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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ

PROTOCOLO DE TALLER DE INVESTIGACIÓN II TEMA: CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR STIRLING PARA GENERAR ENERGÍA ELÉCTRICA

VII SEMESTRE

GENERACIÓN: 2014 – 2019

CARRERA: INGENIERIA MECÁNICA

SALINA CRUZ, OAXACA. A 30 DE OCTUBRE DEL 2017

INTRODUCCIÓN En la actualidad la energía eléctrica es una necesidad para la sociedad en general, la generación de la misma se ha hecho un reto para todos, en la búsqueda de fuentes alternativas de energía. La generación de energía eléctrica en México es principalmente mediante el uso de combustible fósiles en las termoeléctricas del país; se utilizan otros medios como el agua en las hidroeléctricas y las corrientes de aire en los aerogeneradores. En cualquiera de estas formas de generación es muy costoso obtener el producto final (energía eléctrica) y la distribución de la misma, además de ser altamente contaminantes. En México se ha fomentado el ahorro de energía eléctrica en los distintos sectores (domestico, empresarial, etc.), implementando lámparas fluorescentes compactas, renovación de refrigeradores, uso adecuado de lavadoras, corrección de factor de potencia, implementación de iluminación mediante Leds, etc.; todo esto con el fin de ahorrar los recursos naturales y tener menores índices de contaminación ambiental. Surge la necesidad de pagar menos por este producto y una solución es tener otros medios para poder generar su propia energía eléctrica; se cuenta con distintos medios para esta generación como paneles solares, generadores eólicamente accionados mediante aspas, etc. Un medio que se ha dejado en el olvido en los años recientes; es el motor Stirling, que puede ser una forma de generar energía, si no para suministrar energía para una casa, por sus desventajas, si se puede utilizar para el funcionamiento de unos cuantos aparatos que requieran menos potencia. Los motores Stirling solo requieren una fuente que les proporcione calor y empezaran a generar energía, esta fuente de calor se puede obtener de muchos medios a costos más bajos y hay menos porcentaje de contaminación con estos.

PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN

¿La energía mecánica producida por el motor Stirling puede ser usada para generar energía eléctrica? ¿Se puede generar la energía suficiente para recargar una batería de 12V? ¿Será suficiente 6 horas para recargar la batería? ¿Se podrá construir el prototipo con pocos recursos?

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un motor Stirling capaz de recargar una batería de 12 volts.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Elaborar una lista de ventajas y desventajas que muestre los beneficios de un motor Stirling.



Construir de un prototipo capaz de recargar la batería de 12 V.



Realizar una encuesta para saber su impacto en la sociedad.



Impulsar el proyecto para que pueda ser útil en los hogares y en sectores marginales.

JUSTIFICACIÓN En el presente proyecto se desarrollara una descripción del funcionamiento del motor Stirling que es muy importante ya que se observa como el calor hace que comience a funcionar y este mecanismo se usa en los tractores a vapor, este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar, térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica y otras más). Esta versatilidad de fuentes lo hace una buena alternativa para aplicarlo en un generador de energía eléctrica, el cual podría ser usado en pequeños poblados en los cuales la obtención de gasolina u otro derivado del petróleo no sea tan accesible.

Hoy en día la investigación sobre el motor Stirling y sus posibles aplicaciones no está muy desarrollada, ya que los motores y combustibles convencionales han ganado terreno a lo largo de las décadas. Además, no se ha obtenido un motor lo suficientemente pequeño y potente para reemplazar a otras tecnologías en muchas aplicaciones, como en la automoción. Sin embargo, comienza a verse una tendencia al uso de energías renovables y una implementación de medidas de ahorro energético.

En este ámbito, el motor Stirling se presenta como una alternativa tecnológica sostenible que se está comenzando a implementar principalmente en pequeñas centrales de energía solar termoeléctrica para poblaciones aisladas. Si el desarrollo de esta tecnología cobra más importancia en los próximos años, ésta se podrá convertir en una alternativa competente en muchas áreas, como en la generación eléctrica o en la automoción de vehículos.

DELIMITACIÓN De acuerdo a la necesidad de abastecimiento de energía eléctrica en zonas marginales, se toma la decisión de construir un motor Stirling con materiales reciclados que sea capaz de cargar una batería de 12 volts, en el instituto tecnológico de Salina Cruz Oaxaca, en un periodo de 6 meses máximo en este tiempo se estarán realizando pruebas para corroborar si el proyecto se encuentra en condiciones óptimas de funcionamiento gastando lo menos posible de recursos en materiales faltantes. Las corrientes de aire y las fuertes lluvias las cuales se presentan en nuestra región son uno de los factores que afectan el funcionamiento de nuestro motor por lo cual este dispositivo solo se podrá utilizar cuando los vientos sean menores.

TIPO DE INVESTIGACIÓN

Científico experimental cuantitativo El diseño y construcción del motor Stirling es científico experimental cuantitativo por que reúne todas las características de una investigación científica ya que cuenta con una hipótesis y un fenómeno que es el que hará posible la implementación del motor Stirling para resolver una necesidad que en este caso es la producción de energía eléctrica. Por otra parte, la investigación sigue una lógica experimental, pues realizaremos un prototipo de motor Stirling con materiales reciclados para comprobar si es funcional todo esto a base de prueba y error para comprobar si es viable en la implementación de generación de energía eléctrica y cuantitativo por que el prototipo arrojara valores de producción de energía que se utilizaran para comprobar la hipótesis y así poder optimizarlo si es que se llegan a obtener valores bajos.

MARCO TEORICO CAPITULO I. MOTOR STIRLING 1.1 Leyes de la termodinámica La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo. El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura. Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras. Previo a profundizar en este tema de la termodinámica, es imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí.

La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas individuales. El calor es una transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura. La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura.

1.1.1 Primera Ley de la Termodinámica Esta ley se expresa como: Eint = Q - W Donde:



Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q)



Trabajo efectuado por el sistema (W)

Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema. Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

1.1.2 Segunda Ley de la Termodinámica

La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley. En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

1.1.3 Tercera Ley de la Termodinámica. "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí". Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí. La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes: "No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos" Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor.

Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable. "La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero". "La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible". 1.2 Procesos termodinámicos 1.2.1 Proceso isocórico Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como: ΔW = PΔV Dónde: P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema). Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es: Q = ΔU.

Para un proceso isocórico todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura:

Q = nCVΔT

Dónde: CV es el calor específico molar a volumen constante.

En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.

1.2.2 Proceso isotérmico El proceso isotérmico es el proceso de compresión mediante el cual la temperatura se mantiene constante pero el volumen y la presión varían. Otra definición

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas. Este otro sistema se conoce como foco calórico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W. Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es P•V = constante.

1.3 Máquina térmica Se considera como maquina térmica a toda aquella maquina donde se usan y obedecen las leyes de la termodinámica. Algunas máquinas pueden ser manuales o automáticas pero conservan como base la transformación de la energía térmica en energía alterna, siendo esta última eléctrica, mecánica o potencial.

1.4 Motor Stirling El motor Stirling es un dispositivo térmico con la capacidad de demostrar las leyes bases de la termodinámica. Usando como base un fluido que se calienta y enfría en un ciclo el cual puede ser autosuficiente. El funcionamiento del mismo demuestra la transformación de la energía térmica en energía mecánica. Este 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.

1.5 Componentes 1.5.1 Regenerador Esta es una parte muy importante del motor Stirling. El regenerador absorbe y entrega calor al fluido de trabajo, esto último variando entre la zona fría y la zona caliente permite que el ciclo térmico del motor Stirling se desarrolle convirtiendo la energía térmica en movimiento. Existen varias disposiciones de los regeneradores, entre los cuales están los estáticos y los móviles. Los móviles mayormente están dentro del desplazador y los estáticos pueden estar dentro o fuera del cilindro.

1.5.2 Pistón Esta parte es la que realiza el trabajo motriz, y va conectado al mecanismo de transformación de movimiento. El pistón es ligero ya que el gas realiza trabajo durante su expansión. En nuestro caso usamos un pistón de diámetro inferior al del mecanismo base pero del mismo material y llenado por dentro de aluminio de baja densidad. 1.5.3 Desplazador Esta parte es la encargada de desplazar el aire de una zona a otra. Esta parte debe ser capaz de generar un gradiente de temperatura entre la zona caliente y la zona fría. En nuestro caso el despalazador funciona como un regenerador y está hecho de aluminio, ya que éste mismo se expande al entrar en la zona de caliente y varia al llegar a la zona fría. 1.5.4 Mecanismo de conversión de movimiento Es el mecanismo que hace posible transformar la energía térmica en energía mecánica. Existen varios tipos de mecanismos y los que se encontraron para el motor Stirling fueron los siguientes:

a) Mecanismo rómbico b) De manivela y balancín, c) De manivela y cursor, (d) Mecanismo de Ross, d) Cigüeñal y biela con guiaje lineal.

e) Cigüeñal y biela con guiaje por balancín.

1.5.5 Volante de inercia Esta es la parte que entrega energía al ciclo para que se produzca la compresión del fluido de trabajo y también ayuda a mantener estable el giro del motor.

CAPITULO II. TIPOS DE MOTORES 2.1 Motores tipo 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.

2.2 Motores tipo 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.

2.3 Motor tipo Gamma 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.

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.

2.4 Tipo de sistema y trabajo de Frontera 2.4.1 TIPO DE SISTEMA DE UN MOTOR STIRLING 2.4.2 Motores tipo alfa Diseñado por Rider, en EEUU, funciona bajo el mismo principio termodinámico, pero no usa desplazador, a diferencia del motor de la patente original de Stirling.



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.

2.4.3

Motores tipo beta

Como el primero realizado por Stirling, con el pistón de potencia concéntrico al desplazador y en el mismo cilindro. Consta de un cilindro, con una zona caliente mediante un mechero de gas, alcohol etc. y una zona fría, refrigerada por aletas, agua etc.



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.



Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, tan solo una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire; los grandes, en cambio, suelen llevar un regenerador externo por el que debe pasar el aire en su camino de la zona fría a la caliente y viceversa

2.4.4 Motores tipo gamma



Es una variante del tipo beta, con idénticos sistemas para calentar y enfriar, pero de construcción más sencilla, similar al de un motor de motocicleta.



Consta de dos cilindros separados en uno se sitúa el desplazador y en otro el pistón de potencia.



El pistón y el desplazador se mueven 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.

2.5 Selección del motor La configuración que se seleccionó para el diseño y construcción del motor Stirling fue de arreglo alfa ya que esta es la más sencilla de los tres tipos existentes, siendo conformada por un pistón. El cilindro está conectado a un calentador y el otro a un enfriador.

A continuación, se muestra un cuadro de ventajas y desventajas de los tipos de arreglos del motor Stirling.

2.5.1 Viabilidad del motor Los motores Stirling son excelente proyecto para experimentar con Energía Renovable utilizando diversas fuentes de calor. Al ser motores de combustión externa, no discriminan ninguna fuente de energía. Además de ser el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque, aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.

CAPITULO III. DISEÑO DEL MOTOR STIRLING

3.1 Medidas 3.2 Estructura 3.3 Materiales 3.4 Procedimiento

HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN

De acuerdo con el modo de funcionamiento del motor Stirling, es posible demostrar los procesos termodinámicos presentes en una máquina térmica, mediante la

construcción de un motor Stirling hecho con materiales reciclados el cual sea capaz de recargar una batería de 12 V.

Evaluar la utilidad de un motor Stirling para la generación de energía, principalmente en lugares a los que es difícil que acceda la energía eléctrica.

TABLA DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOTOR STIRLING

Tabla No. 1. Ventajas y desventajas

FUENTES CONSULTADAS

REFERENCIAS Balcazar, K. A. (12 de 12 de 2013). slideshare. Obtenido de slideshare: https://es.slideshare.net/kevinalejandroruizbalcazar/maquina-stirling Flores, A. (20 de 04 de 2015). slideshare. Obtenido de slideshare: https://es.slideshare.net/andresfloresdz/proyecto-final-motor-stirling Huancahuire, A. (06 de 05 de 2014). slideshare. Obtenido de slideshare: https://es.slideshare.net/lexfhc/motor-stirling-34338408 HUARANCA, E. (27 de 04 de 2012). blogs. Obtenido de blogs: http://motorstirlingyadyrtecsup.blogspot.mx/ renatolachira. (12 de 02 de 2010). slideshare. Obtenido de slideshare: https://es.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling wikipedia. (19 de 01 de 2016). wikipedia. Obtenido de wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling