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es un ensayo mostrando las partes que las componen y su principio de funcionamiento
Tipo: Apuntes
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El gran desarrollo de los motores de combustión interna a partir de la mitad del siglo XIX y la mejora experimentada en el refinamiento de los derivados del petróleo, colocó a los motores alternativos de combustión externa en gran desventaja. Este hecho, acompañado de la invención de los motores eléctricos, consiguió que desde principios del siglo XX, la máquina de vapor y los motores Stirling y Ericsson fueran dejados de lado en la carrera por la industrialización.[A] Hacia mediados del siglo XX aparece un renovado interés en estos dispositivos para nuevas aplicaciones como refrigeración, calefacción y generación eléctrica – incluso automoción-, a partir de fuentes de calor alternativas a los combustibles fósiles. Martini [A] preparó un documento donde se sistematiza la información al respecto, y ante todo, las estrategias de modelado que marcan la pauta en los estudios más recientes. Este trabajo ha sido incluso reeditado [B]; Por la manera en que está estructurado el trabajo de Martini[A] y otros trabajos que se citan como referencia central [H] puede decirse que ofrece una estrategia plausible para lo que se propone mediante este trabajo. Una muestra de la literatura reciente con respecto al diseño de motores Stirling [C, D, E, F] confirma que, un principio subyacente a cualquier esfuerzo sistemático por lograr su funcionamiento confiable, es trabajar sobre la base de algún modelo que tenga forma matemática. Como motivación importante para este documento se considera el trabajo realizado por Robson y colaboradores [G], donde se toma un prototipo de motor Stirling como un sistema dinámico conformado por unidades de compresión, expansión, movimiento del pistón de desplazamiento libre y pistón de potencia de salida. Las predicciones logradas fueron consideradas satisfactorias por sus autores. Por otra parte, alrededor del año 2008, Al cursar la materia “Proyecto integrador” en la Universidad Autónoma de Occidente, el objetivo general de dicho curso fue la construcción de un
motor Stirling. En este momento el autor elaboró un prototipo de dicha máquina a partir de la teoría del ciclo termodinámico del mismo nombre. En algún momento de la experimentación con el modelo, éste funcionó por un tiempo corto y desde entonces no ha sido posible reanudar su funcionamiento, a pesar de una serie de variaciones realizadas. Finalmente, y en virtud de la consulta bibliográfica llevada a cabo, se piensa que debería formularse un análisis de tipo termodinámico-mecánico, por el que pueda darse una interpretación lógica a las dificultades observadas con este prototipo.
En 1816 Robert Stirling, reverendo de origen escocés proyecta el motor Stirling con el objetivo de lograr un motor menos peligroso que la máquina de vapor que trabajaban a altas presiones. El motor Stirling es un dispositivo que opera entre una fuente a temperatura alta y un sumidero a baja temperatura. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos, lo cual lo caracteriza como un motor térmico. El calor que toma de la fuente a alta temperatura lo convierte en trabajo, usando como medio de trabajo un gas en un ciclo termodinámico cerrado conocido como el ciclo Stirling. Este motor continúa siendo investigado debido a la gran variedad de fuentes de energía que pueden ser utilizadas para su funcionamiento como la energía solar, geotérmica, biomasa, etc. La figura 3 muestra el esquema de un motor Stirling original y la empleamos para explicar su funcionamiento. Un cilindro vertical es calentado en su parte superior por el flujo de gases calientes provenientes de la caldera. En el interior del cilindro se encuentra un pistón de potencia y un desplazador. El desplazador es liviano y no es buen conductor de calor; al medio del desplazador existe un anillo de material capaz de absorber y ceder calor que es el regenerador. Cuando el desplazador se mueve hacia abajo, la mayor parte del aire que se encuentra dentro del cilindro queda en la zona caliente y se expande, empujando el pistón de trabajo hacia abajo. Aquí se entrega trabajo al exterior y gira el volante. Al suceder esto, una serie de bielas mueven el desplazador hacia arriba, desplazando la mayor parte del aire a través del regenerador hacia la zona fría donde se comprime el aire y se inicia nuevamente el ciclo. 4.1 CICLO STIRLING El ciclo Stirling ideal consiste de dos procesos isotérmicos totalmente reversibles y dos procesos reversibles a volumen constante. La figura 4. Muestra los procesos del ciclo en una curva p-v y en un cura T-s.
Durante el proceso de expansión 3-4 el calor es suministrado a temperatura constante TH y durante el proceso 1-2 el calor es rechazado a temperatura constante TL. De 2-3 el calor interactúa a volumen constante al igual que de 4-1. La cantidad de calor en estos dos procesos es esencialmente igual, pero en dirección opuesta; este proceso de intercambio necesita ser realizado por un regenerador. La función del regenerador es actuar como un reservorio temporal, capaz de absorber calor durante el proceso de 4-1 y entregar idealmente la misma cantidad de calor durante el proceso de 2-3. Al fluido de trabajo se le añade calor isotérmicamente de una fuente externa de temperatura TH durante el proceso 1-2, y se rechaza también isotérmicamente en un sumidero externo a temperatura TL durante el proceso 3-4. En un proceso isotérmico reversible, la transferencia de calor se relaciona con el cambio de entropía. En una carrera permanente por realizar mejoras al motor Stirling se han generado innumerables arreglos los cuales se clasifican dentro de tres grupos principales que son los motores tipo alfa, beta y gamma. 4.2 MOTOR STIRLING TIPO ALFA Es posible que esta sea la configuración más sencilla de las tres, siendo conformada por dos pistones en cilindros diferentes conectados en serie mediante un regenerador. Uno de los cilindros está conectado a un calentador y el otro a un enfriador. Richard Wheeler2 desarrolló un motor tipo alfa con disposición en V, este se muestra en la figura 6
El ángulo de transmisión definido como el ángulo formado entre los eslabones acoplador y de salida en un mecanismo de cuatro barras, es una forma rápida de apreciar la eficiencia con la que la potencia es transmitida. Este ángulo varia continuamente entre un valor mínimo y un valor máximo conforme el eslabonamiento pasa por su intervalo en movimiento. En la figura 15 se muestra un mecanismo de cuatro barras donde la barra 4 es la motriz, la barra 3 es el elemento acoplador y la barra 2 es el eslabón de salida. Por lo tanto el ángulo de transmisión es el formado entre las barras 2 y 3.
