diseño de un motor stirling empleando el calor disipado en la produccion de coque
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DISEÑO DE UN MOTOR STIRLING ENPLEANDO EL CALOR DISIPADO EN LAPRODUCCION DE COQUE
IVAN LEONARDO CALA MATIZ
Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
AsesorJAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE MECANICABOGOTA D.C.
2003
IM-2003-I-06
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Bogotá D.C., 26 de Junio de 2003
DoctorALVARO PINILLADirector del Departamento de Ingeniería MecánicaUNIVERSIDAD DE LOS ANDESCIUDAD
Apreciado Doctor:
Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto de grado tituladoDISEÑO DE UN MOTOR STIRLING EMPLEANDO EL CALOR DISIPADO EN LAPRODUCCIION DE COQUE, que tiene como objetivo diseñar un motor económicoque aproveche la energía térmica disipada al ambiente por hornos utilizados en laproducción de coque.
Considero que este proyecto cumple con los objetivos planteados y lo presentocomo requisito para optar al título de ingeniero mecánico.
Cordialmente.
IVAN LEONARDO CALA MATIZCódigo 199714730
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Bogotá D.C., 26 de Junio de 2003
DoctorALVARO PINILLADirector del Departamento de Ingeniería MecánicaUNIVERSIDAD DE LOS ANDESCIUDAD
Apreciado Doctor:
Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto de gradopresentado por IVAN LEOANRDO CALA MATIZ, titulado DISEÑO DE UN MOTORSTIRLING EMPLEANDO EL CALOR DISIPADO EN LA PRODUCCIION DECOQUE, que tiene como objetivo diseñar un motor económico que aproveche laenergía térmica disipada al ambiente por hornos utilizados en la producción decoque.
Como asesor, certifico que el proyecto de grado cumple con los objetivos que seplantearon, y que por lo tanto, califica como requisito para optar al título deIngeniero Mecánico.
Cordialmente.
JAIME LOBOGUERRERO USCÁTEGUIProfesor Asesor
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AGRADECIMIENTOS
A Margareth Martínez por darme la fuerza y motivación necesarias para realizar
este proyecto y culminar con éxito mi carrera.
“Gracias por tu apoyo, paciencia y comprensión”
A mi familia por todo el apoyo brindado durante toda mi carrera.
Al Ingeniero, Jaime Loboguerrero por la orientación durante este proyecto y las
enseñanzas que me dejó.
A James Candelo y Soraida Parra, por la facilitación de las instalaciones para
construir el motor.
A Carlos Raigoza por la colaboración prestada en la construcción del motor.
A todas la personas que me han brindado su amistad.
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TABLA DE CONTENIDO
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1. INTRODUCCIÓN 10
2. OBJETIVOS 11
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11
3. JUSTIFICACIÓN 12
4. MOTOR STIRLING 14
4.1 INTRODUCCIÓN AL MOTOR STIRLING 14
4.2 COMO FUNCIONA UN MOTOR STIRLING 15
4.3 PRINCIPIOS GENERALES DEL MOTOR STIRLING 21
4.4 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL MOTOR STIRLING 23
4.5 PRINCIPALES TIPOS DE MOTORES STIRLING 24
4.5.1 Motores tipo Alfa (figura 4-10) 24
4.5.2 Motores tipo Beta (figura 4-11). 24
4.5.3 Motores tipo Gamma figura (4-12). 25
4.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOTOR STIRLING 26
4.6.1 Ventajas. 26
4.6.2 Desventajas. 27
5. SELECCIÓN DEL TIPO DE MOTOR A DISEÑAR 28
6. LA COQUIZACION 30
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6.1 PROCESO DE COQUIZACION 30
6.2 COQUIZACION EN HORNOS DE COLMENA 31
7. TÉCNICA DE SCHMIDT 34
7.1 SUPUESTOS BÁSICOS DEL ANÁLISIS 34
7.2 CONFIGURACIÓN BETA CON SOBREPOSICIÓN POSITIVA 35
7.2.1 Variación del volumen de expansión VE. 36
7.2.2 Variación del volumen de compresión VC 37
7.2.3 Volumen muerto VD. 38
7.2.4 Presión Cíclica. 38
7.2.5 Transferencia de Energía. 43
8. CÁLCULO DEL MOTOR USANDO LA TÉCNICA DE SCHMIDT 46
8.1 TEMPERATURA DE EXPANSIÓN (TE), TEMPERATURA DE
COMPRESIÓN (TC) Y PRESIÓN MAXIMA. 46
8.2 VOLÚMENES CALCULADOS 47
8.2.1 Volumen Barrido de Expansión (VSE) y Compresión (VSC). 47
8.2.2 Volumen Muerto (VD) 49
8.2.3 Volumen constante entre el desplazador y el pistón de potencia (VPO) 50
8.3 COEFICIENTES CALCULADOS 51
8.4 TRABAJO CALCULADO 51
8.5 POTENCIA CALCULADA 52
8.6 SELECCIÓN DEL MOTOR 52
8.7 VOLUMEN, PRESIÓN Y FUERZA 53
8.7.1 Variación del Volumen total (V). 54
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8.7.2 Presión Interna 55
8.7.3 Fuerza sobre el Pistón de Potencia 56
8.7.4 Diagrama P-V del motor seleccionado. 58
9. DISEÑO DEL MOTOR 60
9.1 SOPORTE CILINDRO-PSICINA 60
9.2 CILINDRO 61
9.3 PISCINA 63
9.4 DESPLAZADOR 65
9.4.1 Cilindro del Desplazador 66
9.4.2 Eje del Desplazador 66
9.5 PISTÓN DE POTENCIA 67
9.5.1 Diafragma. 67
9.5.2 Disco de Potencia. 68
9.5.3 Ensamble del Pistón de Potencia. 69
9.6 MECANISMO DE POTENCIA Y MECANISMO DESPLAZADOR 70
9.7 SOPORTE DE LOS MECANISMOS 74
9.8 VOLANTE Y SOPORTES DEL VOLANTE 75
9.9 MOTOR DISEÑADO 76
9.10 ANÁLISIS DE FALLA. 78
9.11 DISEÑO DEL VOLANTE 79
10. CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR STIRLING DISEÑADO 81
10.1 SOPORTE CILINDRO-PISCINA 81
10.2 PISCINA 82
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4
10.3 CILINDRO 83
10.4 DESPLAZADOR 86
10.5 PISTÓN DE POTENCIA 88
10.5.1 Diafragma (llanta) 88
10.5.2 Disco de potencia. 89
10.5.3 Ensamble Pistón de Potencia. 90
10.6 SOPORTE DE MECANISMOS 92
10.7 MECANISMO DE POTENCIA 93
10.8 ENSAMBLE ACTUAL 94
10.9 PIEZAS Y ENSAMBLES RESTANTES 96
11. CONTINUACIÓN DEL PROYECTO 97
12. CONCLUSIONES 98
13. PLANOS 100
14. BIBLIOGRAFÍA 113
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LISTA DE TABLAS
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Tabla 6-1. Balance energético de un horno de coque 33
Tabla 7-1. Variables utilizadas en la técnica de Schmidt 35
Tabla 8-1. Temperaturas de Expansión, compresión y presión máxima 46
Tabla 8-2. Cilindro 48
Tabla 8-3. Desplazador 48
Tabla 8-4. Pistón de Potencia. 49
Tabla 8-5. Volúmenes barridos de Expansión y Compresión. 49
Tabla 8-6. Volumen Muerto. 50
Tabla 8-7. Volumen constante entre desplazador y pistón de potencia. 50
Tabla 8-8. Coeficientes de la técnica de Schmidt 51
Tabla 8-9. Trabajo total calculado. 51
Tabla 8-10. Potencia total calculada y esperada. 52
Tabla 8-11. Parámetros de funcionamiento del motor seleccionado. 53
Tabla 8-12. Variación del Volumen para un ciclo de expansión. 54
Tabla 8-13. Presión Interna para un ciclo de expansión 55
Tabla 8-14. Fuerza sobre el Pistón de Potencia para un ciclo de expansión. 57
Tabla 9-1. Factores de diseño estático y de fatiga. 79
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LISTA DE FIGURAS
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Figura 4-1. Motor Stirling Original 14
Figura 4-2. Principio de los motores Stirling 16
Figura 4-3. Principio de los motores Stirling 16
Figura 4-4. Compresión isotérmica 18
Figura 4-5. Aumento de presión isocórico 19
Figura 4-6. Expansión isotérmica 19
Figura 4-7. Disminución de presión isocórico 20
Figura 4-8. Movimientos del desplazador y el pistón 21
Figura 4-9. Ciclo real Vs Teórico 21
Figura 4-10. Motor tipo Alfa 24
Figura 4-11. Motor tipo Beta 25
Figura 4-12. Motor tipo Gamma 25
Figura 5-1. Diseño preliminar (Motor tipo Beta) 28
Figura 5-2. Diseño preliminar (Mecanismos de barra) 29
Figura 6-1. Funcionamiento de un Horno de Colmena 32
Figura 7-1. Motor Stirling Beta con sobre posición positiva 36
Figura 8-1. Variación del Volumen Total para un ciclo de expansión 55
Figura 8-2. Presión interna para un ciclo de expansión 56
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Figura 8-3. Área del Pistón. 57
Figura 8-4. Fuerza sobre el Pistón de Potencia para un ciclo de expansión. 58
Figura 8-5. Diagrama Presión vs Volumen del motor diseñado. 59
Figura 9-1. Soporte cilindro-piscina 60
Figura 9-2. Cilindro 61
Figura 9-3. Cilindro con aislante 62
Figura 9-4. Cilindro soportado 63
Figura 9-5. Piscina 64
Figura 9-6. Piscina ensamblada 64
Figura 9-7. Desplazador 65
Figura 9-8. Ensamble del Desplazador 67
Figura 9-9. Diafragma (llanta) 68
Figura 9-10. Disco de potencia 69
Figura 9-11. Pistón de Potencia 69
Figura 9-12. Ensamble del pistón de potencia 70
Figura 9-13. Resultado síntesis gráfica de mecanismos 71
Figura 9-14. Mecanismo de Potencia 72
Figura 9-15. Mecanismo Desplazador 73
Figura 9-16. Mecanismos desfasados 90° 73
Figura 9-17. Mecanismos ensamblados 74
Figura 9-18. Soporte de los mecanismos 75
Figura 9-19. Volante y Soportes del Volante 75
Figura 9-20. Motor Stirling Diseñado 76
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Figura 9-21. Explosión del Motor Stirling Diseñado 77
Figura 9-22. Torque entregado 80
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LISTA DE FOTOS
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Foto 6-1. Planta de coque 32
Foto 6-2. Vista superior y frontal de una planta de coque 33
Foto 10-1. Soporte cilindro-piscina 81
Foto 10-2. Piscina 82
Foto 10-3. Ensamble piscina 83
Foto 10-4. Cilindro 84
Foto 10-5. Sellado y aislamiento de la Zona caliente del motor 85
Foto 10-6. Desplazador 87
Foto 10-7. Diafragma (llanta) 88
Foto 10-8. Disco de potencia 90
Foto 10-9. Pistón de Potencia 90
Foto 10-10. Ensamble del Pistón de potencia 91
Foto 10-11. Ensamble parcial del motor 91
Foto 10-12. Soporte de Mecanismos 92
Foto 10-13. Ensamble del soporte de mecanismos 93
Foto 10-14. Mecanismo de potencia Ensamblado 94
Foto 10-15. Ensamble actual del Motor Stirling diseñado 95
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1. INTRODUCCIÓN
Este proyecto de grado consistió en el diseño de un motor de combustión externa
operando bajo el ciclo de Stirling, que empleara como fuente de calor las
emisiones producidas por hornos de producción de coque. El proyecto tiene dos
motivaciones principales: la primera es el estudio de los motores Stirling como
alternativa en la producción de trabajo, de una forma que no aumente la
contaminación ambiental; la segunda es proponer un método económico y no
contaminante que aproveche el calor que se está desperdiciando.
El proyecto se realizo principalmente en tres fases: la primera fue la revisión
bibliográfica acerca de los motores Stirling, así como la comprensión del proceso
de coquización. La segunda consistió en el diseño del motor empleando la técnica
de Schmidt. El último paso fue la construcción del modelo diseñado.
El diseño del motor se realizo pensando en una alternativa económica, evitando
en la medida de lo posible el uso de materiales costos o procesos de manufactura
complicados, utilizando partes recicladas cuando fuera posible.
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2. OBJETIVOS
Este proyecto tiene como principal objetivo diseñar un motor Stirlilng para producir
potencia, empleando la energía térmica disipada al ambiente por hornos utilizados
en la producción de coque.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Diseñar un motor Stirling de manera que su construcción y funcionamiento sea
muy económico, evitando, en la medida de lo posible, la compra de materiales
caros y la manufactura de sus partes y acabados costosos, empleando por
ejemplo materiales y piezas recicladas.
- Construir un modelo del motor Stirling diseñado.
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3. JUSTIFICACIÓN
Hoy en día los hornos empleados en Colombia para extraer coque, liberan
grandes cantidades de energía térmica en forma de gases a alta temperatura,
producidos al quemar el carbón. Actualmente esta energía no se esta
aprovechando; los gases simplemente son expulsados al ambiente. Si se
aprovechara algún porcentaje de esta energía para producir potencia,
representaría beneficios tanto económicos como ambientales al poder disminuir la
cantidad de energía adquirida de otros procesos, para utilizar una porción de la
que se esta botando a la atmósfera
El propósito de este proyecto es brindar una solución al problema de utilizar esta
fuente de alta temperatura, para transformar parte de la energía cedida al
ambiente en potencia, que pueda ser utilizada por ejemplo dentro de la misma
planta de coque.
Debido a que se cuenta con un flujo de alta temperatura, es conveniente la
utilización de un motor de combustión externa, razón por la cual se decidió diseñar
este último cumpliendo las especificaciones del ciclo Stirling.
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Los motores Stirling han sido desplazados en el mercado por los motores de
combustión interna debido a el menor precio de estos y su capacidad de generar
una mayor potencia, sin importar que tengan una eficiencia térmica menor. Por
esta razón el diseño al que se llego en esta investigación, es el de un motor muy
económico, que no pretende competir en potencia ni durabilidad con los motores
convencionales, sino proporcionar una alternativa viable económicamente para
aprovechar un porcentaje de la energía que se esta desperdiciando, además de
no contaminar el ambiente durante este proceso.
Una ventaja adicional de este proyecto, es la futura utilización de los resultados de
esta investigación en aplicaciones similares, donde se tenga la posibilidad de
aprovechar una fuente de alta temperatura.
Tomando en cuenta lo mencionado en este capítulo, se cree que este proyecto
tuvo las justificaciones suficientes para llevarse a cabo.
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4. MOTOR STIRLING
4.1 INTRODUCCIÓN AL MOTOR STIRLING1
Figura 4-1. Motor Stirling Original
En 1816 el reverendo Escocés Robert Stirling patentó un motor que funcionaba
con aire caliente. La patente de este motor era el final de una serie de años
intentando simplificar el motor de vapor. Stirling consideraba demasiado
complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, expansionarlo en un
motor, condensarlo y mediante una bomba introducir de nuevo el agua en la
1 Referencia [1]
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15
caldera. Además de complicado, dada la tecnología de aquellos tiempos las
calderas de vapor eran peligrosas ya que explotaban con facilidad.
El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de calentamiento y
enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor y el gas era aire en vez de
vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba caldera. Este tipo de motores fue
bastante utilizado en su época, sobre todo para pequeñas maquinas de uso
domestico tales como ventiladores, bombas de agua etc., su potencia especifica
no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran magníficos.
4.2 COMO FUNCIONA UN MOTOR STIRLING2
Imaginemos un tubo de ensayo en el que hemos introducido unas canicas, hemos
puesto un tapón y mediante un tubo de silicona lo hemos conectado con un
pequeño globo. Si calentamos un extremo del tubo de ensayo por ejemplo con un
mechero de alcohol, tendremos dos zonas una fría y otra caliente en el tubo. Si las
canicas están en la zona caliente, el aire del interior del tubo estará en la zona fría
y el globo se mantendrá desinflado (figura 4-2).
2 Referencia [1]
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16
Figura 4-2. Principio de los motores Stirling
Si inclinamos el tubo de modo que las canicas pasen al otro lado, el aire deberá
pasar a la zona caliente y por lo tanto se calentará aumentando su temperatura y
presión con lo que el globo se inflará y podrá realizar un trabajo (figura 4-3).
Figura 4-3. Principio de los motores Stirling
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Si volvemos a inclinar el tubo en sentido contrario las canicas volverán a la zona
caliente y el aire a la zona fría con lo que se volverá a enfriar y el globo se
desinflará.
Mediante un mecanismo tan sencillo, calentando y enfriando aire se puede hacer
un motor. Un motor construido así no es muy eficaz, ya que el calor gastado en
calentar el aire se utiliza en producir un trabajo (inflar el globo) pero se pierde al
enfriar el aire cuando las canicas lo hacen pasar a la zona fría.
Si sustituyéramos la canica central por una bolita formada por hilos metálicos muy
finos (por ejemplo lana de acero de la utilizada para pulir), el aire al pasar de la
zona caliente a la fría cedería su calor a estos hilitos y luego al pasar de la zona
fría a la caliente tomaría calor de estos hilos y no sería necesario aportar tanto
calor para inflar el globo.
En los motores de Stirling las canicas son sustituidas por un cilindro que desplaza
el aire de la zona caliente a la fría y que se denomina Desplazador y el globo es
sustituido por un conjunto cilindro pistón que es quien realiza el trabajo del motor.
La bolita de hilos metálicos que almacena y cede calor se denomina Regenerador.
Realizar pequeños modelos de motores de Stirling es relativamente sencillo e
incluso pueden construirse sin maquinas complicadas tales como tornos,
fresadoras etc.
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Supongamos que tenemos un cilindro, con una zona caliente y otra fría. En el
interior del cilindro hemos colocado el desplazador de modo que todo el aire se
encuentra en la zona fría y el pistón se encuentra en la posición inferior. Si el
pistón pasa de la posición 1 a la 2 realizaremos una compresión isotérmica a la
temperatura inferior. El proceso podemos representarlo en un diagrama presión
volumen (figura 4-4).
Figura 4-4. Compresión isotérmica
Si mantenemos fijo el pistón y movemos el desplazador, para hacer pasar todo el
aire a la zona caliente, obtendremos un proceso isocórico en el que sin variar el
volumen aumenta la presión. Podremos reflejarlo en el diagrama presión volumen
2 – 3 (figura 4-5)
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Figura 4-5. Aumento de presión isocórico
En este momento se puede obtener una expansión isotérmica a la temperatura
alta , haciendo bajar juntos el pistón y el desplazador. Esta será la carrera de
trabajo del ciclo termodinámico reflejado en el diagrama presión volumen 3 – 4
(figura 4-6).
Figura 4-6. Expansión isotérmica
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20
Moviendo el desplazador a la posición inicial, se obtendrá otro proceso isocórico
que finalizará el ciclo termodinámico reflejado en el diagrama presión volumen 4
–1 (figura 4-7)
Figura 4-7. Disminución de presión isocórico
Para obtener el ciclo teórico es preciso realizar los movimientos discontinuos del
pistón y desplazador reflejados en la figura 4-8a, lo cual es imposible desde un
punto de vista mecánico. Una aproximación a los movimientos teóricos puede
realizarse mediante dos senoidales desfasadas 90 grados, obtenidas mediante el
mecanismo biela manivela de cualquier motor (figura 4-8b). en este caso el área
del ciclo real es inferior al del teórico (figura 4-9).
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Figura 4-8. Movimientos del desplazador y el pistón
Figura 4-9. Ciclo real Vs Teórico
4.3 PRINCIPIOS GENERALES DEL MOTOR STIRLING3
- Debido a que funcionan bajo un ciclo cerrado regenerativo, atrapando gas en un
volumen variante, entonces la configuración de cilindro-pistón, resulta muy
conveniente a la hora de su construcción.
3 Referencia [2]
a b
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22
- Cualquier fuente de energía térmica puede utilizarse para hacer funcionar este
tipo de máquinas.
- La eficiencia ideal de un motor Stirling es prácticamente igual a la eficiencia de
carnot.
- Los motores reales pueden alcanzar un mejor desempeño en términos de
eficiencia, dependiendo de la eficiencia del regenerador.
- La potencia de salida es obtenida mediante la expansión y compresión
alternativa de una masa fija de gas atrapada en el interior de un motor que pasa a
través de espacios de alta y de baja temperatura. Esta potencia es directamente
proporcional a la presión media efectiva del ciclo.
- El análisis clásico que se usó y se usa hoy en día para empezar un diseño
preliminar de una máquina de este tipo se debe al Profesor e Ingeniero alemán,
Gustav Schmidt.
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4.4 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL MOTOR STIRLING4
- El aceite nunca entra en contacto con el medio de trabajo, lo que indica que el
aceite no se contaminaría y no se tendría que cambiar tan periódicamente como
en los motores de Cl, además la cantidad de lubricante es menor.
- Dentro de los gases comunes de trabajo se encuentran el Hidrógeno (H), Helio
(He), Nitrógeno (N2), aire (79% N2, 21% O2), Argón (Ar) y CO2, siendo los dos
primeros los que mejores resultados han demostrado, por su bajo peso molecular
y su alto calor específico, pero en el caso del hidrógeno se debe tener mucha
precaución en su manejo, debido a su alta volatilidad.
- Existen tres configuraciones básicas para motores Stirling, como son la Alfa,
Beta y Gamma, y varios tipos de mecanismos usados para la sincronización de los
movimientos para generar aproximadamente las condiciones discretas del ciclo
ideal.
4 Referencia [2]
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4.5 PRINCIPALES TIPOS DE MOTORES STIRLING5
4.5.1 Motores tipo Alfa (figura 4-10)
Consta de dos cilindros independientes, sin desplazador, con dos pistones
desfasados 90º. Uno de los cilindros se calienta y el otro se enfría mediante aletas
o agua.
Figura 4-10. Motor tipo Alfa
4.5.2 Motores tipo Beta (figura 4-11).
Es el motor original de Stirling. Consta de un cilindro con una zona caliente y otra
fría. En el interior del cilindro está el desplazador. Los motores pequeños no
suelen llevar regenerador, y existe una holgura de algunas décimas de milímetro
entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del gas.
5 Referencia [3]
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25
Figura 4-11. Motor tipo Beta
4.5.3 Motores tipo Gamma figura (4-12).
Está derivado del 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.
Figura 4-12. Motor tipo Gamma
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4.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOTOR STIRLING6
4.6.1 Ventajas.
- Su elevado rendimiento, ya que el motor Stirling puede potencialmente alcanzar
el rendimiento ideal de Carnot.
- Posee una baja cantidad de elementos móviles, sobre todo en comparación con
los motores de combustión interna, lo que permite pérdidas de rendimiento por
fricción muy bajas.
- El hecho que el ciclo en la realidad sea cerrado hace que potencialmente se
puedan obtener niveles muy bajos de emisiones.
- Dado que es un motor de combustión externa el proceso de combustión se
puede controlar muy bien, con lo que se reducen las emisiones.
- Como intercambia calor con el exterior, se pueden utilizar una gran cantidad de
fuentes de calor, como por ejemplo energía nuclear, energía solar y combustibles
fósiles, entre otras.
6 Referencia [4]
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27
- El bajo nivel de ruido y la ausencia de vibraciones con que opera.
4.6.2 Desventajas.
- Baja densidad de potencia debido a la combustión externa, lo que condiciona su
tamaño.
- Dificultad en la construcción del motor para sellar el fluido de trabajo durante toda
la vida útil, lo que eleva su costo.
- Como el fluido de trabajo es gaseoso, esto acarrea dificultades operativas, con lo
que los fluidos realmente viables debido a sus buenas propiedades
termodinámicas son el helio y el hidrógeno.
- Lento tiempo de respuesta.
- Se requieren grandes superficies de intercambios de calor, lo que hace aumentar
desmesuradamente su tamaño en comparación con los motores de combustión
interna.
- Largo tiempo de encendido y apagado del motor.
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5. SELECCIÓN DEL TIPO DE MOTOR A DISEÑAR
En la búsqueda de un motor lo mas sencillo y económicamente posible, se diseñó
y construyo un motor tipo Beta, descrito en el capítulo 4.5.2. La alternativa
presentada en este proyecto (figura 5-1) consiste en una caneca metálica que
actúa como cilindro, una estructura cilíndrica metálica que funciona como
desplazador y un arreglo con una llanta de automóvil, un tubo y un disco
metálicos, los cuales funcionan como el pistón de potencia. La llanta se fija a la
caneca en su perímetro permitiendo la movilidad vertical del disco que esta sujeto
al diámetro interior de la llanta. El eje del desplazador puede moverse
verticalmente a través del tubo fijo en el centro del disco.
Figura 5-1. Diseño preliminar (Motor tipo Beta)
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Se utilizó un mecanismo de barras para transmitir el movimiento vertical del pistón
de potencia a un volante en forma de torque; el volante transmite parte del torque
a otro mecanismo de barras, provocando el movimiento vertical del desplazador
(figura 5-2)
Figura 5-2. Diseño preliminar (Mecanismos de barra)
Debido a que el pistón de potencia no toca al desplazador, el motor se clasifica
como tipo beta con sobre posición positiva. El diseño detallado del motor se
presenta en el capitulo 9.
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6. LA COQUIZACION7
6.1 PROCESO DE COQUIZACION
La coquización del carbón es un proceso endotérmico mediante el cual el carbón
es calentado a una temperatura que garantiza el desprendimiento total de los
materiales volátiles contenidos en su masa, sin pretender quemar el carbón. Esta
materia volátil que se desprende va de 16 – 41 % aproximadamente en
porcentajes de masa del carbón y son totalmente desprendidos a temperaturas
mayores de 800°C. También se pretende mediante este proceso lograr la
formación de una torta o coque que cumpla con ciertas especificaciones térmicas
y mecánicas dependiendo del proceso en que se vaya a utilizar, esta propiedad de
fusión y posterior formación de masas duras en el enfriado del carbón coque es
denominado aglutinación. Cabe anotar que el proceso de coquización puede ser
auto sostenido energéticamente mediante la combustión de los volátiles
desprendidos del carbón o puede ser realizado mediante una fuente de calor
externa (que frecuentemente son otros hornos de coquización ubicados a lado y
lado) que aportan calor a temperaturas controladas a través de las paredes y que
producen el desprendimiento de los gases volátiles sin causar su combustión.
7 Referencia [6]
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Durante la etapa de calentamiento, el material coque-carbón pasa por una fase de
plasticidad entre 400 - 500 °C en donde el material se hincha y después de la cual
se funde convirtiéndose en una masa plástica. La coquización avanza hacia abajo
desde la parte superior de la capa de carbón (hornos de colmena) o desde los
lados hacia el centro (hornos de ranura). El proceso dura de 48 a 72 horas,
incluyendo tiempos de carga, apagado y descarga. Se puede asumir el proceso
como un frente (diferencial en coquización) que avanza hacia abajo. Este frente
plástico (diferencial generador de gases) avanza a velocidades entre 1 y 1.5 cm/hr
dependiendo del aire de entrada.
Los productos de la combustión y los gases no quemados escapan a través del
orificio en la parte superior del horno y a menudo se dejan escapar a la atmósfera.
Cuando la coquización se completa, se apaga el coque incandescente con
inyección de agua al horno a través de la puerta o de la chimenea.
6.2 COQUIZACION EN HORNOS DE COLMENA
Un horno de colmena (figura 6-1) es un horno construido en ladrillo con un techo
en arco o cúpula. Un horno típico tiene 3.6 m de diámetro y alberga entre 5 y 7
toneladas de carbón en una capa uniforme que va de 46 – 61 cm de altura desde
el piso (pila cónica aplanada manualmente).
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32
Figura 6-1. Funcionamiento de un Horno de Colmena
Una puerta está disponible en uno de los lados del horno y una chimenea en la
parte superior para la evacuación de gases e hidrocarburos volátiles. El horno se
carga a través del orificio superior con el carbón y se descarga el coque (producto
final) a través de la compuerta lateral. La coquización se inicia debido al calor y la
temperatura retenidos por las paredes del horno de una anterior carga de carbón.
Las fotos 6-1, y 6-2 muestran distribuciones típicas de un planta de coque
Foto 6-1. Planta de coque
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33
Foto 6-2. Vista superior y frontal de una planta de coque
Tabla 6-1. Balance energético de un horno de coque8
Capacidad de coque 5 tonÁrea del horno 8,55 mMasa de carbón coquizada 0,074 ton/hrCalor desprendido 242,2 KWCalor utilizado en la coquización 61,6 KWPérdidas térmicas por radiación 16,1 KWPotencia térmica libre 164,5 KW
8 Una planta típica tiene entre 30 y 60 hornos
vista superior
vista frontal
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34
7. TÉCNICA DE SCHMIDT9
La técnica de Schmidt hace parte de la mayoría de los análisis de los motores
Stirling, ya que da una idea del comportamiento en forma de movimiento continuo.
Debido al tipo de motor seleccionado, este capítulo describe el método para
calcular un motor tipo Beta con sobre posición positiva.
7.1 SUPUESTOS BÁSICOS DEL ANÁLISIS
- Todos los procesos son reversibles
- Prevalece la ecuación de estado de los gases ideales, pV = mRT
- Las variaciones de volumen son sinusoidales
- Las condiciones cíclicas de estado estacionario prevalecen
- No hay pérdidas por fricción en el flujo y por lo tanto no hay caídas de presión
interna.
- No hay fugas de gas hacia el exterior.
- La temperatura en el espacio de expansión y en el calentador es constante TE.
- La temperatura en el espacio de compresión y en el enfriador es constante TC.
- La temperatura en el espacio muerto y en el regenerador es constante TD.
9 Referencia [2]
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35
7.2 CONFIGURACIÓN BETA CON SOBREPOSICIÓN POSITIVA
Tabla 7-1. Variables utilizadas en la técnica de Schmidt
Variables Símbolo UnidadVolumen barrido de expansión VSE m3
Volumen barrido de compresión VSC m3
Variación del volumen de expansión VE m3
Variación del volumen de compresión VC m3
Volumen fijo en espacio de compresión VPO m3
Volumen entre caneca y desplazador Vgap m3
Volumen del regenerador Vreg m3
Volumen muerto VD m3
Temperatura de expansión TE KTemperatura de compresión TC KPresión P PACalor adicionado QE JCalor cedido QC JTrabajo total WT JPotencia adicionada LE WPotencia cedida LC WPotencia total LT WVelocidad angular n HZ
Angulo del mecanismo de expansión x rad
Angulo de desfase desplazador/potencia dx radRazón de volúmenes barridos kp Razón de volumen fijo ko Razón de volumen muerto XD Razón de temperaturas z
En la configuración beta el pistón de potencia y el desplazador están dispuestos
en un mismo cilindro, desfasados 90 grados (figura 7-1). Cuando no hay contacto
físico entre los pistones, se dice que el motor es beta con sobre posición positiva,
en cuyo caso habría que considerar la fracción de volumen (VPO) que queda entre
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36
las caras inferior y superior de los pistones de desplazamiento y potencia
respectivamente.
Figura 7-1. Motor Stirling Beta con sobre posición positiva
7.2.1 Variación del volumen de expansión VE.
El volumen de expansión está comprendido entre la parte caliente en la cabeza
del cilindro, y la parte superior del desplazador (figura 7-1). La variación del
volumen barrido de expansión se puede aproximar como:
( )xVSE
VE cos12
+= (1)
donde:
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37
VE = variación del volumen de expansión
VSE = Volumen barrido de expansión
x = ángulo del mecanismo (0 – 360 grados); para efectos de análisis se define
desde el punto muerto inferior del pistón desplazador en el lado caliente, y crecerá
en la dirección de las manecillas del reloj.
7.2.2 Variación del volumen de compresión VC
El volumen de compresión está comprendido por la parte inferior del pistón
desplazador y la parte superior del pistón de potencia (figura 7-1). VPO es un
volumen fijo dentro del espacio de compresión, por lo tanto debe asumirse su
temperatura como la de espacio frío. La variación del volumen de compresión se
aproxima como:
( ) ( )( ) VPOdxxVSEkp
xVSE
VC +-+⋅
+-= cos12
cos12
(2)
donde:
VC = variación del volumen de compresión.
kp = VSC/VSE
VSC = volumen barrido de compresión
dx = ángulo de desfase entre el mecanismo del pistón desplazador y el
mecanismo del pistón de potencia.
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38
7.2.3 Volumen muerto VD.
Este volumen se define como todo lo que no es barrido. La temperatura del
espacio de volumen muerto TD puede asumirse como el promedio entre la
temperatura del lado caliente y la del lado frío. Para facilidad del análisis se asume
que el volumen muerto es una fracción del volumen de expansión:
VSEXDVD ⋅= (3)
donde:
VD = volumen muerto
XD = fracción de volumen muerto
7.2.4 Presión Cíclica.
Esta presión es encontrada usando dos de las suposiciones del análisis de
Schmidt, como son: la masa del fluido de trabajo es constante, y no hay pérdidas
por caídas de presión debidas a la fricción del fluido que se mueve
alternativamente dentro del motor. Entonces:
teconsMDMCMEMT tan=++= (4)
donde:
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39
MT = masa total
ME = masa en el volumen de expansión
MC = masa en el volumen de compresión
MD = masa en el volumen muerto
Así pues reemplazando la ecuación de gases ideales en la fórmula 4 tenemos:
TDR
VDPD
TCR
VCPC
TER
VEPEMT
⋅
⋅+
⋅
⋅+
⋅
⋅= (5)
pero sabemos que:
PDPCPEP === (6)
2
TCTETD
+= (7)
TE
TC=z (8)
donde:
PE = presión en el espacio de expansión
PC = presión en el espacio de compresión
PD = presión en el espacio muerto
TE = temperatura en el espacio de expansión
TC = temperatura en el espacio de compresión
TD = temperatura en el espacio muerto
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40
_ = razón de temperaturas
R = constante del gas
Entonces arreglando la ecuación (5), tenemos que:
˛˝¸
ÓÌÏ
+
⋅⋅+⋅+-++-++
⋅⋅
⋅=
)1(
42))cos(1()cos1()cos1(
2 zz
zXD
kodxxkpxxTCR
VSEPMT (9)
donde:
ko = VPO / VSE, es decir, que tanto de el volumen de expansión es el volumen
constante VPO.
Tomando una constante C tal que:
TCR
VSECMT
⋅⋅
⋅=
2 (10)
entonces:
˛˝¸
ÓÌÏ
+
⋅⋅+⋅+-++-++=
)1(
42))cos(1()cos1()cos1(
zz
zXD
kodxxkpxxP
C (11)
Desarrollando la resta de ángulos x-dx, tenemos:
˛˝¸
ÓÌÏ
+
⋅⋅+⋅+⋅⋅+⋅⋅++-+⋅+=
)1(
42coscoscos1cos
zz
zzXD
kosendxsenxkpdxxkpkpxxP
C (12)
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41
Ordenando:
[ ]˛˝¸
ÓÌÏ
⋅⋅+⋅+-+˙˚
˘ÍÎ
È
+
⋅⋅+⋅+++= senxsendxkpxdxkp
XDkokp
P
Ccoscos)1(
)1(
421 z
zz
z (13)
usando la identidad:
p cos a + q sen a = (p2 + q2)1/2 cos (a - q) (14)
reemplazando en la ecuación (13), la parte semejante a la identidad:
[ ] [ ] )cos()()cos)1((coscos)1(2/122 qfzffz -⋅+⋅+-=⋅⋅+⋅+- sendxkpdxkpsensendxkpdxkp (15)
donde q se puede definir como:
[ ] 2/122 )1(cos)1(2 -+-⋅+
⋅=
zzq
dxkpkp
sendxkpsen (16)
desarrollando los cuadrados del lado derecho de la ecuación (15):
[ ] )cos()()cos(cos)1(2)1(2/1222 qfzz -⋅+⋅+-⋅+- sendxkpdxkpdxkp (19)
[ ] )cos(cos)1(2)1(2/122 qfzz -+-⋅+- kpdxkp (20)
volviendo a la ecuación 13 y reemplazando la ecuación (20) en la parte
desarrollada anteriormente, tenemos:
[ ]˛˝¸
ÓÌÏ
--+-⋅++˙˚
˘ÍÎ
È
-
⋅⋅+++= qzz
zz
z xdxkpkpXD
kpP
Ccos()1(cos)1(2
)1(
41
2/122 (21)
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42
definiendo B y S tenemos lo siguiente:
[ ] 2/122 )1(cos)1(2 -+-⋅⋅+= zz dxkpkpB (22)
)1(
421
-
⋅⋅+⋅+++=
zz
zXD
kokpS (23)
sea el número c definido como sigue:
S
Bc = (24)
podremos expresar la formula (21) en términos de S, B y c así:
{ })cos( q-+= xBSP
C (25)
despejando la presión obtenemos:
{ })cos(1 q-⋅+=
xcS
C
P (26)
Retomando la ecuación (9), la masa total entonces estaría dada por:
{ })cos(2
q-⋅+⋅⋅
⋅= xBS
TCR
VSEPMT (27)
Observando la ecuación (26), el valor máximo para la presión será cuando cos(x-
q) = -1, y el menor valor para la presión será cuando cos(x-q) = 1, por lo tanto:
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43
)1(max
cS
CP
-= (28)
)1(min
cS
CP
+= (29)
y se puede deducir la siguiente relación:
)1(
)1(
min
max
c
c
P
P
-
+= (30)
combinando (26) y (28) tenemos:
[ ])cos(1
)1max(
q-⋅+
-=
xc
cPP (31)
la presión media se puede expresar como:
)1(
)1(max
c
cPPmed
+
-= (32)
7.2.5 Transferencia de Energía.
La transferencia de energía dada por el análisis de Schmidt son valores cíclicos
medio, la transferencia de energía instantánea puede encontrarse usando la
ecuación de flujo de energía no estacionario. La potencia de salida para un motor
ideal puede encontrarse por este método y es una buena medida de la potencia
real de salida de un motor bien diseñado, al menos la tercera parte de este valor
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44
será la potencia real de salida. La transferencia de calor instantánea en los
espacios de trabajo puede ser calculada aplicando la ecuación de energía para
procesos de flujo dentro de los espacios.
- Espacio de Expansión. Ya que el proceso se asumió isotérmico entonces:
Ú Ú Ú ⋅== dVPWQ (33)
Ú ⋅==VSE
dVEPWEQE (34)
dxxsenVSE
dVE )(2
˜¯
ˆÁË
Ê-= (35)
realizando substituciones y solucionando esta integral por el método del Teorema
del residuo de Cauchy obtenemos una expresión para el trabajo en el volumen de
expansión:
[ ][ ] 2/12/12
2/1
)1()1(1
)1(max
cc
csenVSEcPWE
+-+
-⋅⋅⋅⋅=
qp (36)
- Espacio de Compresión. Debido a que el análisis utiliza el concepto del ciclo
ideal de Stirling, se puede decir que el trabajo de compresión es:
WEWCQC ⋅== z (37)
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45
-Total. El trabajo neto vendría expresado por las ecuaciones (36) y (37) como:
WEWEWT ⋅-= z (38)
[ ] 2/12/12
2/1
)1()1(1
)1()1(max
cc
csenVSEcPWT
+-+
-⋅-⋅⋅=
qpz (39)
La potencia de Schmidt ideal del motor vendría dada por la expresión:
NWTL ⋅= (40)
donde N es la velocidad en rev/s del motor
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46
8. CÁLCULO DEL MOTOR USANDO LA TÉCNICA DE SCHMIDT
8.1 TEMPERATURA DE EXPANSIÓN (TE), TEMPERATURA DE COMPRESIÓN
(TC) Y PRESIÓN MAXIMA.
Para comenzar el análisis se determinaron las condiciones físicas a las cuales
está sometido el motor; esto corresponde a las temperaturas de expansión y
compresión al igual que la presión máxima tabla 8-1
Tabla 8-1. Temperaturas de Expansión, compresión y presión máxima
Nombre Símbolo DatoTemperatura de Expansión TH 200 •CTemperatura de Compresión TC 100 •CPresión máxima Pmax 26.8 Kpa
La temperatura mínima se determinó en 100 oC debido a que el espacio de
compresión del motor va a ser enfriado por medio del contacto con agua. La
temperatura máxima se asumió en 200 oC. Esta temperatura se utiliza como un
análisis inicial para determinar que tanta potencia podrá entregar el motor, sin
embargo según el método que se emplee para la extracción del calor en los
hornos de coque, la temperatura máxima podría ser mas elevada. La presión
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47
máxima se determinó asumiendo un aumento de la presión proporcional a la razón
de temperaturas dando como resultado 26.8 Kpa10
8.2 VOLÚMENES CALCULADOS
Además de las condiciones físicas del motor, se determinaron las geometrías
necesarias para ingresar al modelo de Schmidt los volúmenes barridos de
expansión (VSE) y compresión (VSC), volumen muerto (VD) y el volumen
constante entre el desplazador y el pistón de potencia (VPO)
8.2.1 Volumen Barrido de Expansión (VSE) y Compresión (VSC).
Para calcular VSE y VSC se determinó parte de la geometría del cilindro del
motor, el desplazador y el pistón de potencia.
- Cilindro. Se decidió emplear como cilindro del motor una caneca metálica de 55
galones. Se analizaron diferentes tamaños de cilindro variando la altura del
mismo. La tabla 8-2 muestra 3 alternativas.
10 Las presiones que se muestran en este documento corresponden a una presión barométrica,
asumiendo la presión atmosférica de 100 KPa
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48
Tabla 8-2. Cilindro
CilindroOpción Alto (cm) Diámetro (cm) Volumen (m3)
1 60 57 0.152 45 57 0.123 30 57 0.08
- Desplazador. La altura del desplazador se determinó como la mitad del cilindro
menos el claro vertical que queda entre este ultimo y el dezplazador (Cl dp/cl). El
diámetro se calculó con el claro diametral entre cilindro y desplazador (Cl dm). La
carrera de expansión se definió como la altura del desplazador. La tabla 8-3
contiene los datos anteriores.
Tabla 8-3. Desplazador
DesplazadorOpción Cl dm (cm) Cl dp/cl (cm) Alto (cm) Diámetro (cm) Carr exp (cm)
1 1 0.5 26.5 56 26.52 1 0.5 19 56 193 1 0.5 12.5 56 12.5
- Pistón de potencia. El pistón de potencia esta conformado por una llanta que
contiene un disco metálico en su diámetro interno. La carrera de compresión se
definió de 4 cm. La tabla 4 muestra los datos correspondientes al pistón de
potencia.
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49
Tabla 8-4. Pistón de Potencia.
Pistón de potencia
Opción D ext (cm) D int (cm) Carr com (cm)1 57 33 42 57 33 43 57 33 4
- Volumen barrido de expansión (VSE). Este volumen se determinó multiplicando
el área proyectada del diámetro del desplazador, por la carrera de expansión
definidos en la tabla 8-3. Los resultados se muestran en la tabla 5.
- Volumen barrido de compresión (VSC). Este volumen se determinó multiplicando
el área proyectada del diámetro del pistón de potencia, por la carrera de
compresión definidos en la tabla 8-4. Los resultados se muestran en la tabla 8-5.
Tabla 8-5. Volúmenes barridos de Expansión y Compresión.
Opción VSE (m3) VSC (m3)1 6.53E-02 1.02E-022 4.68E-02 1.02E-023 3.08E-02 1.02E-02
8.2.2 Volumen Muerto (VD)
El volumen muerto está definido como el volumen que no es barrido; este volumen
está dividió en dos partes: volumen entre la caneca y el desplazador (Vgap) y
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50
volumen del regenerador (Vreg). Vgap es el volumen de aire existente en los
claros Cl dm y Cl dp/cl mostrados en la tabla 8-3. Vreg es el volumen que ocupa el
regenerador incorporado en el desplazador. El regenerador esta formado por una
tira de esponjillas metálicas incrustada en el regenerador. El volumen muerto se
expone en la tabla 8-6.
Tabla 8-6. Volumen Muerto.
Opción Vgap (m3) Vreg (m3) VD (m3)1 3.63E-03 6.79E-04 4.31E-032 2.96E-03 6.79E-04 3.64E-033 2.39E-03 6.79E-04 3.06E-03
8.2.3 Volumen constante entre el desplazador y el pistón de potencia (VPO)
Este volumen se calculó con el diámetro de la caneca y el claro que queda entre el
pistón de potencia en su punto inferior y el desplazador en la parte superior, este
claro se definió como 0.5 cm. La tabla 8-7 muestra los resultados.
Tabla 8-7. Volumen constante entre desplazador y pistón de potencia.
Opción VPO (m3)1 1.28E-032 1.28E-033 1.28E-03
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51
8.3 COEFICIENTES CALCULADOS
La tabla 8-8 muestra los coeficientes que define el análisis de Schmidt. Estos
coeficientes fueron calculados siguiendo las formulas 2 a 24 citadas en el capitulo
7.2. El ángulo de desfase entre el mecanismo de potencia y el mecanismo
desplazador se definió como 90o
Tabla 8-8. Coeficientes de la técnica de Schmidt
opción kp ko XD t sen (a) a (rad) B S c1 0.23 0.02 0.07 0.79 0.74 0.84 0.80 2.18 0.372 0.33 0.03 0.08 0.79 0.84 1.00 0.75 2.31 0.323 0.33 0.04 0.10 0.79 0.84 1.00 0.75 2.38 0.31
8.4 TRABAJO CALCULADO
La tabla 8-9 expone los resultados que se obtuvieron calculando el calor de
expansión (QE), compresión (QC) y trabajo total (WT) aplicando las formulas 36 a
39 del capitulo 7.2.5
Tabla 8-9. Trabajo total calculado.
opciones QE (J) QC (J) WT (J)1 529 417 1122 394 311 833 254 200 54
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52
8.5 POTENCIA CALCULADA
La tabla 8-10 muestra los resultados de potencia de adicionada (LE), cedida (LC) y
potencia total (LT). Igualmente se muestra la potencia esperada debido a que el
modelo predice que la potencia real es aproximadamente 1/3 de la potencia
calculada. Para el calculo de la potencia se definió como velocidad del motor 120
RPM debido a que por su tamaño y naturaleza corresponde a un motor de bajas
revoluciones. La formula empleada fue la 40 del capítulo 7.2.5
Tabla 8-10. Potencia total calculada y esperada.
opciones n (RPM) LE (W) LC (W) LT (W) L esperada (W)1 120 6643 5239 1404 4682 120 4950 3904 1046 3493 120 3194 2519 675 225
8.6 SELECCIÓN DEL MOTOR
Se selecciono la opción 3, debido a su menor tamaño lo cual facilita su
construcción. A pesar de que se obtiene una potencia reducida, el objetivo es
estudiar este motor para en un futuro poder rediseñarlo y escalarlo obteniendo
potencias mas elevadas. La tabla 8-11 muestra el resumen del análisis realizado
para el motor seleccionado.
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53
Tabla 8-11. Parámetros de funcionamiento del motor seleccionado.
Variables Símbolo Unidad ValorVolumen barrido de expansión VSE m3 3,08E-02Volumen barrido de compresión VSC m3 1,02E-02Volumen muerto VD m3 3,06E-03Volumen fijo en espacio de compresión VPO m3 1,28E-03Temperatura de expansión TE •C 200Temperatura de compresión TC •C 100Presión máxima Pmax Kpa 26,8Calor de expansión QE J 254Calor de compresión QC J 200Trabajo total WT J 54Potencia de expansión LE W 3194Potencia de compresión LC W 2519Potencia total LT W 675Potencia esperada Lesperada W 225Velocidad angular n RPM 120Angulo del mecanismo de expansión x grados 0-360Angulo de desfase desplazador/potencia dx grados 90Razón de volúmenes barridos kp 0,332
Razón de volumen fijo ko 0,041
Razón de volumen muerto XD 0,100Razón de temperaturas z 0,789Coeficiente sen (a) 0,843Coeficiente B 0,746Coeficiente S 2,379
Coeficiente c 0,314
8.7 VOLUMEN, PRESIÓN Y FUERZA
A continuación se muestra el comportamiento predicho del motor seleccionado,
según la técnica de Schmidt, en lo que respecta a su volumen, presión y fuerza
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54
8.7.1 Variación del Volumen total (V).
Se obtiene de la suma de las variaciones de volumen de expansión (VE) y
compresión (VC) calculadas según las formulas 1 y 2 del capítulo 7.2. La tabla 8-
12 y la figura 8-1 muestran las variaciones de volumen, y la gráfica del
comportamiento del volumen total para un ciclo de expansión respectivamente.
Tabla 8-12. Variación del Volumen para un ciclo de expansión.
x (grados) VE (m3) VC (m3) V (m3) x (grados) VE (m3) VC (m3) V (m3)
0 0,031 0,002 0,036 180 0,000 0,033 0,03610 0,031 0,002 0,036 190 0,000 0,032 0,03620 0,030 0,003 0,036 200 0,001 0,032 0,03630 0,029 0,004 0,036 210 0,002 0,030 0,03540 0,027 0,006 0,036 220 0,004 0,029 0,03550 0,025 0,008 0,036 230 0,005 0,027 0,03560 0,023 0,010 0,036 240 0,008 0,024 0,03570 0,021 0,013 0,036 250 0,010 0,022 0,03580 0,018 0,015 0,036 260 0,013 0,019 0,03590 0,015 0,018 0,036 270 0,015 0,017 0,035
100 0,013 0,021 0,036 280 0,018 0,014 0,035110 0,010 0,023 0,036 290 0,021 0,011 0,035120 0,008 0,026 0,036 300 0,023 0,009 0,035130 0,005 0,028 0,036 310 0,025 0,007 0,035140 0,004 0,030 0,036 320 0,027 0,005 0,035150 0,002 0,031 0,036 330 0,029 0,004 0,035160 0,001 0,032 0,036 340 0,030 0,003 0,036170 0,000 0,033 0,036 350 0,031 0,002 0,036
360 0,031 0,002 0,036
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55
Figura 8-1. Variación del Volumen Total para un ciclo de expansión
VOLUMEN TOTAL
3,500E-02
3,520E-02
3,540E-02
3,560E-02
3,580E-02
3,600E-02
3,620E-02
3,640E-02
3,660E-02
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo de expansión (°)
Vo
lum
en (
m3)
8.7.2 Presión Interna
La tabla 8-13 muestra los valores calculados de la presión para un ciclo de
expansión empleando las formula 31 del capítulo 7.2.4 La figura 8-2 muestra la
grafica correspondiente.
Tabla 8-13. Presión Interna para un ciclo de expansión
x (grados) P (Pa) x (grados) P (Pa) x (grados) P (Pa) x (grados) P (Pa)
0 -25535 90 -31182 180 4673 270 1832010 -28200 100 -29321 190 10434 280 1319520 -30323 110 -26927 200 15864 290 755330 -31924 120 -23983 210 20579 300 175240 -33020 130 -20473 220 24177 310 -392450 -33623 140 -16394 230 26307 320 -9272
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x (grados) P (Pa) x (grados) P (Pa) x (grados) P (Pa) x (grados) P (Pa)60 -33743 150 -11763 240 26743 330 -1416170 -33380 160 -6630 250 25436 340 -1851880 -32530 170 -1096 260 22529 350 -22312
360 -25535
Figura 8-2. Presión interna para un ciclo de expansión
PRESIÓN INTERNA
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
20000
30000
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo de expansión (°)
Pre
sió
n (
PA
)
8.7.3 Fuerza sobre el Pistón de Potencia
Esta fuerza se calculó multiplicando la presión interna por el área proyectada del
pistón de potencia. Debido a la forma del pistón mostrada en la figura 8-3, el área
total se determinó como la suma del área del disco y la mitad del área proyectada
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57
de la llanta (área efectiva). Los datos tabulados de la fuerza se encuentran en la
tabla 8-13 y su grafica en la figura 8-4.
Figura 8-3. Área del Pistón.
Tabla 8-14. Fuerza sobre el Pistón de Potencia para un ciclo de expansión.
x (grados) F (N) x (grados) F (N) x (grados) F (N) x (grados) F (N)0 -4350 90 -5312 180 796 270 3121
10 -4804 100 -4995 190 1778 280 224820 -5166 110 -4587 200 2703 290 128730 -5438 120 -4086 210 3506 300 29840 -5625 130 -3488 220 4119 310 -66850 -5728 140 -2793 230 4482 320 -157960 -5748 150 -2004 240 4556 330 -241270 -5686 160 -1129 250 4333 340 -315580 -5542 170 -187 260 3838 350 -3801
360 -4350
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58
Figura 8-4. Fuerza sobre el Pistón de Potencia para un ciclo de expansión.
FUERZA SOBRE EL PISTÓN DE POTENCIA
-8,00E+03
-6,00E+03
-4,00E+03
-2,00E+03
0,00E+00
2,00E+03
4,00E+03
6,00E+03
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Angulo de expanción (°)
Fu
erza
(N
)
8.7.4 Diagrama P-V del motor seleccionado.
La figura 8-5 muestra el diagrama de Presión vs Volumen que representa el ciclo
del motor diseñado.
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59
Figura 8-5. Diagrama Presión vs Volumen del motor diseñado.
P - V
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
20000
30000
3,500E-02 3,520E-02 3,540E-02 3,560E-02 3,580E-02 3,600E-02 3,620E-02 3,640E-02 3,660E-02
Volumen (m3)
Pre
sió
n (
PA
)
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60
9. DISEÑO DEL MOTOR
El diseño del motor se realizó tomando en cuenta las restricciones planteadas en
los objetivos, los resultados obtenidos con la técnica de Schmidt (capítulo 8) y el
prediseño mostrado en el capitulo 5. A continuación se presenta el diseño de cada
una de las partes del motor, así como su ensamble final.
9.1 SOPORTE CILINDRO-PSICINA
Este soporte (figura 9-1) es la base del motor en contacto con el suelo. Consta de
dos soportes individuales de madera y dos platinas de hierro.
Figura 9-1. Soporte cilindro-piscina
soportes de madera
platinas de hierro
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61
9.2 CILINDRO
El cilindro del motor (figura 9-2) es el recipiente que va a contener el gas de
trabajo (aire), lo que significa que debe tener una zona fría y una caliente. Se
decidió emplear una caneca metálica cortada según lo calculado en el capítulo 8.
Se definió como zona caliente la mitad inferior de la caneca, la cual se calentará
poniéndola en contacto con los gases de combustión del coque, una vez que estos
se canalicen debidamente por una sola chimenea. La mitad superior de la caneca
se enfriara poniéndola en contacto con agua.
Figura 9-2. Cilindro
Alrededor de la caneca, en la parte central, se perforaran agujeros con el fin de
generar mayor resistencia a la conducción del calor separando la zona caliente de
zona caliente
zona fríaagujeros para tornillos
agujeros de separación
pestaña
IM-2003-I-06
62
la fría. Justo encima de los agujeros se soldará una pestaña rodeando a la
caneca, la cual se empleará para atornillar la caneca a la piscina
En el extremo superior de la caneca se deben perforar 8 agujeros alrededor, para
atornillar una llanta al interior del cilindro.
La parte inferior de la caneca estará forrada con un aislante térmico11 y este a su
ves será cubierto por una lámina metálica que ajustará y sellará el aislante y los
agujeros de separación de zonas como se muestra en la figura 9-3
Figura 9-3. Cilindro con aislante
11 aislante térmico de fibra de vidrio; resiste 650°C
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63
Por último la caneca va soportada en las platinas del soporte cilindro-piscina como
se muestra en la figura 9-4.
Figura 9-4. Cilindro soportado
9.3 PISCINA
La piscina (figura 9-5) es el recipiente que va a contener el agua para enfriar la
mitad superior del cilindro. Es una caja metálica con un agujero en el centro que
permite el ingreso de la caneca. Sobre dos lados de la base, la piscina debe tener
agujeros para atornillarla al soporte cilindro-piscina. Igualmente es necesario
perforar alrededor del borde del agujero central con el fin de unir la piscina a la
caneca por medio de la pestaña de esta última.
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64
Figura 9-5. Piscina
Figura 9-6. Piscina ensamblada
agujeros para tornillos
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65
9.4 DESPLAZADOR
El desplazador (figura 9-7) debe ser un cilindro que cumpla con los cálculos
realizados en el capitulo 8. Esta contenido en la caneca y tiene que tener un eje
central para conectarse al mecanismo que lo desplazara de la zona caliente a la
fría y viceversa.
Figura 9-7. Desplazador
lámina superior e inferior
eje
tubos y tornillosestructurales
platina
canal
agujeros para eje
lámina enrolladaregenerador
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66
9.4.1 Cilindro del Desplazador
Primero se debe armar la estructura del desplazador utilizando dos discos
metálicos, uniéndolos por medio de ocho tubos en su perímetro y otros cuatros en
el centro. Estos tubos contienen tornillos en su interior permitiendo ajustar los
discos y conformar una estructura sólida. Posteriormente se enrolla una lámina
metálica alrededor de los discos para luego soldarse. Alrededor del cilindro
desplazador en la parte central, se amarra con alambre un anillo conformado por
fibras metálicas. Esta fibra conforma el regenerador.
9.4.2 Eje del Desplazador
Debido a la búsqueda de un peso reducido del desplazador se decidió utilizar un
tubo como eje. Este tubo debe ir soldado a una platina atornillada a los cuatro
tubos centrales de la estructura. Finalmente, el eje debe tener un canal en su parte
superior para permitir la entrada de una platina del mecanismo desplazador el cual
contiene un eje por lo cual hay que perforar el tubo como se indica en la figura 9-7.
La figura 9-8 muestra la posición del desplazador en el motor.
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67
Figura 9-8. Ensamble del Desplazador
9.5 PISTÓN DE POTENCIA
El pistón de potencia está conformado por dos piezas principales: un diafragma y
un disco de potencia.
9.5.1 Diafragma.
El diafragma consiste en una llanta de automóvil cortada a la mitad (figura 9-9).
Esta llanta no debe tener refuerzos de acero en su interior para facilitar su corte y
movilidad. Se tiene que perforar la llanta a los lados para poder atornillarla a la
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68
caneca. Igualmente hay que agujerar el diafragma en el borde plano que existe en
el diámetro interior de la llanta, para permitir atornillarla al disco de potencia.
Figura 9-9. Diafragma (llanta)
9.5.2 Disco de Potencia.
El disco de potencia (figura 9-10) consta de un disco metálico con agujeros en su
perímetro para atornillar la llanta. El centro del disco debe estar perforado y en
este agujero hay que solar un tubo el cual debe permitir el movimiento del eje del
desplazador. En la parte superior del tubo se tiene que soldar un collar metálico de
donde se soldaran ejes para sujetar el mecanismo de potencia.
agujeros para caneca
agujeros para disco
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69
Figura 9-10. Disco de potencia
9.5.3 Ensamble del Pistón de Potencia.
La figura 9-11 muestra el pistón de potencia. Este encaje se realiza atornillando la
llanta con el disco. La figura 9-12 enseña el ensamble del pistón de potencia con
la caneca, el cual se efectúa ajustando el diafragma con tornillos.
Figura 9-11. Pistón de Potencia
agujeros para llanta
tubo
collar ejes para mecanismo
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70
Figura 9-12. Ensamble del pistón de potencia
9.6 MECANISMO DE POTENCIA Y MECANISMO DESPLAZADOR
Para diseñar los mecanismos se tomo en cuenta los valores obtenidos de
desplazamiento en el capítulo 8: carrera de expansión = 12.5 cm = recorrido del
desplazador; carrera de compresión = 4 cm = recorrido del pistón de potencia.
Igualmente se utilizó el ángulo de desfase entre los dos mecanismos definido en el
capítulo del cálculo del motor: dx = 90°
Se decidió emplear mecanismos de barras (similar a la idea original de Stirling)
para transmitir la energía obtenida del pistón de potencia a un volante y
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71
transformar parte de este torque en el movimiento vertical del desplazador. Se
diseño este tipo de mecanismo con la idea de cumplir los objetivos del proyecto en
cuanto a economía y simplicidad del motor, ya que el empleo de un mecanismo
como el de biela – manivela o yugo escocés resulta mas costoso de implementar.
Otro punto que se debe tener en cuenta es que tanto el pistón de potencia como el
desplazador deben comportarse como correderas moviéndose únicamente en la
dirección vertical.
Con los parámetros de diseño y restricciones mencionadas se obtuvieron los
mecanismos empleando el método de síntesis gráfica descrita en el libro “Diseño
De Maquinaria12” . La figura 9-13 muestra el resultado de la síntesis de los
mecanismos.
Figura 9-13. Resultado síntesis gráfica de mecanismos
12 Referencia [5]
mecanismo desplazador
mecanismo de potencia
eje del desplazador
collar del pistón de potencia
pivotes
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72
Se debe mencionar que los mecanismos se diseñaron siguiendo un proceso
iterativo y seleccionando la opción que mostraba menores recorridos angulares
con el fin de minimizar los esfuerzos.
Las figuras 9-14 y 9-15 muestran los mecanismo de potencia y desplazador
respectivamente. Se definió construir las barras de madera y las uniones serán
rodamientos.
Figura 9-14. Mecanismo de Potencia
collar del pistón de potencia
volante
pivote fijo
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73
Figura 9-15. Mecanismo Desplazador
La figuras 9-16 y figuras 9-17 muestran los mecanismos desfasados y el ensamble
con el motor.
Figura 9-16. Mecanismos desfasados 90°
eje del desplazador
volante
pivote fijo
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74
Figura 9-17. Mecanismos ensamblados
9.7 SOPORTE DE LOS MECANISMOS
El soporte donde se fijan los mecanismos se diseño como un canal de madera,
que tenga alta inercia y sea bastante robusto. En el soporte se deben incrustar dos
ejes que sirven como pivotes de los mecanismos. También hay que colocar dos
platinas metálicas en el centro del soporte que sirven como guía para lograr que el
desplazador se comporte como corredera. La figura 9-18 muestra el soporte y un
corte del mismo.
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75
Figura 9-18. Soporte de los mecanismos
9.8 VOLANTE Y SOPORTES DEL VOLANTE
Debido al diseño de los mecanismos, el volante deberá estar compuesto de dos
discos unidos por un eje como se muestra en la figura 9-19a. El volante estará
soportado por dos estructuras como se muestra en la figura 9-19b; estos soportes
estarán fijos sobre el soporte de los mecanismos.
Figura 9-19. Volante y Soportes del Volante
pivotes mecanismos
guías
eje deldesplazador
a b
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76
9.9 MOTOR DISEÑADO
Las figuras 9-20 y 9-21 muestran el motor diseñado completamente ensamblado y
el motor en explosión respectivamente.
Figura 9-20. Motor Stirling Diseñado
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77
Figura 9-21. Explosión del Motor Stirling Diseñado
1-Soporte cilindro-piscina2-piscina3-cilindro4-desplazador5-Diafragma6-disco de potencia7-soporte de mecanismos8-soportes del volante9-mecanismo de potencia10-mecanismo desplazador11-volante
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78
9.10 ANÁLISIS DE FALLA.
Para realizar el análisis de falla de las partes del motor se determinaron los casos
críticos tanto estáticos como de fatiga. Las fuerzas críticas a las cuales estará
sometido el motor, se asumieron como la tercera parte de las calculadas en el
capítulo 8, debido a que el análisis de Schmidt predice una potencia real
aproximada de un tercio de la deducida.
Para determinar los diferentes factores de diseño de las partes del motor se siguió
la metodología descrita en el libro Mechanical Engineering Design13. Los factores
de diseño estático se encontraron utilizando la teoría de falla “Energía de
Distorsión” detallada en el capítulo 6 del libro mencionado. Aplicando la teoría de
falla “DE-Gerber” explicada en el capítulo 7 de la misma referencia se hallaron los
factores de diseño para fatiga. Finalmente el análisis de los tornillos se realizo
siguiendo lo estipulado en el capitulo 813.
13 Referencia [7]
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79
Tabla 9-1. Factores de diseño estático y de fatiga.
Elemento Material F.D estático F.D. Fatiga Barras de mecanismos madera 11 7 Cilindro acero 1010 >50 18 Disco de potencia acero 1010 >100 >100 Diafragma llanta >100 >100 Piscina acero 1010 15 9 Soporte cilindro-piscina madera 13 8 Soporte mecanismos madera 21 14 Soportes volante hierro 7 4 ejes acero 1040 4 3
Tornillos M5x0,5
F.D. 2 F permisible cíclica (KN) 15 F permisible separación (KN) 14 F permisible corte (KN) 7
9.11 DISEÑO DEL VOLANTE
El diseño del volante se llevo a cabo siguiendo la metodología mostrada en
“Mechanical Engineering Design”14 en el capítulo 16. Utilizando los datos que
representan la figura 9-30 del torque entregado por el mecanismo de potencia, se
determino la inercia necesaria del volante = 0.4 kg*m2. Debido al valor elevado de
inercia que se obtuvo fue necesario emplear para el volante dos discos de acero.
La inercia calculada se debe principalmente a que se asumió una velocidad
angular del motor reducida (120 rpm).
14 Referencia [7]
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80
Figura 9-22. Torque entregado
Torque de salida
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 50 100 150 200 250 300 350 400
ángulo de potencia (°)
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81
10. CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR STIRLING DISEÑADO
Este se capítulo se desarrollará describiendo la construcción de cada una de la
partes del motor y mostrando al mismo tiempo el ensamble de cada pieza en la
máquina final.
10.1 SOPORTE CILINDRO-PISCINA
El soporte cilindro-piscina (foto 10-1) es la base del motor que está en contacto
con el piso. Contiene 4 partes: dos patas de madera (cortadas según los planos)
sobre las cuales se soporta la piscina, y dos platinas de hierro que sirven como
base para la caneca.
Foto 10-1. Soporte cilindro-piscina
patas
platinas
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82
10.2 PISCINA
La piscina ( foto 10-2) se construyo con lámina de acero calibre 20. Inicialmente se
corto la lámina obteniendo el desarrollo necesario para cumplir con las
especificaciones de los planos. Posteriormente se cortó un agujero en el centro de
la lámina con tijeras adecuadas; este agujero debería permitir el paso de la
caneca. A continuación se doblo la lámina obteniendo una caja sin tapa y con un
agujero en el centro de la base. Finalmente se soldaron las aristas de la caja con
estaño.
Foto 10-2. Piscina
l
Una vez construida la caja se perforaron huecos alrededor del agujero con el fin
de atornillar la piscina a la caneca. También se agujero en dos extremos de la
base para poder asegurar la caja a las patas del soporte cilindro-piscina. La foto
10-3 muestra el ensamble de la piscina con la base.
agujeros agujeros
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83
Foto 10-3. Ensamble piscina
10.3 CILINDRO
El cilindro (foto10-4) se construyo cortando en tres partes una caneca metálica de
55 galones tomando la porción inferior como el cilindro del motor. Una vez cortada
la caneca, se colocó en las platinas del soporte cilindro-piscina para definir la
altura a la cual se debían perforarse los agujeros que servirían para aislar la parte
caliente de la fría del motor. También se estableció la posición de las pestañas
que se empalarían para unir la caneca a la piscina.
Los agujeros alrededor de la caneca se perforaron con acetileno. Las pestañas
son varias láminas de acero de 10 cm de longitud, a las cuales se les formo un
pequeño arco para que casaran con las circunferencia del cilindro. Posteriormente
se soldaron con bronce a la caneca y entre ellas. Ocho de las pestañas se
perforaron con taladro antes de soldarse para utilizar tornillos en el ensamble con
la piscina.
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84
Foto 10-4. Cilindro
UNA VEZ QUE SE TUVO LISTA LA CANECA, SE DEBÍAN SELLAR LOS
AGUJEROS DE SEPARACIÓN Y AISLAR LA ZONA CALIENTE PARA
MINIMIZAR LAS PÉRDIDAS DE CALOR. ESTO SE REALIZÓ FORRANDO EN
PRIMERA INSTANCIA LA PARTE INFERIOR DE LA CANECA (ZONA
CALIENTE) CON AISLANTE TÉRMICO. POSTERIORMENTE SE ENVOLVIÓ EL
AISLANTE CON LÁMINA CALIBRE 30 A LA QUE SE LE HABÍA SOLDADO DOS
ABRAZADERAS, LAS CUALES ESTABAN PARTIDAS EN DOS PEDAZOS,
CADA UNO UNIDO A UN EXTREMO DE LA LÁMINA DE MANERA QUE SE
PUDIERAN UTILIZAR PARA APRETAR EL AISLANTE Y SELLAR LOS
AGUJEROS.
agujeros de separaciónZonas caliente-fría
pestaña
agujeros para tornillos
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85
Para realizar este trabajo fue necesario ensamblar la caneca a la piscina, ya que
el cilindro solo atravesaba el agujero de la piscina por la parte inferior de la
caneca, así que antes de aumentar el diámetro del cilindro con el aislante y la
lámina era necesario tener armado el sistema cilindro-piscina. Posteriormente se
desacopló el conjunto del soporte para permitir trabajar con mayor comodidad. Las
fotos 10-5 muestran el proceso de sellado y aislamiento de la zona caliente.
Foto 10-5. Sellado y aislamiento de la Zona caliente del motor
base canecaaislante térmico
base piscina lámina
abrazaderas
parte inferior caneca (zona caliente)
parte superior caneca (zona fría)
piscina
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86
Para mejorar el sellado de los agujeros se separación, se cubrieron por la parte
interior de la caneca con masilla epóxica. Finalmente se taladraron orificios en la
parte superior del cilindro para atornillarlo a la llanta
10.4 DESPLAZADOR
El desplazador (fotos 10-5) está conformado por dos partes fundamentales: el
cilindro y el eje
El cilindro desplazador se construyó formando una estructura con dos discos de
lámina calibre 20, los cuales estaban separados por ocho tubos en su perímetro y
cuatro mas en el centro. Los tubos y las láminas se unieron con tornillos que
atraviesan los tubos. La estructura se envolvió con lámina calibre 30, la cual se
soldó con bronce a los discos.
Como eje desplazador se utilizo un tubo para disminuir el peso del conjunto. El
extremo superior del tubo fue cortado formando un canal como se mostró en la
figura 9-7. La base del eje fue soldada a una platina, la cual se atornillo a los
cuatro tubos centrales del cilindro desplazador.
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87
Finalmente se decidió emplear como regenerador varias tiras de esponjillas
metálicas15, las cuales se aseguraron al desplazador por medio de alambre
Foto 10-6. Desplazador
15 Esponjillas empleadas en la limpieza de ollas
tubos y tornillos de la estructuraeje desplazador
disco superior
platina
láminaenrollada
cilindro desplazador
regenerador
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88
10.5 PISTÓN DE POTENCIA
El pistón de potencia está conformado por dos piezas: el diafragma, y el disco de
potencia.
10.5.1 Diafragma (llanta)
Para elaborar el diafragma (fotos10-7) se consiguió una llanta de automóvil con un
diámetro interno igual al de la caneca, de manera que al introducir la llanta
quedara ajustada en el cilindro. La llanta debía ser del tipo que no contienen
refuerzos de acero para facilitar su corte. Una vez que se obtuvo la llanta, se cortó
por la mitad para utilizar como diafragma una de las dos porciones.
Foto 10-7. Diafragma (llanta)
tornillos para fijar disco de potencia
agujeros de tornillos para fijar a la caneca
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89
Finalmente se perforaron ocho agujeros en el diámetro interno de la llanta para
ensamblarla con tornillos al disco de potencia y otros ocho alrededor en los lados,
para ajustar la llanta a la caneca.
10.5.2 Disco de potencia.
El disco de potencia (foto 10-8) se construyo cortando en primera instancia un
disco metálico con acetileno, con un radio que coincidiera con la pestaña que tiene
la llanta en su diámetro interno. Posteriormente se perforo el disco en el centro y
se soldó a través de él un tubo, por el cual debía pasar, con el menor juego
posible, el eje desplazador. A continuación se cortó un collar (tubo con un
diámetro un poco mayor que el tubo del disco), para soldarlo en el extremo
superior del tubo. Al collar se soldaron dos ejes que servirían para ajustar las
primeras barras del mecanismo de potencia.
Debido a que no se consiguió un tubo y un eje desplazador que tuvieran un juego
pequeño, se elaboraron dos bujes en el torno, los cuales se ajustaron por
interferencia en los dos extremos del tubo, logrando así disminuir el juego con el
desplazador.
Finalmente se hicieron ocho orificios para los tornillos de ensamble con la llanta
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90
Foto 10-8. Disco de potencia
10.5.3 Ensamble Pistón de Potencia.
Las fotos 10-9 y 10-10 muestran el pistón de potencia armado y su ensamble al
sistema de caneca-piscina respectivamente
Foto 10-9. Pistón de Potencia
agujeros para ensamble con llanta
ejes mecanismo de potencia
buje superior
collar
tubo
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91
Foto 10-10. Ensamble del Pistón de potencia
La foto 10-11 muestra el ensamble parcial del motor, al unir el sistema ya
conformado de cilindro, desplazador, pistón de potencia y piscina al soporte base.
Foto 10-11. Ensamble parcial del motor
pistón de potencia
caneca piscina
desplazador
pistón depotenciapiscina
cilindro
soportecilindro-piscina
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92
10.6 SOPORTE DE MECANISMOS
Esta estructura soporta los mecanismos, sirviendo como pivote de los mismos, y
resiste los soportes del volante. Se decidió utilizar tres tablas de madera las cuales
forman un canal como se aprecia en las fotos 10-12. Se prosiguió a abrir dos
ranuras en cada pared del soporte por donde se introdujeron dos platinas de
acero, las cuales fueron perforadas en el centro y se les soldó un buje a cada una
para que sirvieran como guía del desplazador, garantizando que este último se
comporte como una corredera. A continuación se taladraron agujeros en las
paredes para ajustar los ejes pivotes de los mecanismos y finalmente se perforó
el centro de la base para permitir el paso del collar del pistón de potencia al
ensamblar el soporte.
Foto 10-12. Soporte de Mecanismos
guías
bujes
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93
Foto 10-13. Ensamble del soporte de mecanismos
10.7 MECANISMO DE POTENCIA
Las barras del mecanismo de potencia se hicieron de madera siguiendo las
indicaciones de los planos y la figura 9-14. Los agujeros para las uniones se
taladraron con una broca variable para alcanzar que los rodamientos entraran
ajustados en las barras. Los ejes del mecanismo se tornearon hasta alcanzar el
diámetro que permitiera el ajuste con los rodamientos. Finalmente se ensambló el
mecanismo ajustando las primeras barras del mecanismo al collar de potencia, e
introduciendo el eje pivote en el mecanismo y el soporte. El mecanismo
ensamblado se muestra en las fotos 10-14.
eje desplazador
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94
Foto 10-14. Mecanismo de potencia Ensamblado
10.8 ENSAMBLE ACTUAL
Debido a inconvenientes e imprevistos durante el proyecto, el motor no se alcanzó
a entregar totalmente terminado. La máquina se armó hasta el punto mostrado en
el capítulo 10.7. Los sellos en las uniones con tornillos y soldadas se realizaron
con silicona térmica. El motor actualmente ensamblado se muestra en las fotos
10-15
El capítulo 10.9 menciona las piezas y ensamblajes restantes para terminar la
máquina.
collar de potencia
posición del volante
pivote
barras 1barras 2
barra 3
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95
Foto 10-15. Ensamble actual del Motor Stirling diseñado
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96
10.9 PIEZAS Y ENSAMBLES RESTANTES
Los pasos que faltan para terminar la construcción del motor siguiendo las
especificaciones de los planos son:
- El corte de los discos que conforman el volante, al igual que su unión, por medió
de un eje como se mostró la figura 9-19
- La construcción de los soportes del volante (figura 9-19) y el ensamble con este
último, con el mecanismo de potencia y con el soporte de mecanismos.
- El ensamble del mecanismo desplazador16 al volante.
16 Las barras de este mecanismo ya están construidas siguiendo el mismo proceso que el
mecanismo de potencia
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97
11. CONTINUACIÓN DEL PROYECTO
Este trabajó debe ser la base para continuar la investigación de los motores
Stirling y su particular uso en los hornos de producción de coque. Las actividades
que se deben realizar en un futuro son:
- Culminación del motor como se estipuló en el capítulo 10.9
- Puesta en funcionamiento del motor, para determinar el comportamiento real del
mismo y las mejoras que se deben llevar a cabo.
- Definición del método de control de emisiones que se piensa implementar en los
hornos de coque, para determinar completamente la forma de calentamiento del
motor.
- Diseño del método de recirculación del agua de la piscina para evitar su rápida
evaporación.
- Implementación del motor en los hornos de coque.
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12. CONCLUSIONES
• Se diseño un motor Stirling tipo Beta de 675 Watts de potencia teórica
calculada y 225 Watts de potencia esperada.
• El motor usará las emisiones producidas por los hornos de elaboración de
coque, como medio de calentamiento de la zona de alta temperatura.
• El método de enfriamiento de la zona de baja temperatura del motor será el
contacto permanente con agua.
• Se diseño un motor que emplea materiales económicos y evita acabados y
manufacturas muy costosas
• Se construyó el 90% del motor diseñado.
• La construcción del motor diseñado presentó diversos imprevistos,
evidenciando la dificultad de realizar un diseño en donde se tenga en
cuenta todos los detalles para la construcción del mismo, y obligando a
efectuar cambios en el diseño original.
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• Las plantas de producción de coque desperdician 164.5 KWatts de energía
por cada horno17, debido a los gases de combustión expulsados al
ambiente sin ningún control o método de cogeneración.
• La implementación del motor diseñado en las plantas de coque
representarían una contribución para la mejor utilización de las emisiones
allí presentadas, al poder utilizar la energía generada por ejemplo en el
funcionamiento de bandas transportadoras, moledoras de carbón, tamices,
etc.
• Este proyecto contribuye al estudió de los motores Stirling en Colombia y
representa una posibilidad de cogeneración de energía que se puede
utilizar donde se encuentren fuentes de alta temperatura que no se estén
aprovechando para generar potencia.
17 Una planta típica de producción de coque contiene entre 30 y 50 hornos
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13. PLANOS
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14. BIBLIOGRAFÍA
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[3] http://revista.robotiker.com/diseño_fabricacion/articulo10_1.jsp
[4] http://cipres.cec.uchile.cl/~dirojas/entrada.htm
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[6] OJEDA, Carlos. Estudio de Cogeneración a partir del calor residual del procesode producción del Coque metalúrgico. Universidad de los Andes. Bogotá,Colombia. 2002
[7] SHIGLEY, Joseph., MISCHKE, Charles. Mechanical Engineering Design.McGRAW-HILL. USA. 2001
[8] http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/indexe.htm