Prototipo de un sistema de refrigeración actuado por un motor stirling

5/28/2018 Prototipo de un sistema de refrigeracin actuado por un motor stirling

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INSTITUTOOLITCNICOACIONALUnidad Profesional Interdisciplinaria enIngeniera y Tecnologas Avanzadas

UPIITATrabajo Terminal

rototipo de un sistema de refrigeracinactuado por un motor Stirling

Qu e para obtener el ttulo deIngeniero en Mecatrnica

PresentaHernndez Morales Nestor VicenteRivas Prez O ctavio EnriqueRodrguez Rodrguez Giovanni

AsesoresD. en C. Juan Antonio Cruz MayaD. en C Juan Alejandro Flores CamposM. en C . Alejandro Escam illa Navarro

Mxico D. F. 12 de enero del 2010


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INSTITUTOOLITCNICOACIONALUnidad Profesional Interdisciplinaria enIngeniera y Tecnologas Avanzadas

UP TATrabajo Term inal

Prototipo de u istema de refrigeracinactuado por u motor S tirling

Qu e para obtener el ttulo deIngeniero en MecatrdnicaPresenta

- d 4 f c livas Prez Octavio Enrique

Asesores

/ e n C / / s ndroA Camposamilla Navarro

Flores

Presidente del Jurado Profesor Titula r=y-< .M. en C.-GermE Escoto Mora Gmez


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ontenidoIndice de Tablas VIndice de Figuras y GrficasResumen III

Abstract IIIObjetivos X

Objetivo General XOb jetivos EspecSficos X

JustificacinIntroduccinAlcances. Limitacionesy Presupuesto

aptulo : Estado del ArteIntroducclon1.1 Antecedentes histricos en el desa rrolloy fabricacin de motores Stirling 51.2 Aplicaciones con en el Motor Stirling 7

1.2.1 Uso en la refrigeracin1.3 Ventajasy Desven tajas del Motor Stirling 10Captulo 2: Marco Terico 4ntroducclon 4

2.1 Clas~ cacinde Motores Stirling 42.1.1 Motor Tipo Alfa 42.1.2 Motor Tipo Beta 152.1.3 Motor Tipo Gamm a 16

2.2 Motores Especiales 72.2.1 Motor Ringborn 72.2.2 Motor de Pistn Libre 172.2.3 Motor de Pistn Lquido 8

2.3 Ciclo Stirling 20


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2 4 Ciclo Stirling Inverso 22 5 El Regenerador 42 6 Anlisis Isotrmico 62 7 Rendimiento del Ciclo Stirling 1

8 Modelos Termod inmicos 338 1 Modelo Schmidt 338 2 Modelo Petrescu 338 3 Modelo Senf Schmidt 34

aptulo 3: Diseo Conceptual 37Introduccin 73 1 Integracin del Sistema 7

Captulo 4: Diseo del sistema 1Introducclon 14 1 Impleme ntacin de la metodologa 14 2 Diagramas de Com portamiento del Motor 44 3 Elementos Mecn icos 6

4 3 1 Fluido de Trabajo 63 2 Fuente de Calor 573 3 Sumidero de Calor 573 4 Desplazador 573 5 Pistn de Potencia 57

4 3 6 Rueda de Inercia 84 4 Eleccin del Motor Elctrico 8

4 4 1 Tipo de Cubierta 04 4 2 Velocidad del Motor Elctrico 04 4 3 Tipo de Servicio a Realizar 04 4 4 Efecto del Ciclo de Trabajo 04 4 5 Elevacin Permisible de Tempe ratura 1

Captulo 5: Desarrollo 3Introduccin 35 1 Proceso de Manufactura 3


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5 1 1 Tipo de Proceso 31 2 Unin 65

5 1 3 Acabado 65 1 4 Otras Operaciones 6

5 2 Prtrebas 75 2 Verzfxacin Depuracin de Errores 6

Captulo 6: Conclusiones 91 Conclusiones 79

6 2 Posibles Mejoras al Sistema 0Referencias Bibliogrficas 1

Cybergrafa 1Apndice A 3

Anlisis Cinemtico 3Anlisis Dinmico 5

Apndice B 8Apendice C 9

Archivos Fotogrficos 9Apndice D 6

Anlisis con COM SOLB 6Anlisis Termod inmico de la Cma ra Fra 6Anlisis de Biela 8

Apndice E 03Planos 03


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ndi e de ablasabla Datos a evaluar en la metodologa 44abla 2 Volmenesy presiones instantneas 47

Tabla 3 Clculos para disminuir la entropaTabla 4 Volmenes presiones instantneas y ngulosTabla 5 Potencias nominales de mquinas representativas para CD y CA recomendadaspor NEMA conformidad parcial con la IEC 9

abla 6 Resultados de la primera prueba realizada 69Tabla 7 Tabla de resultados de la segunda prueba realizada 9

abla 8 Tabla de resultados de la tercer prueba realizada 70abla 9 Tabla de reszlltados de la cuarta prueba realizada 70abla Lmites de temperatura para materiales de aislamiento 8


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ndice de igurasy GrficasFigura 2 1 Motor tipo alfa 5

igura 2. Motor tipo beta 16Figura 2 Motor tipo gamma 6Figura 2 4. Motor Ringbom 7Figura 2 5 Motor de pis fn libre .......................................................................................8Figura 2. 6 Motor de pistn lquido 19Figura 2. 7 Diagrama de bloques del ciclo Stirling: A Motor, B refrigerador o bomba decalor 0Figura 2 8 Proceso Termod inmico de un Ciclo Stirling Ideal. Diagramas A presinvolumen, B temperatura entropa 1

Figura 2. 9 Proceso Termo dinmico de un Ciclo Stirling Ideal en orma Inversa. comoej-igerador Diagramas A presin-volumen. B temperatura-entropa 22Figura 2. 10 Proceso termodinm ico ideal del ciclo Stirling 4Figura 2 11 Modelo isotrmico ideal 6Figura 2. 12 Perfil de temperatura en el regenerador 7Figura 2 13 Perfil de celda generalizada ..........................................................................29


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Figura 3 1 Esquema de la configuracin beta del motor Stirling Working Model) .........37Figura 2 Diagram a general del prototipo .......................................................................8Figura 3 3 Diagram a de elementos ms representativos del sistema prototip o de motorStirling) ................................................................................................................................9

Figura 4 1 Diagram a de flujo de la metodologa adoptada .............................................Figura 4 Diagramas de comportamiento del ciclo V. ...............................................48Figura 4 3 Diagram a de biela-manivela-corredera del pistn de potencia del moto rStirling .................................................................................................................................. 4Figura 4 4 Diagram a de cuerpo libre de biela-manivela-corredera del primer pistn del

. .motor Stzrlzng........................................................................................................................ 4Figura 4 5 Gr fica de presin instantnea volumen instantneo....................................54Figura 4. 6 Cambio y comportamiento de la gr j ca de presin instantnea volumeninstantneo.........................................................................................................................5Figura 4 7 Grfica Entropa Volumen ........................................................................... 5Figura 4 8 Relacin de masa delfl uido rabajo .............................................................56Figura 4 9 Gra fico de servicio continuo para el motor ....................................................61

Figura 5 A) pistn de potencia. B) pistn desplazador y tapa. C) anillo sellador. D) camisa del.........................................istn. E) chaqueta de enfriamientoy F) camisa del pistn desplazador 6

Figura 5 2 A) soporte para biela. B) horquilla de pistn de potencia y C) caja para bielm 6Figura 5 A) biela balancn. B) biela de enlace. C ) tapa posterior y D) tapa rontal ...................65


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igura 5 4 A caja para bielasy B camisa del pistn desplazador 6Figura 5 A tapa posterior y B tapa frontalFigura 6 camisa del pistn de potencia 6Figura conexiones de pruebas 8Figura 5 8 Pruebas de ciclo Stirling normal 4


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esumenEn este proyecto de investigacin se pretende desarrollar un sistema de refrigeracinoperado mediante un motor Stirling en ciclo inverso. Basndose en la metodologa Senft-Schmidt se dimensiona el motor Stirling posteriormente se le acopla una transmisinmecnica y una chaqueta de enfriamiento con una bomba sumergible. En seguida se induceun trabajo mecnico mediante un motor de D se realizan mediciones a las pruebasllevadas a cabo. Debido a los resultados obtenidos el motor se somete al ciclo normalreemplazando la induccin del trabajo mecnico por una fuente de calor. Tambin se leadaptaron volantes de inercia contrapesos para vencer la fuerza de friccin la fuerzanecesaria para comprimir el aire sacar al sistema biela-manivela-corredera de los puntosmuertos y as generar un trabajo mecnico. Se concluye que debe haber unredimensionamiento de las cmaras del motor Stirling para que opere en ciclo inverso ypueda ser aplicado en la refrigeracin.Palabras clave: motor Stirling ciclo Stirling metodologa Senft-Schmidt.

bstract

In this investigation project is intended develop a thermodynamic system to built a Stirlingengine operated in reverse cycle based on the methodology Senft-Schmidt instrtlmentedwith a sensor to measure temperature and a D motor to induce movement measurementsare made at tests conducted.


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bjetivos

Objetivo GeneralDisear construir y caracterizar un prototipo de motor Stirling en configuracin betaaplicado en el ciclo inverso para utilizarlo com o elemento enfriador.

Objetivos Especzj cosDisear y construir un prototipo de un motor StirlingDisear una chaqueta de enfriamiento para el motor StirlingCaracterizar experimentalmente el motor Stirling mediante un sensor detemperatura un motor de CD


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ustificacinLa refrigeracin retarda los procesos qumicos y biolgicos en los alimentossubsecuentemente previene el deterioro y la prdida de calidad en los nutrientes [51 Elrefrigerador es uno de los aparatos electrodomsticos de mayor consumo energtico en loshogares establecimientos comerciales de rubro industrial.El motor tirling surge como alternativa en los sistemas de refrigeracin. El motor tirlinges una mquina trmica que puede operar con una fuente de energa externa siendo unsistema ms simplificado y de menor robustez. Adems para poder lograr temperaturascriognicas no necesita de una configuracin en cascada como los sistemas convencionalesde refrigeracin.El motor tirling tiene potencial para alcanzar altas eficiencias as como tambin lacapacidad de llegar a temperaturas criognicas reemplazando algunas aplicaciones delnitrgeno lquido. Puede emplearse en la conservacin de vacunas preservacin de tejidosbacterias virus etc.Debido a que la actividad mayoritaria en Mxico referente a la construccin de motores deciclo tirling se lleva a cabo de manera experimental en el presente trabajo se buscarealizar un prototipo de motor tirling como elemento enfriador con un enfoquemecatrnico contribuyendo a la investigacin terico-prctica de la construccin demotores tirling del pas y de esta manera funja como base en aplicaciones futurasmencionadas ms adelante.


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ntroduccinLos sistemas de refrigeracin tienen una gran incursin en la vida cotidiana. Su importanciase refleja en las aplicaciones donde so n empleado com o son: la climatizacin para alcanzarun grado de confort trmico adecuado para la habitabilidad de un edificio en zonas muyclidas o en temporadas de calor la conservacin de alimentos los procesos industrialesdonde requieren el enfkiamiento de maquinaria o m ateriales para su correcto desarrollo lacriognesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas para licuar gases en la transportacinde perecederos en investigaciones cientficas en la preservacin de vacunas rganostejidos virus bacterias entre otras.Anteriormente la conservacin de alimentos se lograba al llenar con hielo o nieve naturalpozos o cuevas. Ms tarde el hielo o la nieve eran almacenados en arcones o armarios.Posteriormente los mtodos usados para enfriar eran los mtodos de compresin y deabsorcin. El mtodo por com presin es el ms utilizado sin embargo el mtodo porabsorcin solo suele utilizarse cuando hay una fuente de calor residual. Otro mtodo esmediante un par termoelctrico que genera una diferencia de temperatura mediante unasustancia fra.En el presen te trabajo se desarro lla un prototipo para refrigeracin utilizando una mquinatrmica llamada motor Stirling, que trabaje en su ciclo inverso para que funcione comoextractor de calor. A pesar de que este sistema ya ha sido desarrollado en otros pases enM xico no ha tenido un gran desarrollo por lo que se aportar un mtodo alternativo a larefrigeracin1. Com o es un sistema ms simple tericamente requiere un menor consumoenergtico que la refrigeracin por compresin de vapor y representa una posiblealternativa econm ica a los sistemas de refrigeracin domsticos.

Comis in Federa l de Electricidad CFE). Mxico, hrtp://~ilivw .fide.r g . m


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Alcances Limitaciones PresupuestoEl motor Stirling que se desarrolla en el presente trabajo, est contemplado para que seutilice como elem ento enfriador para un uso dom stico. Sin embargo los sistemas derefrigeracin Stirling se han implementado con xito en aplicaciones criognicas por lo queresulta una posibilidad la de ampliar el rango de operacin para llegar a una temperaturams baja, dado que en los clculos hechos, basados en los modelos escogidos para larepresentacin del motor Stirling, se obtienen valores de una potencia requerida paraalimentar al sistema relativamente bajos por lo cual tericamen te se podra aum entar dichapotencia y en consecuen cia obtener una salida de temperatura m s baja en el sistema.Sin embargo al hacer uso de un modelo matemtico no muy complejo para describir elcomportamiento del motor Stirling se debe tomar en cuenta que entre menor sea lacomplejidad y se tenga un m ayor nmero d e consideraciones que limiten la condiciones delsistema, la aproximacin ser del mismo modo menos certera a un com portamiento real.Para el proyecto se contempl un financiamiento inicial de 5,000.00, el cual se estableciempricamente porque n o se hizo una m emoria previa a los costos de los materiales con losque se fabricaran las piezas.Tambin se consider el tiempo de manufactura de cada una de las piezas, ya que algunasse tuvieron q ue rehac er por fallas con las mquinas y las herram ientas. Otras se rehicieronpara lograr un acoplamiento optimo para el funcionamiento del mecanismo del motorStirling.


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Captulostado del rte


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aptulo : Estado el ArteIntroduccinEl motor Stirling como refrigerador tiene como fin extraer calor del fluido de trabajo haciaun medio exterior ms fro, y al mismo tiempo que el fluido termina su recorrido por elinterior del dispositivo. El refrigerador est formado por la propia cmara de compresin ya menudo tambin por un intercambiador auxiliar a la salida de sta [31 2El refrigerador es tan importante como el calentador en los motores Stirling sobre todo sise tiene en cuenta que debe expulsar casi el 50 de la energa que el motor recibe, y que lodebe hacer a la menor temperatura posible. Cuanto ms baja sea su temperatura, mejorrendimiento trmico se obtendr y menos se deteriorarn las juntas y gomas del motor [313Existen tipos de refrigeracin las cuales son las siguientes

1 Refiiaeracin por agua: si se dispone de una fuente inagotable de agua atemperatura ambiente ro, lago, red pblica.. . , slo hace falta bombearla por elinterior del refrigerador. Es la solucin ms eficiente, pero slo es utilizable enmotores de estado estacionario.

2 Refrigeracin por aire: en la mayora de casos la refrigeracin por aguacontinua no es posible, sea por la no estacionalidad del motor o por la ausencia deuna fuente viable, entonces hace falta transmitir el calor al aire, y esto se puedehacer de dos maneras:

a) Convencin directa con el aire mediante aletas metlicas: laconvencin puede ser natural o forzada. Es una transmisin poco eficiente yslo se utiliza en pequeos motores demostrativos o bien en motores lentos yno presurizados que hayan de funcionar desasistidos durante largos periodos.

Ver referencia 3 en la seccin de referencias bib liog rf ~a s.

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b) Circuito de agua con radiador: es la solucin utilizada, debido a sueficiencia de transmisin y a la libertad de m ovimien to que da al motor. Slopresenta el inconveniente de consumir energa para bombear el agua eimpu lsar el aire.

La refrigeracin con aire requiere ms salto trmico, esto significa que el gas puedecamb iar bruscamente de temperatura de una cmara a otra. Au nque si se refrigera co n aguapresenta tamb in una transferencia de calor muy buena [ l.

1.1 Antecedentes histricos en el desarrollofabricacin de motores Stirling.El motor Stirling se desarroll en 1816 como un invento creado por el reverendo y ministrode la iglesia de Escocia Robert Stirling y su hermano James Stirling los cuales dieron ungran impu lso al ciclo cerrado regenerativo [ 14 .En aquel entonces, las mquinas de vapor tenan una muy baja eficiencia, del 2 al 10 porciento, adems de que eran muy inseguras. Las calderas explotaban con relativa frecuencia,y el vapor se liberaba a una alta presin y tem peraturas bastante altas [14].El motor Stirling de aire caliente prometa superar los problemas que tena la mquina devapor, ya que gracias al uso de su regenerador tena una buena eficiencia, y en el casoprobable de que llegase a explotar, el aire caliente que se liberara no tendra grandesconsecu encias, y los riesgos seran men ores. Entre algunas aportaciones a lo largo de todoel siglo XIX y durante el esplendor de las mquinas de vapor, las cuales constituan lafuerza motriz de la m ayora de las industrias, se utilizaron en las zonas rurales la mayorade Escocia), la mayora de los motores Stirling del siglo XIX daban apenas una pequeapotencia unos pocos caballos de fuerza fraccionados) [14] y centenares de motores Stirlingse utilizaban para el bombeo de agua, maquinaria agrcola y otras aplicaciones de menorpotencia entre 0 1 y 4 Kw) se consideraban seguros y silenciosos para estas aplicaciones,sin embargo, el motor Stirling no pudo demostrar las expectativas que se tenan en ese


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momento puesto que haban tenido ms de un fracaso en las configuraciones de mayorpotencia [ l.El desarrollo de los motores de combustin interna a partir de la mitad del siglo XIX y lamejora experimentada en el refinamiento de los derivados del petrleo coloc a los motoresalternativos al frente de los motores trmicos. Este hecho acompaado de la invencin delos motores elctricos consigui que desde principios del siglo XX la mquina de vapor ylos motores Stirling fueran apartados de la industria [31.Mientras que la turbina de vapor se ha mejorado ms y ms hasta que hoy su eficienciagoza del ms del 45%, los motores de combustin interna Otto y Die.se1 prevalecieron parael uso en automviles y camiones y los motores Stirling casi fueron olvidados por el grantamao en relacin a ellos necesario para desarrollar altas potencias 14].El resurgimiento en el desarrollo e investigaciones con el motor Stirliitg naci en 1930 porla compaa holandesa Philips. Philips tena un gran inters en abrir nuevos mercados parasus aparatos de radio incluyendo zonas lejanas como frica y Asia. No haba suministro deelectricidad y pareca tener sentido el producir una pequea unidad de energa para generarla electricidad necesaria para las radios. Fue entonces que en la dcada de 1970 Philipscre una serie de motores Stirling con potencia de salida que alcanzaban los 1000 w. Apesar de que podra mejorar considerablemente el diseo de los motores Stirling ningunode los prototipos se convirti en un producto comercial [14].No obstante ha retomado inters en un grupo de la NASA en EE.UU. que se interesseriamente en l y comenz nuevamente su desarrollo. A partir de ah se han hechoimportantes aportaciones. A pesar de ello es poco el desarrollo que se ha alcanzado debidoprincipalmente a que no se ha empleado en muchas aplicaciones comerciales [ l.Uno de los estudios que ha tomado mayor importancia es la generacin de energa conmotores pues diversos ingenieros tambin se han centrado en su ciclo inverso donde elmotor Stirling se maneja y funciona como un sistema de bomba de calor o refrigeracin.Result que el ciclo Stirling se puede utilizar para la licuefaccin de aire y refrigeracin


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criognica en menor escala. En 1990 Stirling se convirti en una rama independiente dePhilips, y ahora opera como Stirling Cryogenics Refrigeration BV [ l.

1.2 Aplicaciones con en el Motor Stirling.Las aplicaciones antiguas comprenden desde la invencin del motor Stirling hasta iniciosde este siglo, en que fue una cierta competencia a la mquina a vapor [ ' 31 Posteriormente,en La Segunda Guerra Mundial los Laboratorios Philips de Holanda hicieron importantesavances en el estudio y desarrollo d e este motor I 1En los aos 60's y 70's se estudi el motor Stirling como una alternativa para proveerenerga elctrica en naves espaciales y tambin se comenz a tener prototipos para uso envehculos. Actualmente se sigue investigando com o m todo de proveer energa para lugaresaislados y usando fuentes de calor como la solar.De 1984 a 1996, en virtud del con trato d e la NASA con Me chanical Technology Inc. realizuna de las dos fases para desarrollar un programa en un motor Stirling de pistn libre(FPSE) que entregaba 25 w con un extrem o ms cal'iente, la temperatura de 776 C y uncoeficiente de temperatura de 2.0 251 C de temperatura de fro extremo).El objetivo de la Fa se era demostrar la viabilidad de utilizar un FP SE directamente unidoa un alternador lineal de imanes permanentes para atender a las necesidades de un espaciode generacin de energa en el sistema. El resultado, demostrador de potencia del espaciodel motor (SPDE) fue probado con xito en octubre de 1986, configurado como un dobleFPS terminado con la mitad del total de energa generada por lado. Un lmite inferior detemperatura de 376 C fue seleccionada mientras se mantena el radio de temperatura a 2.0para reducir el costo y el tiempo de trabajo [ I g 1Para la fase 11, el objetivo era demostrar que el motor operaba dentro de las temperaturas dediseo (776 C y 251 C ) y desarrollar sus componentes. Entre abril de 1990 y septiembre1996, los componentes de la prueba para el convertidor de potencia (CTPC) fueronprobados con xito. El CT PC utiliz un tubo lleno de sodio de calor radiante enfervorizado


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por calentado res elctricos a un suministro de calor para el sistema de bom beo y u n circuitode aceite mineral para extraer el calor del motor [ l.En las recientes investigaciones de la Universidad de Canterbury en Inglaterra hechas conel motor Stirling se han enfocado en el desarrollo de una batera elctrica com pacta capazde entregar 12 volts de tensin y 200 watts de potencia adecuad a en el uso de yates casasrodantes y viviendas distantes destinadas al aum ento de potencias ms elevadas [ 1 6 ]En otra de las investigaciones cuyo objetivo principal fue arrancar un motor Stirling pormedio de vapor obtenido desde el estado lquido del fluido de trabajo que recibi la energacalorfica se utiliz u n sistema de ciclo abierto el cual difiere del ciclo Stirlingconven cional ya que la baja temperatura de escape de vapor no es apropiada para rehusarseen el generador. Adems la alta friccin que ocurre cuand o el vapor fluye a travs delregenerador causa una cada de p resin que s e traduce como una baja eficiencia del motor.Una nueva y prometedora aplicacin del motor Stirling es su uso en la conversin de laenerga solar en electricidad por medio de platos con espejo parablico y motores Stirlingen el foco. Si bien estos dispo sitivos slo pueden ope rar bajo la luz directa del sol puedenser mucho m s eficientes que las celdas fotovoltaicas.

1 2 1 Uso en la refrigeracinEl ciclo Stirling inverso es excelente para aplicaciones de refrigeracin de hecho e s una delas mqu inas que permite alcanzar temperaturas criognicas.En el campo de aplicaciones de un enfriador Stirling de pistn libre mo delo IOO deGlobal CooIing BV [24 en la refrigeracin fue estudiado. Fue validado con una pequeacapacidad y con mejor eficiencia amp lio rango de temperatura y capacidad de modu lacinen operacin es su ficiente para enfriar bien un espacio aislado. Una aplicacin prctica essugerida aqu en el cual es empleado un FP SC y un fluido de transferencia de calorsecundario en vez de un compresor de vapor convencional. La temperatura en el congeladorfue de -20 C, en el estado estacionario los resultados de las pruebas muestra una mejoradel 25 en el consu mo d e energa sobre el original. La aplicacin del enfriador Stirling de


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pistn libre para un congelador en una temperatura ms baja tambin muestra un granpotencial [ l.Existe, tambin un m odelo de micro enfriador cuya forma de operacin es m anejado por unmotor de D de escobillas, es limpio, silencioso y altamente fiable. Este pequeo modeloha estado en operacin desde 1994. Ms de 30,000 han estado en el campo de laaeronutica y astronoma. Incluye un controlador de temperatura, que ofrece el m odo deespera, cierre a distancia y las opciones de proteccin ms actuales. Este micro enfriadorpuede satisfacer las exigencias de refrigeracin ms avanz adas con d etectores de infrarrojos[O1

La evolucin de los enfriadores Stirling de pistn libre continan con notables avances. Laseficiencias en la refrigeracin dome stica han rebasado el 32 de Carnot y han mostrado unrendimiento comp etitivo contra los refrigeradores convencionales por compresin de vapor[2 1

Los motores Stirling de pistn libre estn basados con caractersticas de diseo patentadolas cuales han evolucionado hoy en da gracias a la tecnologa actual de los prototipos quese han fabricado y que estn disponibles.Los diseos de S u n p ow e a se diferencian de los motores Stirling convencionales. Adems,porque los motores de Sunpower funcionan con rodam ientos de gas, utilizan alternadoreslineales compactos y tienen una mecn ica simple de configuracin, que ofrece importantesventajas sobre otros diseos de pistn libre. En comparacin, los motores Stirlingcinemticos son complicados y caros de construir, y requieren de lubricantes, sellos yrodamientos mecnicos que se combinan para restringir y limitar el rendimiento de vida.Adems, la potencia de salida es difcil de cambiar en el diseo cinerntico. SunpowerOtiene la combinacin nica de los rodamientos de gas, alternador lineal y compacto queofrece la mxima eficiencia y conformidad, motores Stirling de pistn libre disponiblesmeno s robustos. La tecnologa de Sunpower est respaldada por ms d e 30 patentes en losEstados Unidos y 80 patentes a nivel mundial [251


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1 3 Ventajas Desventajas del Motor Stirling.A diferencia de un motor de combustin interna, un motor Stirling no intercambia el fluidode trabajo en cada ciclo, pero mantiene el gas permanentemente. El gas se desplaza entre laparte fra y la parte caliente del motor, y la contraccin trmica y expansin del gas seconvierte en su fuente de poder.El calor se suministra en la parte externa del motor, de modo que cualquier fuente de calores adecuada para sustentar a un motor Stirling. As pues, un motor Stirling puede serimpulsado por combustibles a base de carbono carbn, gas natural, gasolina, diesel),hidrgeno, radiacin solar, energa nuclear, as como calor residual de procesosindustriales. Si se utilizara un combustible que se quema continuamente, implicara unaamplia reduccin de las emisiones de los motores de combustin interna alternativos.Adems, los motores Stirling pueden alcanzar mayor eficiencia trmica que los motores decombustin interna Otto y Diesel. Los cambios de presin en el motor son suaves, tiene unpar muy uniforme, no hay vlvulas, ni tubos de escape, entre otras cualidades. De maneraque los motores Stirling estn funcionando sin problemas y de una manera muy silenciosa.De acuerdo con SOLO Kleinmotoren GmbHO 4 los motores Stirling requieren serreparados entre un intervalo de 5,000 y 10,000 horas, y cuentan con un ciclo de vida deaproximadamente 30,000 horas.Con lo dicho anteriormente, resulta sorprendente que no haya muchos motores Stirling enel mundo. Pero, en la actualidad no es posible construir un motor Stirling de altorendimiento a un precio competitivo. Con el fin de tener una alta potencia especfica Kwpor litro de cilindrada), el gas debe ser de gran presin 190 bares , causando enormesproblemas de sellado contra el medio ambiente y la lubricacin. Debido a estos sellos esque en una gran parte de la mecnica se producen prdidas.


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La eficiencia aumenta con la diferencia de temperatura entre la parte fra y caliente delmotor. Por lo tanto los motores altamente eficientes requieren materiales no estndar quepuedan funcionar a temperaturas de 75 C o ms [14]

Las caractersticas principales del m otor Stirling son:Rendimiento: el motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, locual le permite tericamente alcanzar el lmite mxim o de rendimiento.Fuente de Calor Externa: este motor intercambia el calor con el exterior por lo tanto esadaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operacin. Se han construidomotores Stirling que usan como fuente de calor la energa nuclear energa solarcombu stibles fsiles calor de desecho de procesos etc. Al ser de combustin externa elproceso de combu stin 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 fuen te de calor es externa.Esto hace que este motor sea potencialmente de muy bajo nivel de emisiones.Com o contrapartida a estas caractersticas favorables est el hecho de que el fluido detrabajo es un g as lo cual acarrea dificultades operativas. En la prctica se ha visto que losfluidos de trabajo viables son el hidrgeno y el helio amb os por buenas propiedadestermodinmicas y fisicas [ l 2 31.Una de las metodologas que se usa para el rediseo de los motores Stirling est basada enel acoplamiento de los modelos Senft Schmidt y de Petrescu para el clculo de potenciaen los motores Stirling tipo gama aplicando la cantidad de trabajo irreversible y laoptimizacin trmica por medio del teorema de Gouy Stodola. Al aplicar la metodologase reduce el volumen muerto aumenta la eficiencia y la entropa generada se reduce. Losresultados son reflejados en la determinacin del valor de la carga ptima de fluido detrabajo y el ngulo de carga as como el valor de una constante para obtener unaaproximacin a la potencia real [ 221.Algunos modelos de clculo existentes son actualmente empleados para las dosconfiguraciones bsicas de un motor Stirling, beta y gama. Estos modelos se basan


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actualmente en las primeras aproximaciones calculadas del ciclo trmico que puede realizarcualquier motor del tipo comn y que pueden llevarse a cabo por medio de la ecuacin deestado. Al aplicar los datos conocidos del motor en algunos modelos se obtienen resultadosque incluyen la potencia y velocidad del motor. Algunos de esos modelos son incompletospara consideraciones reales pero muestran cmo el ciclo se aproxima al ciclo de Carnot Enel modelo de chmidt se considera al motor aplicndole la ecuacin de estado por medio deun anlisis de la geometra que se presenta. Tomando en cuenta la geometra se obtiene uncomportamiento que deja de ser adecuado por no considerar los diferentes tipos de prdidasque se presentan en estos motores. Los resultados que se obtienen de trabajo potencia yrendimiento con el modelo de chrnidt son altos [ 231


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Captuloarco Terico


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aptulo : Mnrco TericoIntroduccinSe define mquina S tirling como aquel dispositivo que conv ierte calor en trabajo oviceversa a travs de un ciclo termodinm ico regenerativo con compresin y expansincclicas del fluido de trabajo operando dicho fluido entre dos temperaturas la del fococaliente y la del foco fro 13 .Cuando la mquina opera de modo volumtrico recibe propiamente el nombre de mquinaStirling mientras que si opera mediante flujo permanente continuo se denomina mquinaEricsson 13]

2.1 ClaszJicacin de Motores StirlingActualmente se puede encontrar una gran variedad de configuraciones en los motoresStirling si bien existe una gran diversidad de motores con caractersticas variadas a lamayora se le puede ubicar dentro de una clasificacin generalizada que separa los mo toresen tres tipos principales alfa beta y gamma.Cabe m encionar que a parte de esta clasificacin general existen otros tipos de motores queno caen estrictamente dentro de alguno de los tipos mencionad os ms bien son motoresque com parten algunas sus caractersticas pero se les han hecho modificaciones a partir delos tipos anteriores como los motores Stirling de pistn liquido motor Ringbom y motor depistn libre.

2.1.1 Motor Tipo AlfaEste tipo de motor consta de dos cmaras .independientes conectadas entre s por unconducto en el que se puede llevar a cabo la regeneracin del fluido de trabajo para elaprovecham iento del calor suministrado una de las cmaras debe ser la zona caliente delsistema y la otra zona fra para que el ciclo Stirling se lleve a cabo dentro de cada cmara


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hay un pistn el cual desplaza el fluido de trabajo de una cmara a la otra y cada pistn estdesfasado 90 grados en su movimiento respecto al otro.

Figura 2 l Motor tipo alfa

2.1.2 Motor Tipo BetaEl motor original de Stirling era de este tipo est constituido por un solo cilindro quecontiene un pistn y un desplazador que actan en la misma lnea de accin en el extremosuperior del cilindro vase igura 2 se tiene la zona caliente donde el fluido de trabajo esmovido por el desplazador hacia la zona fra y viceversa pudiendo haber una etapa deregeneracin del fluido de trabajo entre estas dos zonas que ayudara mantener la diferenciade temperaturas en el cilindro cabe resaltar que en este tipo de motor la zona caliente y fradepende de que ciclo Stirling se est trabajando el motor ya sea el ciclo normal o el inverso.Debido a que estos motores solo constan de un cilindro pueden ser motores mas compactos

desde el punto de vista termodinmico es el motor ms eficiente.


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Figura 2 2 Molor fipo beta

2 1 3 Motor Tipo ammaEste tipo de motor se deriva del beta y consta de dos cilindros separados en el cilindrocaliente se ubica el desplazador mientras que en el fri esta el pistn de potencia estos semueven desfasados 90 grados entre s y la etapa de regeneracin puede ser incluida en launin de los dos cilindros o bien en el cilindro que contiene al desplazador estos motoresson ms sencillos de construir pero debido a su diseo presentan la desventaja de tener msvolumen muerto lo cual lleva una mayor ineficiencia en el ciclo Stirling.

Figura 2 3 Mofor fipo gamma


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2 2 Motores EspecialesExisten otros ejemplares de motores Stirling, que suelen ser variaciones de las tresconfiguraciones mencionadas anteriormente.2 2 1 Motor RingbomSe trata de un motor tipo gamma en el que el vstago del desplazador no tiene ningunaconexin mecnica con el cigeal permitindole moverse libremente en funcin de lasvariaciones internas de la presin en el motor estando dicho movimiento nicamentelimitado por dos juntas tricas de material elstico que amortiguan su choque al alcanzarlos punto muerto inferior y punto muerto superior respectivamente.

Figura 2 4 Motor Ringbom.

2 2 2 Motor de Pistn LibreEste motor Stirling basado en el tipo beta tanto el desplazador como el pistn se muevensin estar ligados mecnicamente a ningn eje giratorio. Cuando no se necesita obtener lapotencia en un eje giratorio el motor de ciclo Stirling se puede simplificar su diseo.La alta fiabilidad larga vida la eficiencia en su funcionamiento hacen que los motoresStirling de pistn libre [ l FPSE, por sus siglas en ingles Free Piston Stirling Enginestengan una buena potencia en su sistema para satisfacer las necesidades que requieran


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energa en un espacio reducido. Los FPS son tambin flexibles en su configuracin yaque pueden ir acompaados de un gran nmero de fuentes de calor sistemas de rechazo de

[l 221calor administracin de energa y sistemas de distribucin

Alte>nador ResorteLIR PIanarRegenerador

\ i /\ -- . /esplazador Pistn

Figu ra 2. 5 . Motor de pistbn libre.

2 2 3 Motor de Pistn quidoEl mo tor de pistn lquido posee una simplicidad mecnica y lo hace ideal en su uso com obomba de riego en zonas lejanas donde la energa convencional de fuentes y servicios demantenimiento no estn disponibles o son difciles de obtener [31En este tipo de motor el pistn y el desplazad or han sido sustituidos por un lquido. Elfuncionamiento es similar al motor tipo alfa y para que el conjunto funcione correctamentees necesario que la frecuencia de oscilacin del tubo desplazador y del tubo de potenciasean la misma ya que de lo contrario se perder el desfase de 9 grados que debe d e existirentre el movimiento del desplazador y el del pistn de todo motor Stirling La realizacindel motor de pistn lquido exige algunos clculos complicados en el diseo de la forma ylas longitudes de los tubos desplazador y de potencia aadiendo en algunos casos un tercertubo llamado sintonizador que permite que el conjunto alcance una frecuencia deresonancia que permita su funcionam iento continuo.


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El principio bsico del motor tirling de pistn Iquido es que tanto la salida de los pistonescomo el desplazador son lquidos. Como la columna del Iquido desplazador oscila enforma de en el tubo, por encima de la superficie del Iquido el gas se transfiere haciaadelante y hacia atrs entre los espacios fros y calientes. El resultado en las variaciones depresin acta sobre el Iquido en la columna de salida, lo que provoca que se mueva. Unmotor convencional tirling en esta configuracin con cilindro desplazador sellado y elcilindro de potencia separado abierto a la atmsfera en un extremo) se denomina unaconfiguracin de mquina de rayos gamma.

Figura 2 6 Motor de pistn liquido


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2.3 Ciclo StirlingLas mqu inas que operan en e l ciclo Stirling son de los motores ms eficientes que hay [ I s lcomo m otor pueden trabajar con cualquier fuente de calor incluyendo la solar), y cuandoopera como refrigerador o fuente de calor, ofrece la posibilidad de hacer uso derefrigerantes que no son dainos con el medio ambiente, tales como el aire [ I g 1

CALOR ENTRANTE: F ~ i m t t e c al or >

alor

in

MOTORitcrocerrado~ L . Ccon tenegas dr

kIbl0:

CALOR SALIENTE

h l x o r = i h d e ~ l o r mi intercanbiacbr

I ~ * ~ C W I S ~ Oel desplazador

R e g m n a d o rALMACEWAMlENTOTEMPORAL DECALOR

Mecanlarno ec3

npansian compreston

Rechayo de c lor el intemmbiador

(Medio Ambiente)

CALORENTRANTE~ E S P ~ C I Of i o

Calor in

F n

CALOR SALIENTE

REFRIGER 1 D 0 9 ;E O M MDEM O Ru d oe r r a d oqbecontieneel gas detrabajo1

REDDEENTRADA

Cbsorctwide c lorerel ir:ercfcnbador

rdecanismo de desplazador

Regene'ado-ALMACENAMIENTOTEMPORAL OECALOR

f>canism o deY

expansian compresion

Rechuzo de wia enel in ercsmbador

Figura 2. 7 Diagrama de bloques del ciclo Stirling: A Motor B refrigerndor o bomba de calor.

En un motor de ciclo Stirling ideal las diversas partes que lo componen interactan paraproducir cuatro procesos termodinmicos separados. Esos procesos se ilustran acontinuacin utilizando la configuracin de un motor tipo Beta y se muestran losdiagramas de Presin Volum en y Temperatura - Entropa verfigura 2.8 . Ntese quepara el ciclo ideal de Stirling las zonas del regen erador, as como el espacio para el paso defluido de trabajo se considera que su vo lumen e s igual a cero:


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Figura 2. 8. Proceso Termodinmico de un Ciclo Stirling Ideol. Diogramas A) presin volumen, B) temperaturo -entropia.

a -- 7 -i---nc-ar

P d 6 n Ps)

\ L\..

2 Expansin isotrmica temperatura constante):

--- -- - --- .~ I ~

Temperatura C)

La elevada presin del gas de trabajo absorbe el calor de la zona caliente y este se expandede m anera isotrmica, provocando as movimiento en el pistn de potencia.2 Desplazamiento isocrico volumen constante):El pistn desplazador transfiere todo el fluido de trabajo a volumen constante a travs delregenerador hacia la zona fra del motor. El calor es absorbido del gas mientras este pasa atravs del regenerador, de esta manera se reduce la temperatura del fluido de trabajo cuandoingresa a la zona fra del motor. Como la temperatura del fluido de trabajo se redujo, lapresin del gas c ae significativamente.3 4 Compresin isotrmica:El pistn de poder, produce un trabajo en el fluido de trabajo y o comprime de formaisotrmica a la temperatura ms baja de trabajo y liberando un poco mas de calor en estazona, com o el gas est a baja presin men os trabajo es requerido para su com presin que eltrabajo obtenido del fluido de trabajo durante la expansin en 1 2). Por lo tanto elsistema produce trabajo.4 I Desplazamiento isocrico:


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El pistn desplazador transfiere todo el fluido de trabajo a volumen constante a travs delregenerador a la zona caliente del motor. El calor es suministrado al fluido de trabajomientras pasa por el regenerador recolectando el calor con el de la zona caliente. medidaque la temperatura aumenta la presin del gas aumenta significativamente y el sistema

[18 9regresa a sus condiciones iniciales

2 4 Ciclo Stirling InversoEl ciclo inverso Stirling ideal para refrigeracin o como bomba de calor es en efectoidntico al ciclo Stirling ex epto que la zona caliente del motor ahora se convierte en lazona fra del mismo y la zona fra de dispersin de calor ahora se convierte en la zonacaliente.El proceso termodinmico para la refrigeracin o bombeo de calor se ilustra utilizando unaconfiguracin de motor Stirling tipo beta y se muestran los diagramas de Presin-Volumeny Temperatura-Entropa en la siguiente figura. Debido a que el ciclo inverso de Stirlingtiende a tener una menor diferencia de temperatura entre la zona fra y caliente del motorlas curvas que describen el diagrama Temperatura-Entropa en las etapas isocricas seaproximan a describirse como lneas rectas. Ntese que para el ciclo inverso ideal deStirling las zonas del regenerador as como el espacio para el paso de fluido de trabajo seconsidera que su volumen es igual a cero 1 8 ] .

I l

T~np rstur iC)

Figura 2. 9. Proc eso T ermodinm ico de un Ciclo Siirling Ideal en forma Inversa, como refrigerador. Diagramas Apresin-volumen, B temperatura-entropia.


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Expansin isotrmica temperatura constante):El gas de trabajo a baja presin se expande a isotrmicamente en la zona fra del motor a latemperatura ms baja del proceso, en esta zona absorbe el calor existente y se produce untrabajo en el pistn de potencia.

3 Desplazamiento isocrico volumen constante):El pistn desplazador transfiere el fluido de trabajo a volumen constante a la zona calientedel m otor. El regenerador transfiere calor al fluido de trabajo mientras pasa a travs de l,esto eleva la temperatura del fluido que se encuentra en la zona caliente y debido a esteincremento de temperatura la presin del fluido de trabajo se incrementasignificativamente.3 4 Compresin isotrmica:El pistn de potencia aplica trabajo al fluido de trabajo y lo comprime a temperaturaconstante en la zona c aliente del m otor, aqu parte del calor es extrado. Com o el fluido detrabajo est a temperatura alta se requiere ms trabajo para llevar a cabo la com presin queel que fue obtenido durante la expansin del fluido de trabajo en 1 2 . Por lo tanto elsistema necesita una entrada de trabajo para fun cionar.4 Desplazamiento isocrico:El pistn desplazador transfiere todo el fluido de trabajo a volumen constante a travs delregenerador hacia la zona fra del motor. El calor es absorbido del fluido de trabajo amedida que pasa por el regenerador, decrementando la temperatura del fluido en la zonafra del m otor. Conforme la temperatura se redu ce la presin del fluido de trabajo se reducesignificativamente y el sistema regresa a sus cond iciones iniciales.En la actualidad no se sabe con claridad si Stirling tena el concepto de intercambiadorreversible de calor, pero la descripcin que llev a cabo sobre el principio defuncionamiento del regenerador plantea la posibilidad de que pensaba en esto como unlmite ideal. Con esto se prom eta los ahorros de energa que todos pedan.


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ab rde

Entrada


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construido en 8 8 aparentemente fue todo un suceso tecnolgico com o se reporta en 1845[ l. Es claro que la prioridad de tirling trabajaba correctamente y logro resultadosfavorables en la nueva mquina.

Desafortunadamente las investigaciones llevadas a cabo a lo largo de los ltimos aos entermodinmica mecnica de fluidos de fluidos y transferencia de calor indican que eldiseo y clculo de los regeneradores no es cosa de rutina hay que tomar en cuentavariables muy importantes. Actualmente al regenerador se le clasifica dentro de los equiposde intercambio de calor del cual existen dos tipos; dinmico y esttico. En el caso de losmotores Stirling el tipo de regenerador que se utiliza generalmente es el esttico [ l.


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2 6 nlisis IsotrmicoEl mod elo ideal a temperatura constante se mue stra a continuacin verfigura2.11 [ lh :

amaraEspario de Fr ia amaraalienrr spacio dr

Figirrn 2 1 1 modelo isotkrmico idealPara poder llevar a cabo este anlisis se consideran las siguientes restricciones:

El gas en la cmara de expansin se encuentra a la misma tem peratura que elextractor de calorEl gas en la cmara de com presin se encuentra a la misma temp eratura que eldisipador de calorEl volumen del espacio de trabajo vara sinodalmenteLos intercambiadores de calor son 100 eficientes

Para abordar el anlisis se plantea que la masa total del g as en la m quina es constante:


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Donde:: masa total de gas

mc : masa de la cmara de compresinmk : masa del disipadormr masa del regeneradormh masa del extractor de calorme masa de la cmara de expansin

Sustituyendo en la ecuacin general de los gases PV = mRT se tiene:= P VCIT ,+ v , / T , V ,/ T ,+ V, , / T , + ~ e l T , , ) l ~

Para evaluar la masa del gas la temperatura del regenerador debe ser conocida. Entonces sesupone un regenerador ideal el cual tiene un perfil lineal de temperatura entre T, T verigura 2.12 .

Figura 2 12 fe / de temperatura en el regenerador.


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Por lo tanto el perfil de la temperatura en el regenerador es:T x ) = T , T , x l L , . +T,

Donde Lr es la longitud del regenerador.La masas total del gas mr en el espacio vaco del regenerador y el volumen Vr delregenerador estn d ados por:

mr = r i v rDonde es la densidad.A partir de la ecuacin d e gases ideales y la constan te libre de rea de flujo Ar se tiene:

P = mRT 2.5)dVr = Ardx 2.6)Vr = ArLr 2.7)Sustituyendo m , Vr y dVr en la ecuacin anterior se obtiene:VrPmr = jo 1 xR T , - T , ) x + T , L ~

Integrando y simplificando se obtiene:

Despus definiendo la temperatura del gas en el regenerador en trmin os de la ecuacin degases ideales se obtiene:

Com parando e igualando las ecuaciones se tiene:

Dado el volumen y las variaciones V, y Ve a ecuacin 2.9 para la presin en funcinde Ve y V, queda como:


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ltrabajo realizado por el sistema durante un ciclo completo se obtiene mediante la integralcclica de P y d V .

Ahora considerando el m odelo isotrmico ideal desde el punto de vista del flujo de energa.La transferencia de calor del entorno exterior las temperaturas T y T y para investigar latransferencia de calor de los espacios de separacin entre el extractor y el disipador esnecesario considerar la ecuacin de en erga del gas de trabajo.na celda generalizada verfigura 2.13 puede ser reducida a una celda de intercambiador

de calor. Donde la entalpa es transportada por medio de un flujo de masa m y unatemperatura 7 ; y fuera de la celda por m edio de un flujo de m asa m y una temperatura TEl operador derivativo esta denotado por d.

Celda Ger~er nIi~ dn

Figura 2. 13. Pe l de celda generalizada.


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La ecuacin de energa para el trabajo del gas en la celda generalizada se denota como:d Q + ( c p c m , - c p ~ m O t ) =W c v d ( m ~ ) 2.14)

Donde cp y v son calores especficos del gas a presin y a volumen constante. Estaecuacin es conocida como la ecuacin de energa para flujo variable donde la energacintica y potencial es despreciada. Entonces para este anlisis se tiene T, T un valorconstante. A partir de las consideraciones de conservacin de la masa la diferencia en elflujo de masa mi m, es igual a la tasa de acumulacin de masa dentro de la celda dm. Deesta manera se simplifica la ecuacin quedando:

d Q = d W R T d m 2.16)Donde la constante de los gases es R cp cv.El calor neto transferido al gas durante el ciclo Q esta dado por la integracin de dQ cclico.Sin embargo la suposicin de que el estado de equilibrio cclico se ha alcanzado implicaque el cambio cclico en la masa de gas m es cero para cada una de las clulas. Por lo tantola aplicacin de la ecuacin anterior a cada una de las celdas isotrmicas y la integracin delas celdas durante el ciclo se obtienen los espacios de trabajo:

Similarmente para el espacio del intercambiador de calor en no hay trabajo:

Estos resultados no implican que todos los intercambiadores de calor en el motor Stirlingideal sean redundantes debido a que la totalidad de dicha transferencia se produce a travsde las fronteras de la compresin y expansin de los espacios.


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No puede ser correcto que se mantengan las temperaturas constantes en las cmaras deexpansin y compresin, ya que las paredes de los cilindros no estn diseadas para latransferencia de calor. En la prctica las mquinas de compresin y expansin de losespacios tienden a ser ms adiabticos que isotrmicos.

Presin

Transferencia de CalordVcQc = w c = j ( ~ ~ ) d o

Trabajo EntregadoW = W c + W eq = W l Q e Eficiencia

2.7 Rendimiento del Ciclo StirlingSuponiendo que el fluido de trabajo es un gas ideal. De acuerdo al segundo principio, elrendimiento del ciclo ser [ 9 ] :

v=1-Qc /QDonde Qccdes calor cedido, lo cual se puede escribir como :

Considerando que Q =-Q en magnitud (solo de signos opuestos) en el caso de un gasideal, pues se trata de calentarnientos o enfriamientos a volumen constante entre las mismasdos temp eraturas, es decir:

~ = C ~ , ( T ~T , ) = - ~ ~ = - C ~ . I ( T ~ - ~ ) (2.22)Por lo tanto en el numerador Q y Q se anulan, as que el rendimiento qu eda como:


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Se observa que si el regenerador funciona, se logra recuperar el calor Q para que sirvacomo Q . De all en adelante se recupera en forma interna, por lo tanto el rendimiento quedacomo:

Como la evolucin 1 2 es isotrmica a T,, se tiene que:

Qc R ' T , , I ~ ( P ,4 ) (2 .26)Donde 4 = [R 'T ,.I~ (P , ~ ~ ) - Q , .R ' T , I ~ ( ~P 2 ) ~ l [ R ' ~ . .~ P ,e ]Se demuestra que P, l e ) / < 4 n efecto PV = R ' T P , le)=41P,)= Vmin VmaxEsto toma en cuenta las isotrmicas, por lo tanto 4 = -TI IT, que es el rendim iento deCarnot


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2 8 Modelos TermodinmicosPara obtener el anlisis del comportamiento del ciclo del motor Stirling se utilizandiferentes modelos termodinmicos. Mediante los cuales se obtienen los diagramas yparmetros necesarios para llevar a cabo la optimizacin adecuada del m otor Stirling. Cabemencionar que cada modelo termodinm ico po see sus propias consideraciones.

2 8 1 Modelo SchmidtAdems de ser uno de los ms utilizados por tener una buena aproximacin a resultadosreales se puede toma como base para llevar a cabo un estud io ms completo.Para el desarrollo del trabajo se utilizo el modelo Senft-Schmidt en el cual Jarnes R. Senftretom el trabajo de Schmidt y le realiz ajustes para obtener el trabajo irreversible W,)considerando los espacios muertos del mo tor Stirling.

2 8 2 Modelo PetrescuPosteriormente se utiliza un mtodo realizado por Petrescu [23 el cual parte de un mtododirecto para la integracin directa de la ecuacin de la primera ley de la termodinmica q ueconsidera al trabajo con la presin media P,) indicada del ciclo.En el mtodo de Petrescu se incorporan tres tipos de prdidas por presin que estnpresentes en los motores Stirling. Las cules son debidas a la friccin mecnica al flujo enel regenerador mejor conocidas como prdidas por estrangulamiento y por velocidad delpistn.Utilizando la formula [22 e1 modelo de Senft-Schmidt y el mtodo de Petrescu se integranpara obtener una metodologa que fusiona la geometra de los motores Stirling con sucomportamiento trmico.


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Donde Wre es el trabajo reversible que produce el motor y Wperd son las perdidas deltrabajo disponible.

2 8 3 Modelo Sen SchmidtEs un anlisis isotrmico para motores de ciclo Stirling, cuya teora se basa en la expansiny compresin de un gas ideal, con un movimiento armnico de los pistones y unaregeneracin ideal. Otras de las consideraciones de este m odelo son:Los cambios de volumen del fluido de trabajo se dan de manera senoidal. La cantidad defluido de trabajo es constante.La temperatura del fluido de trabajo en el regenerador es un promedio entre la temperaturade la cmara del desplazador y la cmara del pistn de potencia. La temperatura de lasparedes de los cilindros del pistn y desplazador son constantes.

2 8 3 1 Ecuaciones del Modelo Senf SchmidtV = - l + ~ l + c o s o ) ) + X+ I 2 Volumen instantneo

P = P t l Y x2Y x os w e Presin instantneaDonde es el ngulo instantneodel cigeal en grados

Desplazamiento= arccos angu lar del cigeal

Presin media

Presin media

Presin mximainterna


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vTP,,,n i ~in r

Presin mnimainterna

Relacin detemperaturas respecto

al ngulo entrecilindros

Relacin detemperaturas

Trabajo indicado

Trabajo reversible

2 8 3 2 Ecuaciones del Modelo P etrescu

Integrando se obtiene

[ VOIl f m , id.= J P m , i d v f a - k b -c 2Pm, i -Pm, iEl trabajo irreversible queda


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Captuloiseo onceptual


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rrptulo : Diseo onceptunlIntroduccinEn el presente trabajo se desarroll la configuracin bet la cual se constituye de 2 pistonesen el mismo cilindro y en un mismo eje uno de ellos fung e como pistn desplazador.Como ya se sabe su funcin es la expansin y compresin d el gas para extraer el calor de lacmara aislada trmicamente y lograr temperaturas de C y -5 C. Cabe mencionar quelos anlisis previos a la construccin se basan en esta co nfiguracin y que se eligi porquees la m s sencilla de construir y de hacerle pruebas.

Figirra 3 1 Esquema de lo conjigurocin bela del motor Stirling W ork ing :Lodel .El tamao del motor es de acuerdo a las consideraciones terico analticas otro aspecto aconsiderarse es la relacin de compresin y volumen mximo que se obtienen a travs delciclo terico hasta alcanzar la potencia de entrada deseada. La presin mnima ser lapresin atmosfrica a nivel del mar. Estas secciones igualmente sern evaluadas mediantela relacin costo bene ficio.3 1 Integracin del SistemaEl diseo de las piezas y compo nentes se desarroll en el software Solid WorksB Una vezdiseadas las piezas y dimensiones del motor se procedi a maquinarlas en el TornoHorizontal Fresadora y CNC dejando un espesor de lmm para su rectificacin. staltima se realiz en un taller especializado.


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Sucesivamente se realiz un acoplamiento mecnico entre el motor Stirling y un motorelctrico para inducir movimiento en el motor Stirling, se eligi el motor elctricoconveniente de acuerdo a la potencia de entrada necesaria en el motor Stirling.Consecutivamente se realiza la instrumentacin del sistema instalando un medidor detemperatura e n el cilindro enfriador del motor y checar la temperatura que indique el sensorcon la temperatura ambiente en ese mom ento un medido r de velocidad y un medidordigital de potencia elctrica para el motor elctrico.El siguiente diagrama de bloques verJigura 3.2 representa la integracin general de cadauno de los elementos principales de los que consta el de motor Stirling en configuracinbeta.

Cmara De Refrigeracinislada Termicamente

Figum 3 2 Diagrama general del prototipo

En el siguiente diagrama verfigura3.3 se tiene el desglose de cada uno d e los elementosms representativos qu e intervienen directamente en el funcion amiento del sistem a. Dichode otra forma es la integracin de cada una d e las partes especficas qu e interactan en elsistema.


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iseodel istema


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nptulo4: Diseo del sistemaIntroduccinEn el desarrollo del presente trabajo para abordar el diseo el dimensionamiento y laelaboracin de los planos del motor Stirling se adopt una metodologa basada en elrediseo de motores Stirling [ l . As como tambin para la validacin y optimizacin delmismo y posteriormente su correcto funcionamiento.Inicialmente se establecieron las condiciones de operacin y se obtuvo un anlisistermodinmico empleando la primera ley de la termodinmica. Mediante el anlisistermodinmico se obtuvo el trabajo necesario que debe introducirse al sistema mbolo-cilindro para conseguir la temperatura deseada en la cmara de enfriamiento del motorStirling. Mediante dicho trabajo se obtuvo una potencia y sta sirvi de base para realizar elanlisis cinemtico del sistema cintico biela manivela. Una vez realizados estos anlisis seobtuvo el clculo de la potencia mnima a cubrir por el motor elctrico para mover elsistema. Finalmente se realizaron los planos del motor Stirling, del acoplamiento mecnicoentre ambos motores.

4 Implementacin de la metodologaEl diagrama de flujo de la metodologa adoptada v e r h l r a 4.1 se observa claramente queel proceso a seguir en general es iterativo hasta alcanzar u n valor ptimo. Adems deproponer las condiciones de operacin cabe mencionar que existe una infinidad de valorescaractersticos de un motor Stirling para proponer y evaluarlos en la metodologa. Por talmotivo para establecer un punto de partida se obtuvieron los siguientes datos de un motor[24 de la misma configuracin beta.

a Carrera del pistn6 DimetrodelpistnC Carrera del desplazadord Dimetro del desplazadore Volumen muertol ngulo de desfasumiento


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Los siguientes datos se requieren para evaluarlos de acuerdo a la metodologa adoptadaa Temperatura del cilindro del desplazador TH)b Temperatura del cilindro del pistn Tc)C) Temperatura en el regenerador TR)d Presin mximae) Presin mnimaJ Velocidad angularg ngulo del cigealh ngulo de desfasamiento entre cilindros para inicio de clculos)i ConstanteR deljluido a emplearj Calor espec@co del fluido a presin consfantek Calor especzjico delfluido a volumen constante

Obtencin de primeros datoscalculados emp leandom todo Senfl Schmidt

Fin\ r 1

Incremento Decremento

Localizacin delngulo de carga

Obtencin denuevos datoscalculados i

Incremento

No NoFigura 4. 1 Diagrama de flujo de la merodologia adoptada.


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Las medidas de referencia obtenidas del motor Stirling tipo beta r24 son las siguientes:Carrera del pistn Xp).:0.044 mDimetro del pistn IDp): 0.038 mCarrera d el desplazador XD):O04 mDimetro del desplazador DD):0.067 mVolumen muerto Vd:1.746~10-mngulo de desfasamiento entre desplazador y pistn a ) :76.225

En los valores propuestos la temperatura del regenerador TR=245.65 K ) es un promedioentre la temperatura mxima T H =193.15K y la temperatura ambiente (Tc=298. 15 K). Lavelocidad angular n 104.7 rad/s) se propone arbitrariamente de 1O00 rpm, para calc ular lapotencia.Los valores de las presiones, mxima P,,,, =115.06 kPa) y mnima Pmi,= 80.5 kPa) seobtuvieron de las ecuaciones del Modelo Senft Schmidt ecuaciones 2.33y 2.34).

mRT,.pmax

Donde:m . masa del fluidoR: constante del fluidoVD: olumen barrido por el desplazadorX: Relacin entre razn de volmenes y temperatura respecto al ngulo entrecilindrosY relacin entre razn de temperaturas y de volmenes incluyendo el volumenmuerto

En la tabla se muestran los datos requeridos para el estudio termodinmico.


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Tabla 1 Dafos a eijal~rar n la merodologa.

Carrera del pistnCarrera del desplazador

Dimetro interior de la camisa del pistnDimetro interior de la camisa del desplazadorVolumen muerto en el motor

Temperatura del cilindro del desplazadorTemperatura del cilindro del pistn

Temperatura en el regeneradorPresin maximaPresin minima

Velocidad angularngu~o el cigUe al 0-360)

ngulo de desfasamiento entre desplazador y pistnConstante R del gas a emplearCalor especifico a Presin constante

Calor especifico a Volumen constante

Nomenclatura Unidades Valorm 2.04 x lo-'

lb m 1 . 9 8 ~o-'P ni 3.30 x lo-o n 3.325 x lo-:

L m m 1.746 x 1O-T K 193.15Tc 298.15TR 245.65m kPa 115.06

tm kPa 80.5I rou 104.7

a 10- 10a

a76.225R sK O 287

P gK 1.019C (pK O 738

Como primer paso se calculan los volmenes del motor en base a consideracionesgeomtricas.Volumen barrido por el pistn:

V p= 1.7448~ 0 - ~ m ~Volumen ba md o por el desplazador:


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Volumen total del motor:Vr V , V D v,V , =1.7448~10-'+1.7192~10-'+1.746x10-' =5.21x10-~V , = 5.21 x 10-'m3Posteriormente se calcula el valor total de la masa del fluido de trabajo en base a la leygeneral de los gases o ecuacin de estado P V mRT.

P max V , P max V D Pmax V ,m = R T,. R Tc RTcm = (115.06)(1.7448~10 ) (115.06)(1.7192~10~') (115.06)(1.746~10~') 9 .5386~(0.2871298.15) (0.2871193.15) (0.2871193.15)m 9.5386 x lo-' kEl modelo Senft - Schmidt inicia con el clculo de la presin m edia Para esto es necesarioencontrar algunas razones de temperatura y volumen

Sustituyendo los valores en la ecuacin para la presin media [ ecuacin 2.32).


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Los resultados obtenidos son:

Los valores de presin media y el volum en total se sustituyen para cada ngulo del cigealy poder obtener el volumen instantneo y la presin instantnea en base al desplazamientoangular del cigeal.

arccos 0 4321rad

En la t bl se muestran los valores de volmenes y p resiones instantneas.


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Tabla 2 Volmenes presiones inslantneas

ngulo del Volumen Presin ngulo del Volumen Presibncigeal instantneo instantnea cigeal instantneo instantnea

ti)7 836 1 x lo-'7. S16 1 x lo-'7 . 7569 x lo-'7 660 3 x lo-'7. 529 1 x lo-'7. 3671 x lo-'

7 . 1 8 x l o -'6. 972 7 x lo-'6. 751 8 lo-'6. 573 9 x6.2 96 1 x lo-'6. 075 2 lo-'5 . 8679 x lo-5 . 6 8 0 5 x lo-'5. 5 88 x lo-'5 .3876 lo- 'C 2909 lo- '5 . 2 3 1 7 ~o-'5 .21 18 l o --

El siguiente diagrama muestra el comportamiento del ciclo V para el primer clculo


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P v

205

195

7 185a175

165n

15510aVaa 145

135

1254.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5

Volumen Instantneo [x10- m?

Figura 4. 2. Diagramas de com portamiento del ciclo P V.

Utilizando los valores anteriormente calculados de X Y las razones de temperatura y elvolumen se determina el valor del trabajo irreversible.

v , P , ~ I T K s i n a'=m)


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Donde el signo negativo solamente indica que el trabajo debe ser suministrado al sistema.Hasta aqu se obtuvo el valor del trabajo indicado por el mtodo enft chmidt en elsiguiente paso se procede a calcular el trabajo reversible utilizando los volmenes mnimoy mximo encontrados anteriormente.

Las cantidades de calor que el ciclo trmico del motor emplea para cambio de volumen porproceso son los siguientes:Calor suministrado:

Calor Rechazado:

a diferencia entre el calor suministrado Q,) y el calor rechazado Q,) por el ciclo deberaser la cantidad de trabajo disponible del motor sin embargo no es utilizado en su totalidadpor el motor debido a las prdidas existentes. Teniendo en consideracin que el trabajoreversible es el trabajo disponible se pueden calcular las prdidas de trabajo WPerd)utilizando la frmula 2.27.


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En el siguiente paso se calcula el coeficiente de operacin ideal de Carnot COPR) ara unsistema de refrigeracin, y en este se utiliza el calor suministrado al sistema con el trabajoirreversible, es decir; el trabajo que debe realizar sin contemplar las prdidas y as obtenerun parmetro de comp aracin de la eficiencia del sistema.

Posteriormente, se calcula nuevamente el coeficiente de operacin COPRPerd)ero ahoraintroduciendo el valor del trabajo reversible que incluye las prdidas del trabajo y sera eltrabajo real que se debe suministrar al sistema para vencer dichas prdidas.

De acuerdo al teorema Gouy Stodola la entropa S ) generada se obtiene de la siguientemanera:

Dado que la entropa es una magnitud fsica que mide la degradacin energtica de unsistema, si se disminuye e ste valor se increme ntar la eficiencia del sistema.

continuacin se calcula la mxima potencia terica Pi,,) [ que el m otor Stirling puederequerir, para una determinada relacin de temperaturas y a velocidad determinada n).Donde s e incluyen las prdidas para cumplir con las condiciones de operacin deseadas.


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Nuevamente el signo negativo solamente indica que la potencia es requerida.Los ltimos resultados obtenidos son:

El siguiente paso de acuerdo a la metodologa es reducir la razn entre el volum en barridodel pistn V p y el volumen barrido del desplazador VD Deben ser lo ms prximos a launidad para estimar un valor m edio en la eficiencia [ l .Para ello en el segundo clculo se iguala el valor del espacio barrido del desplazador al delpistn.En la tabla se muestran los diferentes clculos realizados en los que se fueronmodificando diversos factores para tratar de disminuir la entropa y mejorar la eficienciadel motor.


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Tabla 3 lcirlos para disminuir la en tropia

De los datos obtenidos por el segun do clculo se verifica que disminuy la entropia. De seras el siguiente paso de la me todologa es calcular el valor ptimo de fluido de trabajo conel cual debe cargarse el motor. Para esto se debe recordar que el valor mnimo al cual secargar el motor ser el de la presin atmo sfrica en sus dimension es mnimas de volumen;es decir cuand o el pistn d e potencia se encuentra en su punto muerto superior PMS) .Es por eso que el tercer clculo se hace bajo estas condicione s lo que hace variar la masadel fluido de trabajo.Como se puede observar en la t bl 3 en el tercer clculo se obtuv o una d isminucin de laentropa en el trabajo y en la potencia requerida. Sin embargo como consecuencia hubouna disminuc in en el calor sum inistrado al sistema. Esto implica que ocurre un increm entodel tiempo en el que el sistema alcanzar las condiciones de operacin deseadas.


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El siguiente paso es conocer el ngulo que debe tener el cigeal para cargar el motor conla cantidad adecuada de fluido de trabajo. Se procede a recalcular los volmenesinstantneos con el valor de volumen mnimo que es Vhi,=3.4908x m3, y se elaborauna tabla para localizar el ngulo de carga de fluido de trabajo en el motor (ver t bl 4 ) .

Tabla 4 . Vohmenes,presiones instanlneasy ng~rlos.ngulo delcigefial

@[oo10203305060708090100110120130140150160170180

Volumeninstantneo

nr5.2373 x lo-'5.224 2 x lo-5. 1848 x lo-'5 1205 x lo-'5.0332 x lo-'4.925 7 x lo-1 01 1 x lo-'4.6632 x lo-'4.5163 lo-'4.364 7 x lo-'3. 2132 x lo-'4. 0662 x lo-':3.9284 1043. 8038 x lo-'3.6962 lo-'3.6089 x lo-?3.544 7 lo-'3. S053 x lo-'3.392 lo-'

Presibninstantnea

n100.0799.02898. O 898.50599.021100.05101.61103.67106.25109. 33112.87116. 83131. 17125. 76130.48135. 15139. 57143.51146. 74

ngulo delcigeal

Col190200210220230240250260370280290300310320330340350360

Volumeninstantneo

n133.5053 x lo-'3.5447 x lo-?3 . 6 0 8 9 ~3.6962 lo-'3.803 8 x lo-'3.9284 x lo-'4.0662 x lo-'4.2132 x lo-4.364 7 x lo-'4.5163 x lo-'4.6633 x lo-'4.801 1 x lo-'4.925 7 x lo-'5.0332 x lo-'S 1205 lo-'5. 1838 x lo-'5.2242 lo-'5. 2374 lo-'

Presidninstantnea

En este caso el ngulo del cigeal obtenido para hac er la carga del fluido es exactam entea los 180 . Tom ando en cuenta que los O e s cuando el pistn de potencia se encuentra en sepunto m uerto inferior (PMI).Para encontrar el desplazamiento, velocidad y aceleracin del pistn de potencia s e utilizun anlisis cinemtico (verfiguras 4.3y 4 . 4 ) ,el cual s e puede revisar en el apndice A .


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Figura 4 3 Diagrama de biela manivela corredera del Figura 4. 4 . Diagrama de cuerpo libre de biela manivelapistn de potencia del motor Stirling. corredern del primer pistn del motor Stirling.

4 2 Diagramas de Comportamiento delMotorUna caracterstica que tienen estos diagramas es qu el rea interior de cada elipse esequivalente al trabajo irreversible

254 6 5 7 7 8 8 5

Volumen Instantneo x lO m7Figirra 4 5. GrJica d e presin insfanfcinea volumen instantneo.


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Diagramas P V

190

m 170k150

m- Calculo 3-.E 130.VS

110

905 5 5 6 6 5 7 7 5 8

Volumen Instantneo [ x l O S m7

Figura 4 6 Camb io comportam iento de la grjica de presin instantnea volumen instantneoDe los diagramas de Presin-Volumen se observa como del primer al segundo clculo elcambio en comportamiento fue mnimo y para el tercer clculo hubo un cambiosignificativo al reducirse l s presiones instantneas del motor as como la entropa y lapotencia requerida.

109.5 y9 38.5 'nL

:0O7.5:-7a

6 5

2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4Entropia x104 k lK]

Figura 4 7 Grjica Entropa Volumen


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Se observa la relacin de la entropa respecto a la masa del fluido de trabajo para losdiferentes clculos hechos y cmo dicha entropa disminuyo al disminuir el volumen totalque ocupara la masa verjgura 4.5 . Y tambin se observa que a mayor fluido de trabajomayor es el trabajo ya sea reversible o irreversible y del mismo modo las perdidas reducenal dismin uir la masa del fluido de trabajo verjigtlra 4.6 .

Figura 4 8 Relacin de masa delfluido rabajo

4 3 Elementos Mecnicos

2

b8.

7 ;6

La maquina trmica motor Stirling, est compuesta por una serie de elementos mssimples pudiendo definirlos a detalle en las siguientes secciones los cuales la constituyeny hacen posible su funcionamiento.

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Estos elementos no tienen que ser necesariamente sencillos pero si son los mssignificativos.

rabajoReversibleTrabajoirreversible

4 3 1 Fluido de Trabajo

9 5 9 8 5 8 7 5 7Masa fluidode rabajo [ x lOJ kg]

Todo m otor Stirling es una cmara cerrada la cual contiene un fluido de trabajo a travs delcual al momento de aplicarle una fuente de calor externa se induce el ciclo Stirling


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inicialmente Ro bert Stirling utiliz aire como fluido de trabajo pero en la actua lidad sellegan a utilizar otros gases como el hidrogeno y el helio.Para el presente trabajo se realizaron pruebas con aire. La presurizacin del fluido serealizar mediante una mquina de vaco4 3 2 Fuente de CalorEs la zona a la cual se le provee de calor para indu cir el trabajo o de la qu e se desea extraerel calor segn el ciclo tirling en el que se est trabajando ; generalm ente se ubica en elextremo del cilindro que contiene al desplazad or.

4 3 3 Sumidero de CalorEs la zona fra cuando se utiliza al motor Stirling n su ciclo normal y sirve para ladisipacin del calor su ubica en el cilindro que cubre al pistn de traba jo y para que realicesu funcin se utilizan diversos medios de transferencia de calor como pueden ser: aguafluidos refrigerantes aire o diversos gases.

4 3 4 DesplazadorSu funcin es la de mover al fluido de trabajo de la fuente de calor al sumidero de calorpor lo tanto debe ser ligero y no representar mucha oposicin al movim iento.

4 3 5 Pistn e PotenciaEste pistn es el elemento que recibe directam ente los efectos que sufre el fluido de trabajodebido a la fuente y sumide ro esto es una cantidad de energa cintica contenida en elfluido de trabajo y que se impacta en este pistn; este a su vez la transforma en energamecnica y la transmite med iante mecanism os clsicos hacia un punto en el cual se puedaaprovech ar la ene rga mecnica.


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4 3 6 Rueda de InerciaLa rueda de inercia crea un desequilibrio del sistema mecnico debido a que al conectar lasbarras del desplazador y del pistn de trabajo se mantiene un ngulo de aproximadamente90 grados en el movimiento de una respecto a la otra logrando que en un punto dado lamasa en desequilibrio de la rueda impulse a la barra de conexin del pistn desplazador y asu vez al desplazador y al fluido de trabajo reiniciando de esta forma una vez ms el ciclo.

4 4 Eleccin del Motor ElctricoAlgunos de los factores necesarios a considerar para la eleccin del motor elctrico son lossiguientes:

Potencia de entrada o salida del eje en caballos de fuerza HP)o kilowatts Kw).Caractersticas de la carga manejada.Velocidad nominal en rpm o radianes por segundo.Tamao de la carcasa.Clasificacin en cuanto a velocidad.Efecto del ciclo de trabajo.Temperatura ambiental.Elevacin permisible de temperatura en la mquina.Voltaje nominal para la potencia de entrada o de salida.Tipo de cubierta y condiciones ambientales.Requisitos de mantenimientoy accesibilidad.

La eleccin del motor elctrico ser en funcin de la potencia mxima que el motorStirling pueda desarrollar para las condiciones de operacin presentadas en el estudiotermodinmico. No obstante considerando que la caracterizacin del motor tirling serealiz de manera experimental se plante variar las condiciones de operacin de dichomotor. En consecuencia la potencia mxima requerida vari porque depende de factorescomo la velocidad y la presin interna del motor Stirling. Esto ocasion que se eligiera un


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motor que soporta una potencia mxima del doble a la calculada para realizar lacaracterizacin en un umbral de seguridad. Adems de evitar un sobrecalentamiento delmotor o incluso una falla total del mismo. Sin embargo, tambin se tom en cuenta que alaumentar la potencia de cualquier motor elctrico elegido las dificultades de control seincrementan.

La gua normalizada para el desarrollo de normas mtricas para motores generadores verTabla 5 , publicadas por la Asociacin Nacional de Fabricantes Elctricos NEMANational Electrical Manufacturers Association) por sus siglas en ingls, combina las

potencias nominales en caballos de fuerza.

Aqu, la NEMA sugiere su interpretacin en cuanto a los artculos tamaos que debenelegirse para la normalizacin. Por lo que para el desarrollo del trabajo se requieredesarrollar una potencia x) se normalizar a una potencia y).

Tablu 5. Porencias nominales de mquinas representativas par a Dy CA recomendadas por NEMAconformidad pnrcial con la IEConar

NPM rltteills


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4 4 1 Tipo de CubiertaEn este caso se opt por una construccin protegida, ya que cuenta con las ventajas de laconstruccin abierta que son las de tener un mantenimiento simple de sus elementos y quelos cojinetes, el inducido y las escobillas son fcilmente accesibles, y con su proteccinqueda a salvo del goteo e incluso se puede emplear en la intemperie si la proteccin contrala lluvia es total.

4 4 2 Velocidad del Motor ElctricoPara la eleccin del motor se tom en cuenta el nmero de revoluciones por minuto rpm).Se eligi entre velocidades normales de serie, ya que las velocidades anormales encarecenla instalacin y dificultan posteriormente las sustituciones.

4 4 3 Tipo de Sewicio a RealizarEn cuanto al servicio que se brinda en el presente trabajo, se estableci que el motor espermanente-continuo, para evitar las fallas por calentamiento. Sin embargo, debido a que elpar a transmitir es variable, el desempeo de un motor de servicio intermitente tiende a serms recomendable que el permanente continuo, porque dicho motor responder mejor si seopta por utilizar un sistema de control.

4 4 3 1 Se w icio Permanente o ContinuoEl motor estar funcionando constantemente o por lo menos durante algunas horas conplena carga P es la carga que se le acopla al motor), alcanzando as su temperatura final,Tmax). sta temperatura no debe sobrepasar el lmite fijado por laNEMA verJigura 4.9).

4 4 4 Efecto del Ciclo de TrabajoPuesto que cada 1 C de aumento en la temperatura de los devanados de una mquinaacortan la vida til del aislamiento a la mitad, se debe vigilar cuidadosamente este factor.


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Un motor debe trabajar a la temperatura m xima de dev anado s o abajo de ella si se esperaque tenga una durabilidad razonable.

Figura 4 9 Grcfico de servicio continuo poro el motor

4.4.5 Elevacin Permisible de TemperaturaLos motores y los generadores muestran por lo general los datos sobre elevacin permisiblede temperatura en su s placas de identificacin. El valor tpico es de 5 0 C. Puede ser 6 Co m s con aislamientos resistentes al calor. Se permiten temperaturas incluso mayores conaislamientos inorgnicos.Puesto que en realidad la temperatura interior de los puntos calientes del devanado e s la quelimita la duracin del aislamiento, la combinacin de temperatura ambiente ms suelevacin de temperatura es el verdadero criterio. En la actualidad los materiales deaislamiento cumplen co n la NEMA en cuanto a temperatura nominal.Las limitaciones actuales de temperatura se sintetizan en la tabla Limites de Temperaturapara Materiales de Aislamiento (ve r apndice B) . La categora ms antigua de aislamientoconocida como clase 0 con una temperatura permisible de 50 C hasta 70 C a condicionesambientales de 20 C es suficiente para nuestra aplicacin ya que el m otor no e s sometido atemperaturas mayores y la seleccin de un motor con estas caractersticas ayuda a disminuirlos costos.


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Captuloesarrollo


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aptulo : DesarrollontroduccinPara el desarrollo de este proyecto se contempl, primeramente, el anlisis termodinmicoel cual fue explicado en el captulo anterior, una vez obtenidos los resultados del anlisis sehizo un dimensionamiento para proceder con la manufactura de las piezas que constituyenal motor Stirling en configuracin beta.

5 1 Proceso de ManufacturaPara establecer la fabricacin del prototipo en base a los planos y estudios anteriormenterealizados, se seleccionaron los mtodos de manufactura y herramientas adecuados, ascomo la maquinaria necesaria para la fabricacin de cada una de las partes del motorStirling.Durante la fabricacin del prototipo resulto necesario realizar modificaciones de diseo,materiales y mtodos de produccin para obtener como resultado un prototipo queasemejara en lo posible las condiciones de trabajo reales a las cuales se vera sometido.En la eleccin de los materiales para las diferentes piezas se tomaron en cuenta lascondiciones especificas de trabajo y propiedades mecnicas de cada material, as como sucosto y disponibilidad.Los principales procesos de manufactura utilizados para la fabricacin del prototipo demotor Stirling se describen a co ntinuacin:

5 1 1 Tipo de ProcesoLos procesos d e torneado, taladrado, barrenado , fresado y esmerilado, fueron los procesosprincipales utilizados para la fabricacin de las diferentes piezas que conforman el motorStirling desarrollado en el presente trabajo; se utiliz un maquinado tradicional y tambinun maquinado computarizado control numrico computarizado, CNC por sus siglas en


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ingls, Computer Numeric Control en piezas donde se pretenda mayor precisin debido asu forma.Piezas hechas con proceso d e torneado verJigura5.1 :

Figirra 5. 1. A pistn de potencia, El pistn desplaza dor tapa. C anillo sellador, D camisa delpisrdn. E chaqueta deenfriamiento F camisa del pistn desplaza dor.Piezas con procesos de fresadora verJigura 5.2 :

A B CFigura 5. 2. A soporte para b iela, B horquilla de pistn d e potencia .Y C caja para bielas.

Piezas con procesos de fresadora CNC verfigura5.3 :


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Figiira 5. 3. A biela balancn B biela de enlace, C rapo posrerior y D tapa frontal.

5.1.2 ninSe utilizo soldadura con aporte de material para aumentar la resistencia de ciertas piezas,del mismo modo se utilizo para facilitarla realizacin de otras, y por otra parte se utilizarontornillos para hacer algunas uniones del motor y as tener desensmblale ms sencillo por sies necesario un ajuste o un remplazo de piezas.

Piezas soldadas (ver ira 5.4 :

A BFigura 5. 4. A coj pnra bielas y B camisa delp istn desplazodor.Piezas machueleadas, para unir con tornillos (verfigura5.5 :

A Figura 5. 5. A tapa posterior y B tapa frontal B


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5.1.3 AcabadoEl ptllido y el cromado se realizaron para mejorar la apariencia del motor. Por otra parte sehizo trabajo de rectificacin sobre la camisa del pistn de trabajo para que lo retenes desellado ajustaran lo ms exacto posible y ev itar fugas.Pieza rectificada verf igura 5.6 :

iguro 5. 6. comisa delpisrn de potencia.

5 1 4 Otras Operaciones5 1 4 1 Corte y doblado.l ensamblaje es una parte importante del proceso al comienzo para verificar la correcta

fabricacin de las piezas as como la realizacin de ajustes para obtener un correctofuncionamiento.


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5 2 ruebasEl equipo utilizado para llevar a cabo las pruebas h e el siguiente:

Fuente de calor soplete de gas butano)2 Fuente de aire a presin de 6bar

Manmetro analgicoRegulador de presin de a 10 barFuente de voltaje de 24v@4ACronmetroTermmetro con infrarrojo y con termopar tipo k

G VoltmetroG Mangueras de 6mmG Conectores neumticos de 6mm

Vlvula neumtica tipo on/offRegulador de flujoReductor neumtico de 8mm a 6 mmConector rpido con derivacin

P Recipiente para contener agua

El procedimiento de las pruebas realizadas fue el siguiente:1 Se conect la fuente de aire a la lnea de entrada del regulador de presin mediante

mangueras de 6mm, para obtener la presin deseada a 1.5 bar.2. Se conect la vlvula on/off a la lnea de salida del regulador de presin, para

controlar el abastecimiento de aire.3 Se conect el regulador de flujo a la vlvula on/offpara regular la dosificacin del

aire que abastece la cmara fra del motor Stirling.4. Se conect el regulador de flujo a una derivacin, para obtener una segunda lnea de

alimentacin del manmetro.5 Se conect el reductor entre la derivacin y la vlvula check, para delimitar el

sentido del flujo de aire.


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6. Se conect la entrada de la cmara fra del motor Stirling a la vlvula check parasuministrar el air

Prototipo de un sistema de refrigeración actuado por un motor stirling

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