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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA PROYECTO DE INVESTIGACION FORMATIVA

TITULO: “CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR STIRLING CON SU COLECTOR SOLAR PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA” AUTORES: CAPACOILA PICON BRAYAN CRISTOFER HANCCO CONZA ALEX PACHECO HUAMANI MARCO ANTONIO ASESOR: MSc. ELFER ARENAS HERRERA AREQUIPA – PERU 2019

ÍNDICE. RESUMEN ABSTRAC INTRODUCCIO N TÍTULO: “CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE MOTOR STIRLING CON SU COLECTOR SOLAR PARA PRODUCIR ENERGIA ELÉCTRICA”....................................1 CAPÍTULO I.........................................................................................................................1 PLANTEAMIENTO TEÓRICO DE LA INVESTIGACIÓN..............................................1 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA....................................................................1 1.2 JUSTIFICACIÓN........................................................................................................2 1.3 OBJETIVO..................................................................................................................2 1.3.1 OBJETIVO GENERAL.......................................................................................2 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...............................................................................2 1.4 HIPÓTESIS.................................................................................................................3 CAPÍTULO II........................................................................................................................3 MARCO TEÓRICO..............................................................................................................3 2.1 ANTECEDENTES......................................................................................................3 2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS..................................................................................6 2.2.1 ENERGÍA SOLAR..............................................................................................6 2.2.2 TERMODINÁMICA............................................................................................7 2.2.3 MAQUINA TERMICA........................................................................................9

2.2.4 MOTOR STIRLING..........................................................................................13 2.2.5 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL CICLO STIRLING....................14 2.2.6 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN MOTOR STIRLING.....16 2.2.7 TIPOS DE CONFIGURACIÓN CONSTRUCTIVA DE LOS MOTORES STIRLING........................................................................................................................22 2.2.8 COLECTOR SOLAR.........................................................................................25 CAPÍTULO III....................................................................................................................26 ORGANIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN..................................................................26 3.1 RECURSOS MATERIALES Y PRESUPUESTO....................................................26 3.2 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES....................................................................27 CAPIÍTULO IV...................................................................................................................27 CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO DE MOTOR STIRLING.....................................27 4.1 CONSTRUCCION DE COMPONENTES...............................................................27 4.1.2 MONTAJE.........................................................................................................29 4.2 RESULTADOS...........................................................................................................2 BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................2 CONCLUSIONES SUGERENCIAS BIBLIOGRAFIA

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Materiales para construir el prototipo del motor stirling......................................35

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Colector solar con motor stirling..............................................................................13 Figura 2. Procesos termodinámicos.........................................................................................16 Figura 3. Ciclo termodinámico Stirling...................................................................................20 Figura 4. Puntos significativos para el ciclo en un motor Stirling...........................................21 Figura 5. Calentamiento del aire dentro de un cilindro..........................................................23 Figura 6. Enfriamiento del aire dentro de un cilindro..............................................................24 Figura 7. Conversión de la expansión del gas en movimiento, a través de un mecanismo. .......................................................................................................................................................24 Figura 8. Esquema general de un motor Stirling.....................................................................25 Figura 9. Componentes de un motor Stirling...........................................................................25 Figura 10. Fotografía de la zona caliente de un motor no presurizado....................................26 Figura 11. Fotografía de la zona caliente para un motor presurizado......................................27 Figura 12. Volante...................................................................................................................30 Figura 13. Motor Stirling de configuración alfa......................................................................31 Figura 14. Motor Stirling de configuración beta.....................................................................32 Figura 15. Motor Stirling de configuración gamma................................................................33

DEDICATORIA El presente trabajo lo dedicamos a dios y a nuestros padres, como también a todas las personas que apoyan y confían en nuestra superación profesional.

RESUMEN La construcción de un motor Stirling podría a simple vista parecer muy simple, pero presenta sus retos, ya que un funcionamiento ideal requiere de mucha precisión en su estructura. El motor que construimos es de bajo costo y armado en su mayor parte con materiales reciclados como se mostrará más adelante, dicho motor solo es un prototipo aun así puede funcionar por un tiempo prolongado. Puede funcionar con muchas fuentes de calor, por lo cual es fácil ponerlo en marcha, en nuestro caso utilizamos la energía solar, el motor será alimentado por la energía que le transfiera el colector solar que acompaña al motor Stirling. Funciona por principios termodinámicos muy simples. La idea de construir un aparato de este tipo surgió como una inquietud de analizar el funcionamiento real de una maquina térmica pero a la vez experimentando y conociendo sus partes tanto internas como externas para una mejor comprensión del mismo. Este aparato busca ser una forma práctica, sencilla y económica de demostrar la transformación de la energía térmica en trabajo, el proyecto lo realizamos con los conocimientos adquiridos durante el curso de física 2, además nos apoyamos en información recopilada.

PALABRAS CLAVE Motor Stirling, colector solar, energía, trabajo

ABSTRAC The construction of a Stirling engine could at first glance seem very simple, but presents its challenges, since an ideal operation requires a lot of precision in its structure. The engine that we build is low cost and armed mostly with recycled materials as will be shown further ahead, getting not the best in its class, but an engine with an average performance that can work for a long time. It can work with many sources of heat, so it is easy to start it, in our case we use solar energy, the engine will be powered by the energy transferred by the solar collector that accompanies the Stirling engine. It works by very simple thermodynamic principles. The idea of building such an apparatus arose as a concern to analyze the actual operation of a thermal machine but at the same time experiencing and knowing its internal and external parts for a better understanding of it. This device seeks to be a practical, simple and economical way to demonstrate the transformation of thermal energy into work, the project is carried out with the knowledge acquired during the course of physics 2, as well as information collected. KEYWORDS Stirling engine, solar collector, energy, work

INTRODUCCIÓN La energía solar resulta una alternativa viable para solucionar los problemas energéticos que el uso de los combustibles fósiles conlleva, actualmente se siguen generando conocimientos y avances tecnológicos con el objetivo de lograr una mejor captación de la energía solar de forma cada vez más económica y eficiente, para esto se han desarrollado una serie de modelos experimentales y a partir de ellos se ha pretendido mejorarlos cada vez más, sin embargo, estas mejoras llevan consigo un inevitable incremento en los costos de fabricación. Existen diversas tecnologías de colectores solares cuyas eficiencias dependen de la capacidad de captación de radiación solar, siendo la más usada el disco parabólico reflector. En la actualidad se emplean máquinas de ciclo Stirling para generar energía eléctrica a partir de concentradores solares, ya que estos motores tienen el mayor rendimiento de conversión de energía calorífica del sol en electricidad de todas las tecnologías empleadas en plantas solares termoeléctricas.

El objetivo de este trabajo es construir un prototipo de un motor Stirling y su concentrador solar parabólico. Para de alguna manera dar ideas que nos orienten a satisfacer las necesidades de energía para servicios y usos industriales de la pequeña y mediana industria, sobre todo de una casa habitación. Para cumplir el objetivo de este trabajo de investigación formativa, la información se presenta en cuatro capítulos, como se describe a continuación. En el primer capítulo de este trabajo, se fija el planteamiento teórico de la investigación, en el que damos a conocer el planteamiento del problema, la justificación, los objetivos y la hipótesis.

En el segundo capítulo, desarrollamos el marco teórico. Se explica conceptos básicos de termodinámica, también se mencionan las diversas configuraciones de estos motores, y se explica el ciclo termodinámico de éste y la descripción de los componentes generales de un motor Stirling. En el tercer capítulo, desarrollamos la organización de la investigación en el cual damos a conocer los recursos materiales, presupuesto y el cronograma de trabajo. En el cuarto capítulo, se efectúa la construcción del prototipo de motor Stirling con su colector solar, desarrollamos el procedimiento para ello. Se menciona las recomendaciones del caso. Finalmente se muestran las conclusiones de este trabajo de investigación formativa, así como también la bibliografía.

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TÍTULO: “CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE MOTOR STIRLING CON SU COLECTOR SOLAR PARA PRODUCIR ENERGIA ELÉCTRICA” CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO TEÓRICO DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la actualidad el desarrollo de las energías renovables en nuestro país está recién comenzando, a diferencia de otros países en los cuales utilizan esta tecnología para la generación de electricidad a gran escala a través de plantas termoeléctricas. Esta tecnología tiene un gran interés socioeconómico y ambiental, al encontrar la viabilidad de la misma por el gran potencial solar que existe en nuestra región. Para que en nuestro país esta alternativa energética también esté a nuestro alcance es necesario contribuir, profundizar y divulgar las investigaciones en el campo de la concentración de la energía solar ante esto es necesario dar el primer paso en el diseño y construcción o mejora de los prototipos que deben estar orientadas a satisfacer las necesidades energéticas de una vivienda, pensando en un futuro próximo en la generación de energía eléctrica ya que está siempre será una necesidad en este mundo moderno que cada día requiere de mayor energía para mejorar su calidad de vida, y sobre todo para disminuir los gases de efecto invernadero emitidas en la combustión de energías tradicionales como el petróleo, gas y el carbón, y así mitigar el Cambio Climático que hoy enfrenta nuestro planeta, y que cada día se intensifica.

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1.2 JUSTIFICACIÓN Realizamos este trabajo para aportar información sobre el funcionamiento, la importancia y la construcción de un prototipo de motor Stirling con su colector solar. Así como también, incentivar a compañeros de nuestra escuela profesional de ingeniería eléctrica (ya que la mayoría de alumnos desconoce sobre este tema), a seguir investigando sobre los beneficios de este motor. Este motor puede ser de gran utilidad en zonas rurales que no cuenten con energía eléctrica, ya que sólo se necesitarían combustibles convencionales o mejor aún la radiación solar para el funcionamiento del motor. Con esto se lograría mejorar la productividad de sus actividades y mejorar la calidad de vida en dichas zonas sin dañar el medio ambiente. 1.3 OBJETIVO 1.3.1 OBJETIVO GENERAL Construir y hacer funcionar el motor Stirling acoplado a un plato parabólico que simulara un panel solar emitiendo energía solar para el funcionamiento del motor , de esta manera generar energía eléctrica para las viviendas que no cuentan con energía eléctrica 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Construir un prototipo del motor Stirling con su colector solar Conocer más sobre el motor Stirling Divulgar información sobre el motor Stirling Reducir la contaminación ambiental

3 1.4 HIPÓTESIS Debido a que en muchas viviendas de la zona rural no cuentan con el servicio eléctrico ya que el tendido eléctrico es costoso, es posible minimizar este problema, construyendo un prototipo del motor Stirling acoplado a un plato parabólico para generar energía eléctrica en dichas viviendas.

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES A principios del siglo XIX la revolución industrial comenzó a cobrar protagonismo. La máquina de vapor, que ya contaba con algunos años de desarrollo, constituyó el símbolo de esta etapa histórica. Sin embargo, estas máquinas eran grandes, costosas e ineficaces. Además resultaban peligrosas, ya que las calderas explotaban frecuentemente al alcanzar altas presiones, causando muertes o graves quemaduras a las personas cercanas. Esto sucedía porque dichas máquinas estaban construidas a base de hierro dulce en lugar de acero. Por otro lado, aún no se habían desarrollado motores simples, accesibles para pequeñas industrias y de construcción económica. Estos inconvenientes propiciaron que en 1816 el reverendo inglés Robert Stirling propusiese la idea de un nuevo motor que funcionase con un principio drásticamente diferente, conocido como “el motor de aire caliente”. Esta máquina incorporaba un economizador de calor (hoy en día conocido como regenerador), dispositivo para mejorar el rendimiento térmico. Una diferencia importante era que este motor no explotaba a causa del vapor, ya que su medio de trabajo era aire a presión atmosférica, lo que lo convertía en una máquina mucho más segura.

4 Las primeras aplicaciones de este motor consistieron en fuentes de potencia de pequeñas máquinas, herramientas y bombas de agua. El inventor sueco John Ericsson diseño y construyó un barco movido por un motor Stirling y logró una patente para una bomba de agua accionada por esta máquina. Sin embargo, el perfeccionamiento de las máquinas de vapor, el posterior desarrollo del motor de combustión interna y la difusión de las redes eléctricas años después supusieron que el motor de aire caliente pasase al olvido durante años. En la década de los ‘60 se recobró el interés en este tipo de máquinas. Philips desarrolló un generador portátil de energía eléctrica cuyo sistema de refrigeración producía agua caliente para uso doméstico. Posteriormente, debido a la crisis energética de principios de la década de los ‘70, se comenzó a investigar en nuevas fuentes de energía y en motores alternativos a los tradicionales. Algunas compañías automotrices desarrollaron vehículos basados en motores Stirling, mucho más eficientes energéticamente que los tradicionales. Sin embargo, una vez finalizada la escasez petrolera todas las innovaciones alcanzadas pasaron a un segundo plano. En la actualidad se emplean máquinas de ciclo Stirling para generar energía eléctrica a partir de concentradores solares, ya que estos motores tienen el mayor rendimiento de conversión de energía calorífica del sol en electricidad de todas las tecnologías empleadas en plantas solares termoeléctricas.

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Figura 1. Colector solar con motor stirling

Por otro lado, este motor se emplea recientemente en la construcción de submarinos, debido a que emite muy poco ruido y tiene una gran autonomía. Además, motivados por el cambio climático, los grandes fabricantes de coches están investigando y evaluando la posibilidad de montar motores Stirling en vehículos híbridos. Se puede concluir que el motor Stirling es una apuesta fuerte en la búsqueda de motores alternativos que sean más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. Por tanto, no es de extrañar que en un futuro se cuente con numerosos vehículos y sistemas de obtención de energía provistos de esta tecnología. Tomamos como punto de partida el siguiente trabajo: “Diseño y Construcción de un Motor Stirling Para La Generación De Energía Eléctrica”; Realizado por Víctor Raúl Agüero Zamora, en Lima Perú en el 2006; en donde el objetivo principal de este proyecto es generar energía eléctrica con un motor Stirling, tipo beta, con mecanismo rómbico, utilizando para ello un generador eléctrico, y determinar los parámetros que influyen en su funcionamiento, así como también realizar un estudio teórico y experimental para el diseño, y construcción de este motor.

6 2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.2.1 ENERGÍA SOLAR La energía solar obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del sol, se constituye como una de las alternativas para promover la industria energética renovable y limpia, desde su uso doméstico, como calentar comida o agua y la generación de energía eléctrica. 2.2.2.1 Energia solar en el perú La energía solar es el recurso energético con mayor disponibilidad en casi todo el territorio peruano. En la gran mayoría de localidades del Perú, la disponibilidad de la energía solar es grande y uniforme durante todo el año, comparado con otros países, lo que hace atractivo su uso. En términos generales, se dispone, en promedio anual, de 4-5 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 día, en la costa y selva y de 5-6 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 día, aumentado de norte a sur de la sierra peruana. Esto implica que la energía solar incidente en pocos metros cuadrados es, en principio, suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de una familia. El problema es transformar esta energía solar en energía útil y con un costo aceptable.

Evidentemente, el sol como fuente de energía ayuda a la preservación del medio ambiente y por eso se busca masificar este proyecto. Esta energía puede ser aprovechada por el ser humano por medio de dos tecnologías de conversión que son la fotovoltaica y la fototérmica, de las cuales se da una breve descripción: 2.2.1.2 Sistemas Fotovoltaicos: Funcionan por medio del efecto fotoeléctrico (también conocido como efecto fotovoltaico) a través del cual la luz solar se convierte en electricidad sin usar ningún proceso intermedio. Los dispositivos donde se lleva a

7 cabo la transformación de luz solar en electricidad se llama generadores fotovoltaicos conformados por celdas solares que al conectarse en serie y/o paralelo dan lugar a los paneles solares. 2.2.1.3 Sistemas Fototérmicos: Se fundamentan en la conversión de la energía radiante del Sol en energía térmica la cual es transferida a fluidos de trabajo para producción de calor de proceso. Esto se puede conseguir por medio de dispositivos planos con superficies selectivas o por medio de dispositivos de concentración de radiación con forma de paraboloide de revolución. La energía solar térmica puede aprovecharse para la producción de agua caliente destinada al consumo doméstico, calefacción de hogares, alumbrado de hogares, etc. 2.2.2 TERMODINÁMICA Es la rama de la física que se encarga del estudio de la transformación de la energía térmica en energía mecánica y del proceso inverso, la conversión del trabajo en calor. 2.2.2.1 Proceso termodinámico Es la secuencia de estados por los cuales se obliga a pasar a la sustancia de trabajo para que se permita la conversión de calor en trabajo. 2.2.2.2 Proceso adiabático Es aquel proceso termodinámico en el cual se hace evolucionar a las sustancias desde un estado inicial hasta otro final sin entrada ni salida de calor: Q=0 entonces: W =−∆ U 2.2.2.3 Proceso isócoro Es aquel proceso termodinámico en el cual una sustancia evoluciona desde un estado inicial hasta otro final manteniendo su volumen constante: W =0 entonces: Q=∆ U

8 2.2.2.4 Proceso isobárico En este proceso se hace evolucionar a un sistema desde un estado inicial hasta orto final manteniendo en todo instante la presión constante, entonces: W =P ∆ V 2.2.2.5 Proceso isotérmico En este proceso se hace evolucionar a una sustancia desde un estado inicial hasta orto final manteniendo su temperatura constante. La energía es: ∆ U =0 y Q=W Los cuatro procesos anteriormente mencionados para una cantidad constante de gas ideal se muestran en la figura, todos parten del estado a.

Figura 2. Procesos termodinámicos

Los procesos isométricos se observan en el funcionamiento del motor al calentar y enfriar el fluido de trabajo a volumen constante. Este proceso es comúnmente conocido como Ley de Gay Lussac en donde la presión absoluta del gas es directamente proporcional a la temperatura. P 1 P2 = T1 T 2

9 Los procesos isotérmicos, apreciables en la compresión y expansión del fluido a temperatura constante, también son conocidos como Ley de Boyle “El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta que se le aplique”. P1 V 1=P2 V 2 Mediante estos principios, es más fácil entender el funcionamiento del motor Stirling, el cual se basa primordialmente en la variación de presión a causa de los cambios de temperatura. 2.2.3 MAQUINA TERMICA El motor Stirling es una máquina térmica. Una máquina térmica es un artefacto el cual puede convertir continuamente energía térmica, o mejor dicho, calor en energía mecánica o trabajo. El calor es suministrado o aplicado al motor de una u otra manera y es obtenido trabajo útil. Con tal que sea suministrado calor, un motor puede producir energía mecánica. [ CITATION Ser08 \l 10250 ]

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot. Es importante mencionar que el motor Stirling a pesar de presentar una alta eficiencia térmica, tiene una potencia muy baja, adicionado a que el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. Es un motor de combustión externa, lo que le permite emitir menores cantidades de gases contaminantes en comparación al motor de combustión interna, además tiene la posibilidad de aceptar fuentes de calor que no requieran de la combustión. Basándose en lo anterior, grupos de científicos han construido motores Stirling que funcionan a partir de la energía solar, de energía nuclear y de calor de desechos de procesos.

10 Considerando las características que presenta el motor Stirling, las cuales son muy parecidas a las que presenta la máquina ideal de Carnot, podemos considerarlo como una máquina térmica ideal, hecho que a lo largo del trabajo se desarrollará con mayor detalle. 2.2.3.1 Eficiencia térmica La eficiencia termodinámica del ciclo Stirling es prácticamente igual a la de un ciclo de Carnot, trabajando a las mismas temperaturas de las fuentes de calor, lo cual se debe principalmente a lo hermético del aparato y al proceso denominado regeneración en el que se utiliza una misma cantidad de fluido en todo el proceso de calentamiento y enfriamiento del gas, evitando de tal forma la pérdida de calor del sistema. Una máquina térmica recibe una cantidad determinada de calor, pero debido a inevitables pérdidas por fricción, lo puede convertir en una cierta cantidad disminuida de trabajo mecánico, estando de tal forma siempre presente el calor que no se aprovecha. La eficiencia térmica ede una maquina termica se define como la relación del trabajo neto invertido por la maquina durante un ciclo, a la entrada de energía a la mayor temperatura durante el ciclo:

e=

W maq

|Q h|

=1−

|Qc| |Qh|

Para un ciclo de Carnot se tiene:

|Qc| T c = |Qh| T h |T c| |T h|

Por tanto, la eficiencia térmica de una máquina de Carnot es: e=1−

2.2.3.2 Segunda ley de la termodinámica La ecuación anterior muestra que una maquina térmica tiene 100% de eficiencia (e=1)

11 Solo si Q c =0 , esto es, si no se expulsa energía al depósito frio. En otras palabras, una maquina térmica con eficiencia perfecta tendría que expulsar toda la energía de entrada mediante trabajo. Ya que las eficiencias de los motores reales están muy por abajo de 100%, la forma de Kelvin–Planck de la segunda ley de la termodinámica establece lo siguiente: Es imposible construir una maquina térmica que, funcionando en un ciclo, no produzca otro efecto que la entrada de energía por calor de un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. 2.2.3.3 Ciclo Termodinámico Stirling El ciclo Stirling ideal posee dos evoluciones a volumen constante y dos evoluciones a temperatura constante. Estas 4 etapas se detallan a continuación: 

En el punto 1 de la figura, el lado frío se encuentra a volumen máximo y el caliente al mínimo, siendo el volumen total del fluido igual a V max . El regenerador contiene calor Q k . Entre 1 y 2, a temperatura constante T k , se extrae la cantidad Q k de calor del fluido a través de la fuente fría disminuyendo el volumen del gas hasta V min.



Entre 2 y 3, el pistón y el desplazador se mueven en forma paralela a volumen constante V min. El fluido atraviesa por el regenerador absorbiendo su calor Q r y elevando su temperatura a T h. El regenerador pierde calor Q r .



Entre 3 y 4 el pistón no puede desplazarse más y el desplazador se expande hasta alcanzar un volumen máximo V max . En este proceso absorbe calor Q ha temperatura constanteT h.

12 

Finalmente, los dos pistones se desplazan de forma paralela a volumen constante V max y el fluido atraviesa el regenerador cediendo calor Q r a este y disminuyendo su temperatura a T k .

Figura 3. Ciclo termodinámico Stirling

En el ciclo real el movimiento del pistón y el desplazador es diferente al que se describió en la sección anterior, estos poseen un desfase de 900 en el cigüeñal. La siguiente figura muestra los puntos más significativos en el ciclo para un motor Stirling Beta.

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Figura 4. Puntos significativos para el ciclo en un motor Stirling

En la posición 1 el pistón de poder está en el punto muerto superior mientras que el desplazador está a la mitad de su carrera. La mitad del aire está siendo desplazado hacia la parte caliente de la máquina y ha comenzado a expandirse y elevar la presión. En la posición 2 el desplazador ha llegado al final de la carrera y prácticamente todo el gas está en la parte caliente. La presión en este punto está en su máximo mientras el pistón es obligado a dirigirse al punto muerto inferior. En la posición 3 el pistón está en el punto muerto inferior y el desplazador está en la mitad de su carrera con lo que el aire está siendo desplazado hacia el lado frio del motor, con lo que la presión comienza a disminuir. Finalmente, la posición 4 muestra a prácticamente todo el gas en el lado frío por lo que la presión está en su mínimo, mientras que el volante de inercia se encarga de trasladar al pistón hacia el punto opuesto. 2.2.4 MOTOR STIRLING El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escoces. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor, el principio de

14 funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio o hidrogeno) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frıo, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico. Este motor, de gran antigüedad, continúa en investigación gracias a la versatilidad de fuentes de energía posibles, ya que al necesitar solamente una fuente de calor, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, calor geotérmico, etcétera). El motor Stirling es 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 solo se alcanza a velocidades bajas.

2.2.5 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL CICLO STIRLING El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los cambios volumétricos del fluido de trabajo como resultado de los cambios de temperatura que éste sufre. Estos cambios volumétricos se deben al desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente y la zona fría en un cilindro cerrado. A continuación se explicará el funcionamiento del motor con la ayuda de una serie de diagramas: 1. Si se tiene aire encerrado en un cilindro y luego se calienta, se observa que la presión dentro del cilindro se incrementa. Se asume que una de las tapas de cilindro es

15 un émbolo y que éste es hermético; entonces habrá una expansión del gas y aumentará el volumen interior del cilindro hasta cierta posición final del émbolo.

Figura 5. Calentamiento del aire dentro de un cilindro

2. Si al mismo cilindro, en su estado de expansión, se enfría rápidamente, la presión disminuye; entonces, el volumen se contrae y la posición del émbolo vuelve al estado inicial.

Figura 6. Enfriamiento del aire dentro de un cilindro. 3. Si el proceso del estado 1 se repite, pero ahora uniendo el émbolo a una volante. El incremento de la presión forzará al émbolo a moverse ocasionando el giro de la volante, con lo cual se consigue que el “cambio volumétrico” se transforme en movimiento.

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Figura 7. Conversión de la expansión del gas en movimiento, a través de un mecanismo.

4. Si se juntan los procesos 3 y 4, en un solo cilindro, con un desplazador, se producirá el movimiento del motor debido a la expansión del gas, y, durante la compresión el pistón retornará a su posición debido a la energía de la volante.

Figura 8. Esquema general de un motor Stirling.

Con este simple ejemplo se ha explicado el principio de funcionamiento del motor Stirling. 2.2.6 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN MOTOR STIRLING Un motor Stirling está compuesto, generalmente, de las siguientes partes:

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Figura 9. Componentes de un motor Stirling.

2.2.6.1 Zona caliente Esta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por consiguiente, estará sometido a altas temperaturas (alrededor de 800ºC). Los materiales a utilizar para su fabricación deberían ser materiales resistentes al CREEP. Se podría utilizar acero inoxidable austenítico, acero al Cr-Mo, etc. Esta parte puede ser de varias formas. Su forma más simple es cuando no hay ningún tipo de presurización dentro del cilindro, ésta puede ser un cilindro con una tapa plana, como se muestra en la figura 7. Esta configuración la podemos adoptar en motores pequeños y experimentales que no estén presurizados.

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Figura 10. Fotografía de la zona caliente de un motor no presurizado.

En el caso que se desee presurizar el cilindro del motor Stirling, debería tener una forma de tal manera que aumentemos el área de transferencia de calor, debido a que la cantidad de fluido de trabajo que se requiere calentar es mayor (debido a la presurización). En la figura 8 se muestra un esquema de esta configuración.

Figura 11. Fotografía de la zona caliente para un motor presurizado.

El diseño de la zona caliente varía de acuerdo al fluido de trabajo a utilizar, esto es debido a las propiedades del fluido. Por ejemplo, el He tiene una conductividad térmica de seis veces la conductividad del aire, por esta razón el diámetro interno de

19 los tubos de la zona caliente debería ser más pequeño si utilizamos aire como fluido de trabajo, esto es para hacer más eficiente la transferencia de calor debido a la baja conductividad térmica del aire. Un motor diseñado para utilizar aire, si funciona eficientemente utilizando He y H2, pero no ocurre lo contrario. Las configuraciones mostradas anteriormente nos dan una idea para diseñar esta parte del motor Stirling, para la aplicación que deseemos, esto no quiere decir que tiene que ser de la misma forma como se muestran en las fotografías, sino de captar la esencia de esto y hacerlo de la forma más conveniente para la configuración del motor Stirling a utilizar, sin aumentar mucho el volumen muerto.

2.2.6.2 Zona fría En esta parte se extrae calor del motor. La extracción de calor puede realizarse por convección libre o forzada. En el caso que sea libre, ésta puede realizarse mediante la colocación de aletas de aluminio para disipar rápidamente el calor. En el caso de una refrigeración forzada, ésta se realiza acondicionando una camiseta de agua. Esta parte puede hacerse de acero inoxidable, fierro fundido, aluminio, cobre, etc. Estos dos últimos materiales se pueden utilizar en motores de baja potencia o experimentales, ya que en motores de alta potencia sería necesario un mayor espesor de éstos, y el costo sería elevado. A continuación se hablará sobre el sistema de refrigeración para un motor Stirling:

20 2.2.6.3 sistemas de refrigeración de un motor Stirling El sistema de refrigeración tiene como objeto evacuar el calor del fluido de trabajo hacia un medio exterior más frío. Este es una parte muy importante del motor, porque debe ser capaz de evacuar por lo menos el 50% del calor que recibe el motor, y que lo debe hacer a la menor temperatura posible para mejorar la eficiencia térmica del motor. Existen dos tipos de refrigeración: 2.2.6.3.1 Refrigeración por aire Puede ser por convección natural o forzada. Es necesario acoplar aletas al cilindro; es una transmisión poco eficiente y se utiliza en motores lentos y no presurizados, mayormente se utiliza en pequeños motores demostrativos. 2.2.6.3.2 Refrigeración por agua Es la más eficiente si se dispone de una fuente inagotable de agua a temperatura ambiente (ríos, lagos, red pública). Sólo se puede utilizar en motores estacionarios. En motores que no son estacionarios lo más recomendable es utilizar un circuito de agua con radiador, el único inconveniente es que se consume energía para bombear el agua e impulsar el aire. 2.2.6.4 Pistón Esta parte es la que realiza el trabajo motriz, y va conectado al mecanismo de transformación de movimiento. El pistón debe ser ligero porque el gas realiza trabajo sólo durante la expansión. Debido a que el pistón está en la zona fría del motor, sí se puede utilizar aluminio para su construcción. Para motores pequeños experimentales, también utilizan teflón. El pistón debe llevar anillos en el caso de que el motor sea presurizado y se podría obviar éstos en el caso de ser un motor pequeño o experimental.

21 2.2.6.5 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. Idealmente, esto se lograría haciendo que la cámara central del desplazador sea un aislador térmico, pero debido a que sería complicada su construcción, se puede hacer el desplazador largo y que el material tenga baja conductividad térmica; por otra parte, éste debe ser capaz de soportar altas temperaturas, porque la zona caliente siempre se mantendrá a alta temperatura. En motores pequeños y experimentales, el desplazador suele comportarse como un regenerador haciendo que éste tenga paredes lo más delgadas posible. El desplazador también debe ser liviano porque, en la expansión, sube, juntamente con el pistón, y si éstos son pesados hacen más difícil la expansión del gas, y, por consiguiente, disminuye la potencia. Mayormente, los desplazadores se construyen de acero inoxidable por sus propiedades de conductividad térmica y de resistencia a altas temperaturas. Se sabe que en motores pequeños (de exhibición), también se pueden hacer de aluminio, pero esto no sucede en motores más grandes. La longitud de un desplazador puede ser de 1 a 3 veces su diámetro, y la holgura radial que debe haber entre éste y el cilindro es de 1 a 2% del diámetro del cilindro, para que exista un efecto de regeneración. 2.2.6.6 La volante 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.

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Figura 12. Volante.

2.2.7 TIPOS DE CONFIGURACIÓN CONSTRUCTIVA DE LOS MOTORES STIRLING Existen tres tipos de configuraciones para un motor Stirling: 2.2.7.1 Configuración Alfa Consta de dos cilindros independientes unidos mediante un ducto; este tipo de motor Stirling no tiene desplazador, pero tiene dos pistones desfasados 90º. Uno de los cilindros se calienta mediante suministro de calor y el otro se enfría mediante aletas o agua.

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Figura 13. Motor Stirling de configuración alfa.

2.2.7.2 Configuración Beta En este tipo, el pistón y el desplazador están en el mismo cilindro, por eso tiene poco volumen muerto, y, por lo tanto, es el de mayor potencia específica de las tres configuraciones. Existe una holgura entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del gas de la zona caliente a la fría y viceversa. Su desventaja está en su fabricación, porque ésta es muy complicada y requiere de bastante precisión.

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Figura 14. Motor Stirling de configuración beta.

2.2.7.3 Configuración Gamma Este tipo es derivado de la configuración beta, pero más sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en el otro el pistón de potencia. Es el de menor potencia específica debido a su gran volumen muerto.

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Figura 15. Motor Stirling de configuración gamma.

2.2.8 COLECTOR SOLAR Un captador solar, también llamado colector solar, es cualquier dispositivo diseñado para recoger la energía radiada por el sol y convertirla en energía térmica. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción, y los colectores de alta temperatura, conformados mediante espejos, y utilizados generalmente para producir vapor que mueve una turbina que generará energía eléctrica.

26 CAPÍTULO III ORGANIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 3.1 RECURSOS MATERIALES Y PRESUPUESTO Tabla 1. Materiales para construir el prototipo del motor stirling Sección

Componentes

-Disco DVD Soporte giro -Tapa del discos -Soldadura en estaño -Pernos pequeños

Costo Unidad

Unidades

Costo(S/.)

Reciclado Reciclado Propio

4 2 1

Reciclado Reciclado Reciclado

0.50

4

2.00

1.00

0.30 cm

1.00

1.00

0.30 cm

1.00

Soporte del cigüeñal

-Alambre grueso de hierro -Alambre delgado de aluminio

Cilindro

-Latas de atunes. -Latas de gaseosas.

Reciclado Reciclado

4 2

Reciclado Reciclado

-Lana de acero -Nylon de pescar.

1.00 0.50

1 1m

1.00 0.50

5.00 3.00

1 1

5.00 3.00

Reciclado Reciclado

2 2

Reciclado Reciclado

10.00

1

10.00

2.00

2

2.00

5.00 5.00

1 1

5.00 5.00

Desplazado r Soporte Pistón Soporte de la antena parabólica

Otros

-Bloque de Al. -Soporte de madera -Globos -Tapas de gaseosa -Antena parabólica -Papel de aluminio -Lamina de acero -Soldadura de soporte -Cinta aislante -Cinta skotch -Soldimix -Silicona -Bornera

10.00 Costo Total (S/.)

Costos de materiales y cantidad (Fuente: Elaboración propia)

45.50

27

3.2 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ACTIVIDAD FORMULACION Y RECOPILACION DE INFORMACION ESTUDIO DEL PROYECTO PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ELABORACION DEL INFORME (PRIMERA PARTE) RECOPILACION DE MATERIALES ESQUEMA DEL MOTOR ARMADO DE COMPONENTES ELABORACION DEL INFORME (SEGUNDA PARTE) ARMADO DEL PROTOTIPO ANALISIS EXPERIMENTAL CULMINACION DEL INFORME

1 X

2

3

4

5

6

SEMANA 7 8 9

10

11

12

X

X

13

14

X X X

X

X X X

X X

X

X

X X

X

CAPIÍTULO IV CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO DE MOTOR STIRLING 4.1 CONSTRUCCION DE COMPONENTES 4.1.1 soporte del cigüeñal Primero recortamos la parte superior de dos latas de acuerdo al tamaño definido, también realizamos pequeños agujeros en el centro da la base de las latas, cuyo diámetro coincida con el alambre

28 Luego realizamos agujeros en la parte lateral para que sujete y gire el cigüeñal 4.1.2 Cigüeñal El cigüeñal es de aluminio, aproximadamente de 2 mm, doblamos el alambre formando una u con ángulos de 90 grados. Otro extremo se dobla para que se acople la biela, este último también es del mismo material.

Figura 16. Cigüeñal

4.1.3 Cilindro Los cortamos de acuerdo al tamaño programado, uno con la parte superior de la lata hueca y otra con la parte lateral hueca.

Figura 17. Latas para el cilindro

4.1.4 Desplazador Para el desplazador es necesario lana de acero, el cual enrollamospara que tenga consistencia. Tiene un diámetro inferior al cilindro que lo contiene, tiene un soporte en ambos extremos. En la parte superior se une con un alambre al cigüeñal con la ayuda de una bornera.

29

Figura 18. Desplazador

4.1.5 Pistón El pistón está realizado con una tapa como base, un globo como membrana en cuyo centro tiene una perforación para ser ajustado a la biela

Figura 19. Pistón

4.1.2 MONTAJE Colocamos el cigüeñal en la lata que tiene las perforaciones para ello, colocamos la manguera entre la base de lata y el tapón. Introducimos la varilla que conecta el cigüeñal con el desplazador, finalmente ajustamos y aplicamos pagamento para que el cilindro quede hermético, colocamos y pegamos los cds que hacen de volante. Para realizar el montaje se utilizó algunas herramientas como: 

Cuter



Destornillador



Tijera



Melanina



Taladro



Alicate

30 

Lija



Cinta métrica

4.2 RESULTADOS Describir el funcionamiento del motor. Como el motor Stirling es una maquina térmica que al suministrarle calor en la base del motor este funciona perfectamente.

CONCLUSIONES Se puede construir un prototipo de motor Stirling con su colector solar que genere energía eléctrica, aunque de forma limitada. El motor stirling es una buena alternativa para solucionar el problema de la falta de energía eléctrica en una habitación ubicada en una zona rural. Se comprueba los principios básicos de la termodinámica Con el uso de materiales reciclados se puede realizar un motor stirling, y como respuesta estamos cuidando el medio ambiente, también por su funcionamiento con energías limpias.

SUGERENCIAS Mejorar los materiales para soportar altas temperaturas Los materiales que se conectan con el cigüeñal no deben tener mucho peso Se debe utilizar un pegamento resistente a las altas temperaturas

31 BIBLIOGRAFÍA Agüero V. (2006). Diseño y construcción de un motor stirling para la generación de energía eléctrica (tesis de licenciatura) Universidad nacional de ingeniería, Lima, Perú

Serway, A. & Jewett , W. (2008). Física para ciencias e ingeniería. México: Cengage learning editores S.A. Young D. y Freedman A. (2009). Física universitaria. México. Pearson Addison Wesley. Decimosegunda edición. Wikipedia (2019). Motor stirling. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling Innova (2013). Motor estirling casero. Recuperado de https://www.youtube.com/watch? v=itZDyNGpZVs&t=1693s Wikipedia (2019). Motor stirling con energía solar. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling Tecnosol (2011) Stirling. Recuperado de https://solar-energia.net/definiciones/motorstirling.html

32 ANEXOS