fronteras”. Publicaciones Cultural.
México.
·
Sears, Zemansky, Young y Freedman. (2005). “Física universitaria con física moderna”. Pearson
Addison Wesley. Undécima edición. México.
·
Terrazocultor, José Manuel.
http://100ciaencasa.blogspot.mx/.
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