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soy un robot duro y macho y ademas sirco como semaforoTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD DE CUENCACURSO DE NIVELACIÓN
FACULTAD: Ingeniería.
PROYECTO INTEGRADOR DE SABERESTEMA:
Motor Stirling.
PARALELO: Nivelación ingeniería p8
AUTORES:Cristian Guerrero.Christian Guillén.Franklin Sinchire.Mateo Jaramillo.
Blas Lema.
TUTOR:Ing. Juan Matute
Cuenca - Azuay - Ecuador.Diciembre de 2015.
RESUMEN:
INDICE
1. INTRODUCCIÓN.................................................................................3
1.1. ANTECEDENTES DE LA PROBLEMÁTICA:...............................3
1.1. SITUACIÓN PROBLEMÁTICA:.....................................................4
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:..........................................4
1.3. OBJETIVO GENERAL:....................................................................4
1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:............................................................5
1.5. TAREAS DE INVESTIGACION:.....................................................5
2. DESARROLLO:....................................................................................5
2.1. MARCO TEÓRICO:..........................................................................5
2.2. PARTE PRÁCTICA:.........................................................................8
2.2.1. MATERIALES:.............................................................................9
2.2.2. CONSTRUCCIÓN.......................................................................10
2.2.3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:......................................14
3. CONCLUSIÓN:...................................................................................16
4. RECOMENDACIONES:.....................................................................17
5. BIBLIOGRAFÍA:................................................................................17
6. ANEXOS:............................................................................................17
Tabla de Ilustraciones:
Ilustración 1: Cilindro desplazador.............................................................10Ilustración 2: Pistón desplazador................................................................11Ilustración 3: Guía del eje dezplazador......................................................12Ilustración 4: Cilindro de fuerza.................................................................12Ilustración 5: Tapa del cilindro desplazador...............................................13Ilustración 6: Croquis del cigüeñal y cigüeñal terminado..........................14Ilustración 7: Medidas del cigueñal............................................................15Ilustración 8: Diseño de soporte.................................................................15Ilustración 9: Soporte CD...........................................................................16Ilustración 10: CD como volantes de inercia..............................................17
1. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo daremos a conocer cómo fabricar un motor
stirling casero, el cual se define como una máquina que convierte trabajo
en calor y viceversa, a través de un ciclo termodinámico, con compresión y
expansiones cíclicas del fluido del trabajo. El motor Stirling que
fabricamos es un tipo de motor térmico, que genera trabajo a partir de
diferencias de temperaturas.
Una de las ventajas del motor Stirling es la combustión externa (se
puede quemar cualquier combustible para calentar el motor) y no hay
explosión, por lo que el motor es extremadamente silencioso y libre de
vibraciones. Hoy en día se utiliza estos motores para generar calor, para
impulsar submarinos y próximamente como motores en automóviles
híbridos, existen aún pocas aplicaciones comerciales y muchos proyectos
de investigación.
Es por estas razones que el motor Stirling es muy útil en diferentes
ramas de la ciencia.
1.1. ANTECEDENTES DE LA PROBLEMÁTICA:
Como antecedentes de la Universidad de Cuenca cuenta con grandes
espacios verdes donde existe gran concurrencia de personal docente y
estudiantil, el cual es utilizado sólo como lugar de descanso o relajación lo
cual se puede utilizar como campo práctico de desarrollo de material
teórico el cual no afecte a éstas áreas.
Lamentablemente, a pesar, de contar con un excelente personal docente
no, contamos con actividades de ésta índole y tampoco contamos con el
tiempo necesario para desarrollar dichas actividades.
Los estudiantes de la Universidad de Cuenca podemos ser quienes
impulsemos éstas actividades para captar más favorablemente los
aprendizajes infundidos y para romper esos estereotipos cotidianos de
estudiar el fundamento teórico y no aplicarlo en la práctica.
1.1. SITUACIÓN PROBLEMÁTICA:
No poder aplicar prácticamente los conocimientos adquiridos en el aula
de clase como es en este caso sobre las leyes de los gases y las
transformaciones de las energías y no contar con actividades prácticas
programadas para reforzar los conocimientos de la cátedra emitida por el
docente.
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:
¿Cómo lograr que los estudiantes de la Universidad de Cuenca capten
de mejor manera los conocimientos infundidos en el aula de clase sobre las
transformaciones de la energía y las leyes de los gases?
1.3. OBJETIVO GENERAL:
Construir un motor Stirling funcional para demostrar la
transformación de la energía cinética de los gases en
energía potencial que alimenta a un pistón mediante la
aplicación práctica de las leyes de los gases.
1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Demostrar el funcionamiento de un motor Stirling.
Generar energía mecánica a partir de energía calórica.
Aplicar fenómenos físicos para explicar el
funcionamiento del motor.
1.5. TAREAS DE INVESTIGACION:
Entrevistas a expertos sobre el tema.
Investigar los costos de los materiales del proyecto.
Buscar lugares donde se puedan obtener los materiales.
Averiguar las aplicaciones prácticas del proyecto.
Encuestas sobre la aceptación del proyecto.
2. DESARROLLO:
2.1. MARCO TEÓRICO:
Antes de adentrarnos a fondo en el fundamento del proyecto
empezaremos por definir conceptos básicos. ¿Qué es un motor?
Un motor es aquella maquina destinada a producir movimiento a partir
de una fuente de energía. Existen diversos tipos de motores siendo los más
principales se encuentran los motores eléctricos y térmicos (siendo estos
los que vamos a analizar).
Motores térmicos:
La base de un motor térmico es la transformación de energía térmica a
energía mecánica que sea utilizable para producir un trabajo, dependiendo
de donde provenga la fuente de calor estos pueden ser de combustión
interna o externa.
Motor de combustión interna:
Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene
energía mecánica directamente de la energía química producida por un
combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte
principal de un motor. Se emplean motores de combustión interna de
cuatro tipos, explosión, diésel, turbina y rotativo Motor de combustión
externa: Un motor de combustión externa es una máquina que realiza una
conversión de energía calorífica en energía mecánica mediante un proceso
de combustión que se realiza fuera de la máquina, generalmente para
calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo. Los
motores de combustión externa también pueden utilizar gas como fluido de
trabajo (aire, H2 y He los más comunes) como en el ciclo termodinámico
Stirling.
Por lo tanto, el motor Stirling, tema principal de nuestro proyecto, se
definiría como concepto: un motor térmico que se sirve de la combustión
externa para su funcionamiento, utilizando como “fluido” aire u otros
gases. El movimiento cíclico del motor se da gracias a una variación de la
temperatura de los gases internos, creando un cambio continuo del
volumen interno de los gases, dando como resultado un cambio en la
presión y provocando el movimiento de los pistones. Al analizar esto,
podemos deducir que el fenómeno físico fundamental para su
funcionamiento es la expansión y comprensión de gases.
La propiedad de expansión de gases nos dice que estos ocupan la
totalidad del volumen del recipiente que los contiene variando su densidad,
gracias a esto se da también el fenómeno de la compresión y expansión,
diciendo que podemos aumentar o disminuir el volumen de este gas sin
alterar su masa, este aumento o reducción de volumen trae consigo una
variación de la fuerza o presión que este gas ejerce, lo cual se estudia
mediante las leyes de los gases. Tanto la presión como el volumen y la
temperatura definen el estado de un gas de tal forma que si una de estas
cambia el estado del gas también lo hace ya que las dos restantes se
modifican inevitablemente, entonces para poder comprenderlo mejor
definamos individualmente estas tres variables:
Temperatura: es una medida de la energía cinética media molecular. La
temperatura ejerce gran influencia sobre el estado de las moléculas de un
gas aumentando o disminuyendo la velocidad de las mismas.
Presión: En Física, presión (P) se define como la relación que existe
entre una fuerza (F) y la superficie (S) sobre la que se aplica, y se calcula
con la fórmula:
Lo cual significa que la Presión (P) es igual a la Fuerza (F) aplicada
dividido por la superficie (S) sobre la cual se aplica.
Volumen: Es todo el espacio ocupado por algún tipo de materia. En el
caso de los gases, estos ocupan todo el volumen disponible del recipiente
que los contiene.
Existen tres leyes fundamentales que rigen la relación de estas tres
variables (leyes de los gases):
Ley de Boyle: establece que la presión de un gas en un recipiente
cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la
temperatura es constante.
Ley de Charles: Textualmente, la ley afirma que: El volumen de un
gas es directamente proporcional a la temperatura del gas si la presión
se mantiene constante.
Ley de Gay-Lussac: La presión del gas es directamente
proporcional a su temperatura cuando su volumen se mantiene
constante.
Si juntamos los conceptos de estas tres leyes nos da como resultado, la
ley combinada de los gases: La ley general de los gases o ley combinada
dice que una masa de un gas ocupa un volumen que está determinado por
la presión y la temperatura de dicho gas. Estudia el comportamiento de una
determinada masa de gas si ninguna de esas magnitudes permanece
constante.
2.2. PARTE PRÁCTICA:
FUNCIONAMIENTO:
El movimiento de un motor Stirling se da gracias a las diferencias de
presión de aire de la parte más caliente y la más fría del sistema, el
mecanismo central de un Stirling consiste de dos pistones uno para disipar
el calor y desplazar el aire caliente hacia la sección fría y viceversa, por lo
tanto, en la práctica este cilindro funciona como intercambiador de calor y
se lo denomina regenerador, el otro pistón entrega la fuerza al aplicar
torque al cigüeñal. Entonces como deducción: el motor funciona debido a
la expansión del gas contenido en la recamara, en la sección caliente de la
cámara, aumentado la presión y produciendo un empuje en el cilindro.
Luego el aire es movido a la zona fría, en la cual se contrae
produciendo una disminución en la presión y por lo tanto una contracción
en el cilindro, las expansiones y contracciones se transmiten en un
cigüeñal logrando el efecto de giro en la volante. Cálculos (mediciones):
• Cilindro desplazador: Alto: 135 mm, Diámetro: 68
• Piston desplazador: Largo: 80, Diámetro: 53
• Cilindro de potencia (cilindro de fuerza): Largo: 55 Diámetro
interno: 20 Diámetro externo: 23 Grosor pared: 1.5
• Pistón de potencia (pistón de fuerza): Largo: 19 Diámetro: 20
2.2.1. MATERIALES:
Pistones.
Cilindro transparente.
Estructura de madera.
Discos.
Alambre.
2.2.2. CONSTRUCCIÓN
CILINDRO DESPLAZADOR
Como cilindro desplazador es recomendable utilizar el vaso de
cristal de una cafetera de émbolo tenemos que fijarnos que este
tenga las siguientes medidas (o aproximadamente) de alto 135mm y
de diámetro 68mm.
Ilustración 1: Cilindro desplazador
PISTÓN DESPLAZADOR
Utilizaremos una lata de aluminio esta nos será útil ya que es muy
liviana puede ser de una bebida energética. Irá alojado dentro del cilindro
desplazador. Este pistón no comprimirá el aire, sino que lo desplazara, de
un extremo a otro según este pistón sube y baja. Por eso no debe entrar
ajustado a las paredes del cilindro, y se deja un espacio de pocos
milímetros: Por ahí pasará el aire de un extremo a otro del cilindro.
Estas medidas son estrictas en el diseño de un stirling: El tamaño del
cilindro impone qué tamaño deberá tener el pistón, típicamente 2/3 de la
longitud del cilindro.
A esta lata hay que hacerle varios mecanizados:
1. Taladro a 2 mm en el centro en ambos extremos para pasar el eje
2. Recortar la lata para dejarla con una longitud de 80mm (2/3 partes de la
longitud del cilindro que es de 135 mm).
3. Cerrar (sellar) la unión de ambas mitades, y también la abertura de
beber.
4. Insertar el eje en la lata. Fijarlo con pegamento en ambos extremos
EJE PISTÓN DESPLAZADOR
Sirve cualquier alambre rígido y recto con un diámetro de 2 mm. Un
radio de bicicleta es muy adecuado para esto.
GUÍA DEL EJE DESPLAZADOR
Sus mediadas deben ser aproximadamente 35mm de largo, 3mm de
diámetro externo y 2mm de diámetro interno.
Ilustración 2: Pistón desplazador
Ilustración 3: Guía del eje dezplazador
CILINDRO DE POTENCIA (CILINDRO DE FUERZA)
Este cilindro está hecho en acero, las paredes son lisas tanto por fuera
como por dentro, y no lleva la típica costura de soldadura. También puede
hacerse en cobre, aluminio, etc. Elegimos el acero inox porque al no
oxidarse no tiene variaciones dimensionales ni sus paredes se vuelven
rugosas. Las medidas del tubo son aproximadamente: 55mm de largo,
20mm de diámetro interno, 23mm de diámetro externo, 1.5mm de
diámetro de pared.
PISTÓN DE POTENCIA (PISTÓN DE FUERZA)
Está hecho en teflón, un tipo de plástico anti-fricción que aguanta altas
temperaturas y tiene muy buenas cualidades mecánicas. También se puede
Ilustración 4: Cilindro de fuerza
hacer en nylon, en plástico e incluso en madera. También hay quienes
hacen este pistón con adhesivo epoxi, usando un molde. Medidas
aproximadas de este pistón: largo 19mm de largo y 20 mm de diámetro
TAPA (DEL CILINDRO DESPLAZADOR)
Se le hacen dos taladros: Uno en el centro, a 3 mm para fijar el tubito
de cobre (guía eje desplazador) otro más bien en la periferia, para poner el
cilindro de fuerza, a 10 mm de diámetro (pueden ser 6-15 mm) esto no es
preciso, pero recomiendo hacer este taladro a un diámetro menor que el
pistón de fuerza para evitar que se pueda colar al frasco. Yo hice el taladro
a 10 mm de diámetro.
Esta tapa, llegado el momento, se unirá al vaso de cristal
BIELAS Y ARTICULACIONES
Para unir mecánicamente cada uno de los dos pistones con el
cigüeñal vamos a construir dos bielas partiendo de un palillo de hacer
brochetas. Elegiremos uno que esté bien recto y mediante cortes
sucesivos ajustaremos la longitud, de modo que cada uno de los
Ilustración 5: Tapa del cilindro desplazador
pistones pueda hacer su carrera completa pero sin llegar a
sobrepasarla. Las medidas de las bielas: biela pistón desplazador 30 mm
de largo y biela pistón de fuerza 50 mm de largo.
CIGÜEÑAL Le vamos a hacer dos codos: Uno para el pistón desplazador, y otro -
desfasado 90º- para el pistón de fuerza. El pistón de fuerza va retrasado 90º
con respecto al pistón desplazador.
Las medidas se toman con el escalímetro o regla sobre el propio motor
stirling y a continuación sólo hay que ir doblando cada uno de los codos.
Tres son las medidas importantes en el cigüeñal:
Ilustración 6: Croquis del cigüeñal y cigüeñal terminado
Medidas del cigüeñal
Ilustración 7: Medidas del cigueñal
SOPORTE DEL CIGÜEÑAL
Nos sirve cualquier cosa que permita sujetar el cigüeñal. En este
montaje he hecho una especie de "U" con maderas, pegadas entre sí. Y a su
vez, este soporte se fija a la tapa del cilindro desplazador mediante unos
puntos de pegamento.
Ilustración 8: Diseño de soporte
SOPORTE VOLANTES DE INERCIA
El peso y esfuerzo a que es sometido el cigüeñal en esta máquina es de
poca entidad, así que servirá como "rodamiento" una simple tuerca de
diámetro interno 3mm. Estas tuercas se embuten en la madera, tal y como
se aprecia en la foto de arriba. Es conveniente ponerles una minúscula gota
de pegamento para que no se muevan. Cuidado con manchar de pegamento
el interior de la tuerca: sería un freno para el motor por el rozamiento.
Ilustración 9: Soporte CD
VOLANTES DE INERCIA
Para que un stirling pueda funcionar regularmente, debe mover cierta
masa, debe haber cierta inercia. Esto lo vamos a conseguir fijando a los
soportes anteriores un CD o DVD inservible (uno por cada lado) con
pegamento. En realidad, la masa representada por uno (o dos) CD no es
suficiente, pero el propio CD nos permitirá añadir masa pegando a ellos
alguna pieza (yo he puesto dos imanes), pero valdría cualquier cosa que
pesara al menos 100 gramos, por ejemplo, dos tuercas grandes.
CONTRAPESOS
A cada CD, antes de pegarlo a su soporte, le haremos un taladro mas o
menos a 10mm de diámetro, cerca del borde, para ponerles un tornillo y
tuerca, cuyo peso equilibrará al motor.
Ilustración 10: CD como volantes de inercia
2.2.3. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:
El cronograma de actividades bajo el cual el tutor del Trabajo de
Proyecto integrador acompañará a los estudiantes, será semanal para
mantener un seguimiento constante e informar al representante del avance
del mismo; el esquema bajo la propuesta anterior es:
ACTIVIDADMes: Octubre
1 2 3 4
Actividad 1Asignación de puestos de trabajo
Investigación exhaustiva referente al tema
Actividad 2
Delimitación del tema y redacción de actividades del proyecto
Bosquejo de materiales a usar y costos de ellos
Mes: Noviembre1 2 3 4
Actividad 1
Planificación del esquema para la estructura del proyecto
Construcción del proyecto: Eje desplazador
Construcción del proyecto: Cilindro de fuerza
Construcción del proyecto: pistón de potencia
Actividad 2Búsqueda de errores en el diseño
Construcción del proyecto: Eje dezplazador
Construcción del proyecto: Cilindro de fuerza
Construcción del proyecto: pistón de potencia
Actividad 3
Búsqueda de mejoras para el proyecto
Construcción del proyecto: Cilindro de fuerza
Construcción del proyecto: pistón de potencia
Acoplar el cigüeñal y volante de inercia
Actividad 4
Construcción del proyecto: Eje desplazadorMes: Diciembre1 2 3 4
Actividad 1 Ensamblaje del proyecto
Pruebas de campo
Corrección de imprevistos
Actividad 2 Ensamblaje del proyecto
Pruebas de campo
Corrección de imprevistos
Actividad 3Búsqueda de errores en el ensamblaje
Mejoras estéticas
Corrección de imprevistos
Actividad 4 Búsqueda de mejoras en
Mejoras estéticas
Corrección de
el ensamblaje imprevistos
3. CONCLUSIÓN:
Podemos concluir que el motor Stirling es un proyecto viable, y no tan
complejo en su realización pero a su vez está ligado a los conocimientos
adquiridos durante los últimos años, y podemos aplicarlo ya en un
proyecto experimental y no únicamente en el ámbito teórico. Pensamos
que el motor Stirling demuestra de una manera clara y eficiente las
transformaciones de los tipos de energía así como las leyes de los gases y
podemos distinguir los fenómenos físicos que rigen este proyecto.
El motor es una de las maquinas más fundamentales para el desarrollo
tecnológico de la humanidad durante las últimas épocas de la humanidad
así como se pudo evidenciar durante la revolución industrial en donde el
motor a vapor, disparo de maneras inimaginables el avance tecnológico.
Lo que queremos lograr con este proyecto es que estudiantes se den
cuenta de que es un proyecto que está al alcance de todos y dar a conocer
la estructura y funcionamiento base de un motor sea cual sea su fuente
principal de energía.
Para nuestro parecer este es uno de los más prácticos usos de la física
en la vida cotidiana y que conocer el funcionamiento de un motor nos
puede ayudar a comprender lo que muchas veces se queda solo en la
teoría.
Muchas veces cuando vemos la materia nos preguntamos de que nos va
servir sin darnos cuenta de que gracias a estos conocimientos el mundo ha
avanzado hacia donde esta y es necesarios entenderlos para que pueda
avanzar aún más.
4. RECOMENDACIONES:
5. BIBLIOGRAFÍA:
http://www.taringa.net/post/info/2238254/Como-construir-un-motor-
Stirling.html
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/GasesLeyes.htm
http://100ciaencasa.blogspot.com/2013/06/tutorial-motor-stirling.html
6. ANEXOS:
