Tema:

INSTITUTO TECNOLGICO DE TAPACHULA

DEPARTAMENTO DE METAL-MECANICAINGENIERIA ELECTROMECANICA

ANTEPROPROYECTO DEL PROTOCOLO DE INVESTIGACIONA) Datos generales:

Nombre del asesor/asesores de investigacin:

ING. JOSE A. CORTES GARCIADependencia: INSTITUTO TECNOLOGICO DE TAPACHULAParticipantes:HECTOR EDUARDO GUMETA GOMEZ

GUILLERMO RAFAEL GARCIA CRUZ

Duracin del proyecto: fecha inicio: fecha de terminacin: B) anteproyecto de investigacin:

Nombre del proyecto de investigacin:

Motor Stirling Alternativo.Antecedentes: En 1816, el escocs Robert Stirling patent un motor que funcionaba con aire caliente,

al cual llam Stirling. La patente de este motor era el exitoso final de una serie de intentos de simplificar las mquinas a vapor.

Stirling consideraba demasiado complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, expandirlo en un motor, condensarlo y, mediante una bomba, introducir de nuevo el agua en la caldera, por lo que decidi desarrollar un nuevo sistema que realice los mismos procesos, pero en forma ms simple. Otro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales causados frecuentemente por las mquinas a vapor, ya que an no se haba inventado el acero y las calderas explotaban con facilidad.

En el motor de Stirling se realizaban 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. Fue un tipo de motor bastante comn en su poca, sobre todo para pequeas mquinas de uso domstico tales como ventiladores, bombas de agua etc.; su potencia especfica no era muy elevada, pero su sencillez y bajo ruido eran magnficos.Lamentablemente, aunque era mucho ms simple y eficiente, al menos en teora, que una mquina de vapor clsica, los motores Stirling nunca fueron muy conocidos y su aplicacin en el mundo real no pas a ms, ya que los motores de combustin interna casi terminaron por eliminarlos.

A inicios del siglo XX, la compaa Philips, de Holanda, empez a investigar en este motor. En la actualidad, con la crisis ambiental en el mundo, se buscan motores que disminuyan las emisiones txicas, y es por eso que el motor Stirling vuelve a despertar inters; los nuevos materiales y las tcnicas de ingeniera avanzadas de hoy plantean la posibilidad de retomar la idea de aquel visionario del siglo XIX.

Bsicamente, el motor Stirling es un motor de ciclo cerrado en el que, en un ensayo ideal, el fluido de trabajo, contenido en el interior del motor, sera desplazado por los pistones del motor a lo largo de las etapas del ciclo de trabajo. Su fuente de energa puede ser cualquier foco de calor externo, con lo que puede ser aplicado en multitud de situaciones, aprovechando el calor residual de origen industrial, la combustin de todo tipo de materiales, calor solar e incluso el originado en procesos de fisin nuclear. Dado que la combustin se genera externamente al motor, sta puede controlarse a la perfeccin a travs del flujo de energa.

Actualmente, en diversos pases desarrollados, estos motores han alcanzado desarrollos impresionantes, y dentro de algunos aos stos podran reemplazar a los motores de combustin interna en diversos usos. Los motores Stirling se usan en submarinos, en refrigeradores, en automviles, en plantas de generacin de energa elctrica, etc.Definicin del problema:PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El motor Stirling en la podadora sera ms til ya que en el mercado venden y usan comnmente las podadoras de pasto de gasolina y con este mtodo emplearamos o ms bien dicho sustituiramos el combustible sea la gasolina por helio, hidrgeno- aire; ya que nos ayudara en el mundo a cuidar el medio ambiente en la vida cotidiana, tambin ayudara en la economa a la poblacin como sabemos la gasolina cada da ms sube el su precio considerado. Funciona con cualquier fuente de calor, no solo por combustin, por lo que se puede utilizar fuentes de calor como solar, geotrmica, nucleares, biolgicas, etc.

La mayora de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco fro, y por tanto necesitan menos lubricacin y duran ms que otras mquinas alternativas.

Los mecanismos son ms sencillos que en otras mquinas alternativas, estos es, no necesitan vlvulas, el quemador puede simplificarse.

Una maquina Stirling usa un fluido de trabajo de una nica fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presin de diseo y por tanto se reducen los riesgos de explosin. En comparacin una mquina de vapor usa agua en estados lquidos y vapor, por lo que un fallo en una vlvula puede provocar una explosin peligrosa.

Conviene advertir que no servira como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento ptimo slo se alcanza a velocidades bajas.

Objetivo general:

-Realizar el modelamiento mecnico de un motor Stirling que aproveche una fuente de calor cualquiera para trabajar en una podadora.

Objetivo especfico:-Determinar qu tipo de motor Stirling tiene mejor rendimiento para la tarea a realizar.

-Realizar la esquematizacin de los componentes del motor Stirling a utilizar.-Desarrollar los conceptos tecnolgicos necesarios para la fabricacin del motor Stirling.

-Determinar que fuente de calor aprovechara el motor Stirling.

-Analizar y determinar qu gas utilizara dicho motor.

-Determinar las modificaciones necesarias para aumentar la eficiencia del motor.-Analizar y cuantificar el rendimiento termodinmico del prototipo. Preguntas de investigacin:1.- Qu es un motor Stirling?

2.- Cul es el principio de funcionamiento de un motor Stirling?

3.- Qu eficiencia tiene un motor Stirling en relacin a otros motores de combustin interna?4.- Qu componentes constituyen dicho motor?

5.- Cul es el ciclo termodinmico ideal del motor Stirling?

6.- Cul es el ciclo real del motor?

7.- Cul son los parmetros principales para el diseo de un motor?

8.- Cul es la influencia de los parmetros en la potencia indicada?Justificacin:

En los ltimos aos, el consumo mundial de energa ha aumentado de manera espectacular.

Determinados factores relacionados con los combustibles fsiles, como la subida de los precios

del crudo, la inestabilidad de los mercados, los problemas geopolticos y el enorme consumo por parte de los mercados emergentes han generado una crisis energtica global.

A este problema debemos aadir las emisiones de gases de efecto invernadero, ya que en su mayor parte, derivan de la quema de combustibles fsiles para la produccin de energa. En la actualidad, la opinin pblica mundial ha centrado el debate en el problema del cambio climtico.

Teniendo en consideracin la situacin descrita anteriormente, los pases energticamente dependientes del exterior, como lo son los de la Unin Europea, y muy concretamente Espaa, se han visto obligados a modificar sus polticas energticas. As, las nuevas polticas energticas se plantean sobre tres objetivos fundamentales:

- conseguir una mayor independencia en el mbito energtico

- hacer un uso eficiente de la energa

- reducir al mnimo el impacto medioambiental

La mejora de las tcnicas de quema de carbn y el nuevo despegue de la energa nuclear, junto con el desarrollo de otras nuevas tcnicas tratan de lograr la consecucin de los objetivos anteriormente mencionados. En este camino, las energas renovables han de jugar un papel muy destacado, ya que ni emiten gases de efecto invernadero y ni se agotan.

Entre las distintas tecnologas renovables disponibles en Espaa, se destacan dos en la actualidad: la energa elica y la energa solar. Aprovechando la energa del viento y del sol respectivamente, estas dos tecnologas se han convertido en la punta de lanza del desarrollo sostenible en nuestro pas. Centrndonos en la energa solar, el Ministerio de Industria,

Turismo y Comercio, clasifica los distintos tipos de aplicaciones que utilizan la energa solar en tres grupos:

- energa solar trmica

- energa solar termoelctrica

- energa solar fotovoltaica

Analizando las inversiones en energa solar encontramos que la mayor parte de ellas han ido dirigidas a la instalacin de estaciones fotovoltaicas, cuyos rendimientos energticos oscilan entre el 10 % y el 15 %, mientras que por otro lado encontramos inversiones ms reducidas en la generacin elctrica basada en instalaciones solares trmicas de alta temperatura, que estando en su mayor parte en fase de desarrollo de prototipos, presentan rendimientos mayores que los sistemas fotovoltaicos.

Entre los sistemas trmicos de alta temperatura encontramos los sistemas disco parablico, que en su variante con motor Stirling obtienen rendimientos que llegan hasta picos del 30%, estando su valor promedio, por encima del 20 %. Estos discos parablicos han evolucionado tanto en Europa como en EE.UU. hacia la construccin de unidades autnomas conectadas a motores Stirling situados en el foco, con potencias de 7-25 kW. Los sistemas disco-Stirling presentan una alta eficiencia en la conversin de la radiacin solar en energa elctrica, de entre el 25-30% en condiciones nominales de operacin. Adems, se pueden conseguir relaciones de concentracin superiores a 3000, lo que permite alcanzar temperaturas entre 650 y 800C y eficiencias nominales en los motores Stirling entre 30-40%, lo que podra convertir a este sistema de generacin elctrica en uno de los que obtengan un mayor xito en el futuro.

Debido a ello, el presente documento analiza su viabilidad en el mbito energtico, econmico y socio-ambiental y trata de concluir si el sistema disco Stirling es realmente una alternativa de futuro.

Hemos decidido hacer este proyecto puesto que es innovador, y no ha sido demasiado investigado hasta el momento y ayudara a conocer la tecnologa Stirling a los futuros ingenieros de esta institucin.

Viabilidad de la investigacin:Deficiencias en el conocimiento:

En este trabajo nos limitamos a usar como fluido de trabajo el aire, porque no tiene costo alguno y est en todos lados. Lo ideal sera utilizar He H2, porque estos gases tienen una mayor conductividad trmica, pero el diseo tendra que ser hermtico, lo cual sera complicado y costoso.

Por otro lado, no se puede contar con un quemador y una cmara de combustin totalmente aislada porque sera necesario inyectar aire para mejorar la combustin, por eso es que existe mucha prdida de calor al medio ambiente haciendo que el consumo especfico de combustible sea alto.

La potencia del motor es baja debido a que el motor no est presurizado, ya que es muy difcil asegurar hermeticidad, y, tambin, al fluido de trabajo utilizado (aire), porque no es el fluido de trabajo ms indicado para este motor.

Facilitador: ing. Jose A. Cortes Garcia R-INV-ELEC-01