Estudio, diseño y construcción de un motor stirling experimental tipo beta (β)

Abstract

El motor Stirling es una máquina térmica sorprendente, ya que tiene la capacidad de operar con una gama extensa de combustibles, con un potencial de eficiencia alto, con bajos niveles de emisiones tóxicas y de ruidos, sin casi afectar el balance ecológico del medio ambiente. Logrando con ello, alcanzar una armonía entre el crecimiento económico y la protección ambiental. En el primer capítulo, se hace una introducción al desarrollo de las máquinas térmicas, con la participación de los motores Stirling a lo largo de este desarrollo. Se hace un análisis de la situación energética mundial actual y del medio ambiente, explicando la importancia del estudio del motor Stirling. Y, a su vez, se presentan los objetivos del presente trabajo. El segundo capítulo, constituye un análisis general sobre las máquinas térmicas, con conceptos básicos de termodinámica y la identificación de los motores Stirling dentro de la diversa gama de máquinas térmicas. Esta clasificación es esencial, para poder entender adecuadamente su sencillo principio de funcionamiento. En el tercer capítulo, se expone el ciclo Stirling ideal, a su vez se hace una comparación con el ciclo de Carnot. También, se exponen conceptos básicos para el análisis de la eficiencia mecánica de las máquinas térmicas, utilizando dichos conceptos se demuestra como los motores Stirling alcanzan la eficiencia mecánica más alta de todas las máquinas térmicas. En el cuarto capítulo, se explica el principio de funcionamiento de los motores Stirling, se presenta las 3 configuraciones principales de los motores Stirling; por otro lado, se muestran los acoplamientos mecánicos y los fluidos de trabajo que pueden ser empleados. Además, se hace un análisis de la regeneración. Finalmente, se describen las características de los componentes del motor Stirling. En el quinto capítulo, se muestra el análisis termodinámico de Schmidt, y de transferencia de calor para cualquier configuración de los motores Stirling. Y, se muestra la influencia de los parámetros del motor sobre la eficiencia mecánica y la potencia del motor. En el sexto capítulo se realiza un análisis cinemático para la configuración "beta" con dicho análisis se realiza el análisis termodinámico Schmidt para esta configuración, de esta forma se obtienen los parámetros óptimos de diseño para la configuración beta. Finalmente, se realiza el análisis de transferencia de calor para la configuración beta, para determinar el calor suministrado y rechazado, de esta forma, con la potencia obtenida, se puede determinar las pérdidas dentro del motor. En el séptimo capítulo se exponen los parámetros geométricos, los materiales y algunos criterios para el diseño del motor del presente trabajo, así como, los costos de los materiales utilizados. Posteriormente, se detalla el proceso de construcción, se muestra la disposición del banco de pruebas y se expone los resultados experimentales. Además, se ha desarrollado un programa en MATLAB®, llamado BETA, para obtener el trabajo indicado, la eficiencia mecánica para diferentes presiones de amortiguamiento, así como el diagrama P-V, el diagrama de movimiento del motor, y el diagrama polar de la presión. Este programa muestra algunos gráficos adicionales y permite realizar un video, para comprender con mayor facilidad los resultados obtenidos. Adicionalmente, en los anexos se incluye un cálculo, utilizando los datos experimentales, se determina el calor suministrado, rechazado, así como las pérdidas térmicas, y se obtienen las temperaturas de operación del motor, de esta forma con el programa BETA, se pueden obtener los diagramas, ya mencionados, para el funcionamiento del motor del presente trabajo. La construcción del motor se realiza en el laboratorio de ingeniería mecánica S-4 de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería. Se utilizaron materiales que son disponibles en el mercado, que son aceptables económicamente, de manera que resulte un motor simple y económico; y se· emplearon los procesos de manufactura disponibles. Cabe resaltar que la información, sobre el motor Stirling en nuestro país es muy escasa, por lo que la intención de este trabajo es convertirse en una fuente que aporte conocimiento y experiencia para el diseño, construcción y desarrollo de los motores Stirling; por ello, se presentan las consideraciones básicas para el diseño de cualquier configuración de los motores Stirling, con la intención que Jos motores Stirling se desarrollen y apliquen en nuestro país. Este tipo de motor permitiría en nuestro país, que pequeñas comunidades rurales que no tienen acceso a la electricidad y a los combustibles convencionales, puedan contar con un medio que les permita elevar su nivel de vida y mejorar la productividad de sus actividades. Este trabajo no se hubiese realizado sin el apoyo, orientación e interés de muchas personas, por ello mi agradecimiento al D.Sc. Alberto Coronado Matutti por su ayuda en la búsqueda de información; así mismo, al Lic. Willy Rojas por su invalorable apoyo durante la construcción del motor del presente trabajo; mi agradecimiento muy especial al Ph.D. Guillermo Lira Cacho por su confianza, asesoramiento y dedicación, desde el inicio de este trabajo y durante su desarrollo. Y finalmente, mi agradecimiento a todas las personas que me de una u otra manera me ayudaron durante el desarrollo de este trabajo, ¡MUCHAS GRACIAS!