2022-II Repercusión y funcionamiento del motor Stirling

El presente trabajo representa el informe final del curso "Mecánica y Fluidos - CAF3", con el tema "Repercusión y funcionamiento del motor Stirling".
VES, 21 de septiembre 2024.

1. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU
“Año del Fortalecimiento de la Soberanía Nacional”
PROYECTO FINAL
TEMA:
Repercusión y funcionamiento del Motor Stirling
INTEGRANTES:
●Alexander Mariano Bellido GuerrecioU19210768
●Daniel Alejandro Acaro Martinez U19308842
●Julio César Menacho Figueroa U21206430
●Jean Paul cosme aylas U21222655
●Jhampol Italo Hinostroza Cueva U20231187
●Joel Jesús Bonifacio Huarcaya U18216215
●Milenne Ada Espinoza Varillas. U20213050
AÑO:
2022

2. ÍNDICE
1.RESUMEN ………………………………………………………………………
2.INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………
3.OBJETIVOS ……………………………………………………………………
3.1OBJETIVO GENERAL …………………………………………………..
3.2OBJETIVO ESPECÍFICO ...……………………………………………..
4.MARCO TEÓRICO ……………………………………………………………
4.1MOTOR STIRLING ………………………………………………………
4.2VENTAJAS Y DESVENTAJAS ………………………………………….
4.3CICLO STIRLING …………………………………………………………
5.METODOLOGÍA ………………………………………………………………
4.1MATERIALES …………………………………………………………….
4.2PROCEDIMIENTO ……………………………………………………….
6.RESULTADO ………………………………………………………………….
7.CONCLUSIONES …………………………………………………………….
8.REFERENCIAS……………………………………………………………….
9.ANEXOS ………………………………………………………………………

3. Resumen
El uso de la energía es de gran importancia no solo en nuestro país, sino en
todo el mundo, desde la actividad más cotidiana hasta para la industria. Por
ende, el trabajo final ha sido desarrollado para revisar y desarrollar la”
Repercusión y funcionamiento del Motor Stirling”, para demostrar ventajas y
desventajas con otros motores, tipos de motores Stirling, revisaremos la teoría
que comprende el funcionamiento de este motor, haremos unos ejemplos y por
último las conclusiones.
Introducción
Actualmente, varias regiones del mundo están sufriendo por la subida de
precios del precio del crudo, por ejemplo, zonas como la europea que es muy
dependiente del gas que llega de Rusia, se ha visto afectada por la guerra
viéndose afectada por la falta de suministro de gas. Esto sumado al cambio
climático que sigue siendo de preocupación por todos los países, las emisiones
de gas CO2 por parte de los motores de combustión y por parte de las
industrias son uno de los principales causantes, ya que la combustión del
petróleo sigue afectando al clima.
Debido a este ambiente de crisis ambiental, hemos decidido buscar alternativas
desde nuestro punto de vista, encontramos al motor Stirling como alternativa
para ciertas circunstancias. Fue inventado por Robert Stirling en 1816, es una
máquina térmica de ciclo cerrado con la ventaja de producir niveles de ruido y
emisiones tóxicas bajas. Su funcionamiento necesita una fuente de energía por
calor externa (solar, nuclear, etc.) para iniciar el movimiento en ciclo de un
pistón. La tecnología que presenta este motor lo hace muy confiable, de fácil
mantenimiento gracias a que se aprovecha la energía que produce el pistón.
Uno uso que tiene el motor Stirling es de convertir la energía solar en energía
eléctrica en zonas donde es difícil que se encuentre la energía eléctrica
convencional, también es usado en la industria marítima ya que no presenta

4. producción de gases ni derrames de líquidos. Por todo esto nos enfocaremos
en desarrollar los fundamentos teóricos del motor Stirling y los usos que se le
puede dar aun a este gran invento de la ingeniería.

5. Objetivos
General
· Justificar el funcionamiento del motor Stirling en base a los principios
de las leyes de la termodinámica.
Específicos
·Explicar las ventajas y desventajas del motor Stirling.
Alcances y limitaciones
Alcances
· Gracias al uso de las herramientas que te brinda el internet, se
consigue la información necesaria para comprender el funcionamiento del
motor Stirling.
· La realización del trabajo de manera virtual es eficaz, a pesar del cruce
de horarios nos estamos organizando por medio de WhatsApp y zoom.
·Todo el trabajo se realizó de forma virtual, ya que vivimos muy alejados
entre los miembros del grupo.
Limitaciones

6. ·Los horarios de los integrantes no coinciden, debido a que la mayoría
trabaja o están en clase.
MARCO TEÓRICO
El motor Stirling es un motor tipo térmico. Funciona en base a la expansión y
contracción de un gas, que se le obliga a entrar en un ciclo (frío – calor) donde
se expande. Se inventó en 1816 por Robert Stirling, nació como un competidor
de la máquina a vapor ya que esta es muy peligrosa por las explosiones que se
daban. Pero en la práctica, fue dejado de lado por los motores de combustión
interna.
El proceso cíclico cerrado del motor de Stirling, se usa generalmente los gases
de aire, helio o dioxígeno, se necesita de energía en forma de calor de una
fuente externa. Por lo que estos motores como el de Stirling al no usar una
fuente de calor interna, es posible construir dichos motores que aprovechen la
energía externa proveniente de paneles solares o la hidroeléctrica.
Ventajas del motor Stirling:
Por ser una máquina de ciclo cerrado los niveles de emisiones son bajos,
además este motor presenta bajos niveles de ruido y vibraciones, esto desgasta
poco la máquina requiriendo poco mantenimiento.
Se puede utilizar versatilmente con fuentes de energías accesibles tales como la
energía solar, la geotermia y la biomasa generando su uso en la calefacción,
electricidad y sistemas de refrigeración provocando así que su uso pueda ser
desde el uso doméstico, granjas y pequeñas empresas de industria.
Son de larga vida útil.
Desventajas del motor Stirling
Para hacer uso del motor este en primer lugar se debe “calentarse” generando
que su tiempo de encendido sea mayor.

7. Cuánto se necesita de más potencia, hace que su tamaño aumente y se vuelva
costosa en diferencia con los demás motores.

8. CICLO STIRLING
El ciclo teórico de Stirling consta de cuatro procesos:
1.Expansión isoterma (1-2) a temperatura T1
Expansión Isotérmica del fluido de trabajo con el suministro de calor desde el
calentador. Expansión a temperatura constante.
2.Un enfriamiento Isocoro (2-3) a volumen V2
Eliminación de calor isocórico del fluido de trabajo al regenerador. Proceso a
volumen constante
3.Una compresión Isoterma (3-4) a temperatura T2
Compresión isotérmica del fluido de trabajo con eliminación de calor refrigerador.
4.Calentamiento Isocoro (4-1) a volumen V1
Calentamiento Isocrorico del fluido del trabajo con el suministro de calor desde
el regenerador. Proceso a volumen constante. En este punto es donde el gas
está a menor temperatura.
Ciclo completo
El ciclo de Stirling teórico trabajando con un gas ideal tiene el rendimiento de
Carnot, que es el máximo rendimiento que puede tener un motor térmico.
Eficiencia térmica del ciclo (n): Es la relación entre el trabajo neto y el calor
suministrado

9. Donde:

10. n: Rendimiento o eficiencia
Q: calor transferido (cal)
Tmax: Temperatura máxima (k)
Tmin: Temperatura mínima (k)
Variación de energía interna ( U): En un proceso cíclico reversible la variación de
energía interna es cero
Trabajo (W): La potencia termodinámica (Pt) y la potencia mecánica (Pm) se
calculan como producto de los trabajos correspondientes por eficiencia
térmica de ciclo también llamada frecuencia de giro.
PROTOTIPO DE UN MOTOR DE STIRLING :
●El objetivo principal de este trabajo es demostrar cómo se
transforma la energía térmica en trabajo mecánico en ciclo a través
de los principios termodinámicos, esto ocurre gracias a los
movimientos de compresión y expansión cíclica de fluidos.
●Su mecanismo consta de un cilindro con dos pistones opuestos
con un regenerador entre ambos se definen las partes principales
de un motor Stirling.
●El regenerador es como una esponja térmica que absorbe y cede calor
alternativamente del fluido de trabajo. El volumen entre el
regenerador y el pistón derecho es el volumen de compresión y el
volumen entre el regenerador y el pistón izquierdo es el volumen de
expansión.
●El volumen de expansión está encerrado por un cilindro que se
encuentra a mayor temperatura que el cilindro de compresión.

11. METODOLOGÍA
A continuación, se detallará un prototipo y simulación del funcionamiento del
motor Stirling, que se realizó con la ayuda del programa Inventor 2023.
El motor stirling consta de 30 piezas, posteriormente se realiza el ensamble de
las piezas y por último se realiza la simulación del movimiento de la estructura.
PIEZAS DEL MOTOR STIRLING

12. PROCEDIMIENTO
Zona de calentamiento y cilindro desplazador

13. Volante de inercia y cigueñal

14. Piston
Modelo Completo

15. Para un mejor entendimiento se desarrollará un ejercicio planteado en base al
funcionamiento de un motor Stirling
Ejercicio Planteado:
100 moles de un gas ideal diatómico sufre un ciclo de Stirling internamente
reversible,como se presenta en la figura.
El ciclo se comporta como dos isotermas y dos isocoras,Las temperaturas de W son
Tf=350 K y Tf =150K, mientras que las presiones extremas son Pa
=160 Kpa y
Pb=3,5Mp Dato: R=
8,31 j \ mol.k
Para cada proceso,calcular la variación de energía interna,el trabajo realizado y
el calor absorbido por el gas.Calcular el rendimiento del ciclo.

18. Conclusiones:
●Primero, la explicación del funcionamiento del motor Stirling mediante
los principios de la termodinámica fue exitosa. Se pudo analizar que se
basa en la expansión y la contracción cíclica de un gas sellado en su
interior. Esto se consigue exponiendo el gas una y otra vez a una fuente
de calor y a otra de frío. Asimismo, utiliza una fuente de calor externa,
por lo que tiene una versatilidad de fuentes de energía utilizables para
su funcionamiento, necesitan solamente una fuente de calor externa al
cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas,
gracias a estos principios termodinámicos. También pudimos analizar
exitosamente las diferentes unidades de la termodinámica como
trabajo, potencia, eficiencia térmica, temperatura, calor requerido, etc.
●Segundo, todos los tipos de motores Stirling necesitan de un breve
calentamiento para comenzar su funcionamiento, ya que estos realizan
una combustión externa lo que permite una combustión más limpia,
con respecto a su eficiencia el de tipo beta es superior al de tipo alfa y
gamma, cabe resaltar que la falta de desarrollo en comparación con los
motores de combustión interna da lugar a reflexionar sobre las posibles
aplicaciones y mejoras que puede haber para él.
●Tercera, el motor Stirling es el único capaz de aproximarse
(teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido
como rendimiento de Carnot.
●Cuarta, el motor Stirling representa una posibilidad de desarrollo
energético de manera simple ,ya que solo necesita contar con una
fuente de calor.

19. ●Quinta, a más diferencia de temperaturas, mayor es el área del
ciclo termodinámico, Conforme la diferencia de temperaturas
entre focos va aumentando, la velocidad del motor aumenta
lentamente.
●Por último, en base al ciclo de Carnot se puede determinar con el
trabajo neto y el calor suministrado y evaluar el rendimiento (n). De
igual manera, se deben determinar las variaciones de temperatura y de
volumen de los espacios de compresión y expansión. Asimismo,
respecto a la potencia desarrollamos un prototipo respaldado por un
análisis mecánico y termodinámico la cual ayudará a analizar los temas.
Referencias
●Ahmadi, M. H., & Sayyaadi, H. (2014). Optimization of Power Solar
DishStirling: Induced Effects of Heat Source Temperature and Working
Fluid Temperature in Hot Side. Sustainable Energy, 2(3), 91-101.
●Z. Black; G. Hartley; Termodinámica; Editorial Addison-Wesley
Educational Publishers; Segunda Edición; Mishawaka-USA; 1991.
●Rogdakise, D. Bormpilas. Athermodynamic study for the optimization of
stable operation of free piston stirling engines. En: Energy conversion
and management. 2004. No. 45, p. 575-593.
ANEXOS
➢https://www.youtube.com/watch?v=0M89s9qbh7E&t=603s
➢https://revistas.unc.edu.ar/index.php/revistaEF/article/view/12708/12946
➢https://rdu.iua.edu.ar/handle/123456789/2021