Felix Maocho

Para quien le interese lo que a nosotros nos interesa

Robótica – El motor Stirling, es tan sencillo que hasta lo puedes construir tu mismo

Por Félix Maocho
11/3/2012

En el funcionamiento de una olla exprés observamos claramente que un gas caliente ocupa mucho mayor volumen que frió. Igualmente hemos comprobado que muchos botes medio llenar cerrados y metidos en la nevera, resultan después difíciles de abrir porque se ha hecho un vacío que pega la tapa a la boca del bote.

Pues bien, esta propiedad de los gases de cambiar el de volumen con la temperatura, es la que se aprovecha en el Motor Stirling, una alternativa a la máquina de vapor que fue inventado en 1816 por Robert Stirling.

Este tipo de motores es muy adecuado para construirlos de forma casera por dos características, no precisa de muchas piezas, ni tiene que ser de alta precisión y funciona con muy moderada temperatura y presión, lo que resultan poco peligrosos.

A pesar de su sencillez, superan en rendimiento a la máquina de vapor o el motor de  combustión interna, pues a diferencia de estos motores, el motor Stirling permite extraer el máximo teórico de energía de los cambios térmicos, aunque por supuesto nuestros modestos motores, van a estar muy lejos de este óptimo.

Adicionalmente tiene la  ventaja, igual que la máquina de vapor, que su funcionamiento es independiente del combustible que utilicemos como fuente de calor, por lo que es muy adecuado para el aprovechamiento de energías alternativas como, la energía solar, biomasa, aceites etc.

Su mayor inconveniente radica, que a igualdad de tamaño, produce menos energía que  los otros tipo de motores más derrochadores y que su régimen de funcionamiento es más lento, por lo que resulta inadecuado para, por ejemplo, equipar automóviles.

Hoy, con la creciente preocupación medioambiental y de escasez de recursos han vuelto a hacer interesante por este equipo de alto rendimiento energético, lo que ha rescatado este viejo artilugio del olvido y lo ha transformado en candidato para muchos usos novedosos, e incluso se piensa en enviarlo al espacio, donde podría aprovechar la gran diferencia de temperaturas que hay entre un lado iluminado y uno en sombra de un satélite.

Ciclo de Otto

Expliquemos someramente el ciclo de Otto en el que se estudia el funcionamiento de los motores y que es básico para comprender el cambio de energía de calorífica en mecánica. En este gráfico las curvas indican el volumen que ocupan en función de la presión, (a más presión menos volumen), una cantidad fija de gas a un temperatura dada

El ciclo de Carnot es el siguiente

  1. Expandimos del  volumen inicial V1 al final V2, una masa de gas caliente a temperatura constante T1, diminuyendo su presión. En el gráfico pasamos del punto 1 al 2 por la curva de temperatura constante T1
  2.  Enfriamos, (robamos energía), el gas desde la temperatura T1 a la inferior T2 a volumen constante, En el gráfico pasamos del punto 2 al 3 por la línea vertical que corresponde al volumen expandido.
  3.  Comprimimos el gas enfriado a la temperatura T2 del volumen V2 al volumen V1 aumentando la presión. En el gráfico pasamos del punto 3 al 4 siguiendo la curva T2.
  4.   Calentamos, (cedemos energía), la temperatura del volumen V1 de gas a la temperatura T1 volviendo a la situación inicial. En el grafico pasamos del punto 4 al 1 por la vertical V1 cerrando el ciclo

Como se ve en el gráfico la distancia de entre los puntos 4 y 1 es más grande que la distancia entre 2 y 3 por tanto la energía robada es menor que la cedida, y como la energía ni se cede ni se destruye ello indica que hay un exceso de energía que se ha transformado en energía mecánica que habrá empujado al pistón que utilizábamos para cambiar el volumen de la cámara.

Se demuestra que esta energía es mayor cuanto más grande sea el área que cubran estos cuatro puntos  por tanto para hacer mayor esta área podemos o bien aumentar la diferencia entre T2 y T1 o ampliar la diferencia de volumen (V2-V1), por eso un notor de coche mejora su rendimiento cuando funciona  a mayor presión que comprima mas los gases, lo que obliga a utilizar gasolinas que la soporten como son las de mayor octanaje, o cundo tiene cilindros más grandes.

Por otra parte el ciclo de Carnot es reversible, si trabaja en el sentido indicado generan energía mecánica a partir consumir de energía térmica y trabajando en sentido contrario, trasforman la energía mecánica en una bomba de calor. como en las neveras y los equipos de aire acondicionado.

En la realidad este esquema es muy difícil de llevar a la práctica, pues es difícil encontrar dispositivo mecánicos que ajusten los volúmenes y temperaturas a este cl ciclo, con lo que en la realidad el gráfico que obtendremos tendrá una especto más o menos como se indica a continuación.

La diferencia de entre el área de gráfica teórica y real da le coeficiente de rendimiento de un motor en concreto los motores que expulsan los gases calientes a la atmósfera como el de vapor o el de combustión interna, se alejan mucho de la gráfica ideal, los que manejan el gas en un circuito cerrado, como el gas de refrigeración de una nevera, se pueden aproximar más al rendimiento óptimo. Como veremos el motor Stirling es de este último tipo

El motor Stirling

Bien acabada la parte teórica iniciemos la práctica. Imaginemos una lata de conservas abierta por un extremo y tapado ese extremo por un globo de caucho. (fig 1) Si calentamos el fondo de la lata con una vela, el aire se dilatará y inflará el globo.  (fig 2). Por el contrario si ponemos unas aletas disipadoras del calor  en la parte superior y la metemos en la nevera el globo será absorbido hacia adentro. (Fig 3)

Vamos a introducir dentro de la lata un pistón, que vamos a llamar pistón desplazador, (fig 4) porque si función no es comprimir el gas sino desplazarlo dentro de la lata ocupando él la parte más caliente o más fría de modo el aire vaya hacia arriba (parte fría) o hacia abajo (parte caliente). El pistón ha de ser de un diámetro algo inferior al de la lata, para que el gas se mueva con facilidad de un lado al otro,

Ahora calentamos la parte de abajo y refrigeramos la de arriba, cuando el pistón se mueve hacia arriba, la goma se expande porque el gas está en la zona caliente.y se dilata (fig 5) Si el pistón se mueve hacia abajo, la goma se absorbe porque el aire se enfría (fig 6).

Para poder desplazar a voluntad el pistón le vamos a poner una biela, unida a un cigüeñal que atravesara el caucho por lo que tendremos que poner unas arandelas que permitan atravesarle sin que se desgarre y que por su parte recibirán el empuje del has ayudando a subir y bajar el caucho junto al pistón. Tan solo nos falta añadir un volante al sistema para que el giro se mantenga uniforme. Ahora pasemos a c ver una serie de motores Stirlig caseros que circulan por Internet

Como muestra de que nosotros podemos hacer un motor Stirling le muestro un motor hecho con cosas que hay en cualquier casa-  Espero que con las explicaciones dadas comprendan su funcionamiento sin problemas.

El modelo más simple que he podido encontrar es este motor en el que el émbolo desplazador son unas bolas que se mueven por gravedad dentro de un tubo y la cámara de expansión modifica su tamaño por el puro movimiento de cabeceo del motor. Como veis hay distintas soluciones a un solo problema.

Naturalmente como pasa con los motores de explosión más cilindros más suavidad en el manejo, probablemente con más de cuatro no haga falta poner volante de inercia

Este modelo casero que enseñe al principio se complica un poco la cosa poniendo la cámara de expansión separada del cuerpo principal.

Este último modelo casero que les voy a enseñar a continuación tiene la ventaja de que vamos a poder ver cómo construyen paso a paso  partiendo de un casquillo de cristal y dos tapas de chapa de cobre,. Ello  permite ver después moverse al pistón desplazador que han hecho de esponja de plásticodentro del cilindro . Como digo, el pistón desplazador no tiene más objeto, que ocupar un volumen en el área fría o caliente de la cámara principal, mientras que la cámara de expansión, tiene como objeto recoger el volumen de gas, (aire normalmente), que por expandirse no cabe en el volumen inicial.

Como el aparato funciona por diferencias de temperatura igual puede funcionar porque calentemos con una llama una parte como los anteriores, como porque la enfriemos como en este otro modelo

En tramos en la sección de utilización de motores Stirling en proyecto de envergadura. Para empezar, les dejo un motor casero que ya está hecho con piezas mecanizadas para que vean la tremenda energía que sacan de un simple mechero de alcohol

A continuacion les muestro un vehículo con motor Stirling con energía tomada de una botella de butano, algo que sigue siendo experimental pero que se acerca ya más a un uso práctico

Por último y esta si que es el último por hoy hay jugi uets de alta clidad creados a partir unica y exclusivamente con motores Stirling. Como muestra les traigo un tractor, pero hay muchps mas de una inceible belleza que podrñan ver  (y adquiri)  em Böehm Stirling Tecnik

- – - – - – -  ACTUALIZACION a 28/8/2012 – - – - – - - 

Dado el interés que ha despertao el tema he escrito un segundo post donde presento algunos modelos curiosos de motores Stirling y los planos de un modelo para construir con materiales reciclados que todos temenos en casa, como latas alambres, discos de CD y  y una estructura de madera de Balsa. Los planos se pueden obter gratuitos pidiendoles directamente a su diseñador por email en la direccion que indico en el post,. (a mi me tardó en contestar un par de horas)

https://felixmaocho.wordpress.com/2012/08/26/robotica-mas-sobre-los-motores-stirling/

- – - – - – -  FIN DE LA  ACTUALIZACION – - – - – - - 

FélixMaocho

Direcciones de interés

Otros post de Robótica 

About these ads

11 marzo 2012 - Publicado por | Robotica | ,

21 comentarios »

  1. Muchas gracias por el articulo. Me encanta. Si me es posible este verano intentare hacer uno.
    Leyendo la documentación anexa me da la sensación (como en muchas otras cosas) que estas ideas, supuestamente antiguas, tienen mucho futuro y mucho terreno por recorrer.
    De nuevo gracias.
    He compartido enlace a tu pagina en mi Facebook y en mi Twitter, espero que no te moleste.
    De nuevo gracias.

    Comentario por Ricardo Leceta | 11 marzo 2012 | Responder

    • Todo lo contrario, no solo no me molesta sino que se le agradezco en el alma. Si construye uno de estos artilugios ruego que lo filme o lo fotografíe y me mande la noticia.
      Un saludo,

      Comentario por felixmaocho | 12 marzo 2012 | Responder

  2. Hola, un saludo. El artículo es muy interesante, pero hay un grave error en la explicación. El ciclo teórico que describe no es el de Carnott, sino el de Otto. El ciclo de Carnott transcurre entre dos evoluciones isotermas y dos adiabáticas (sin transmisión de calor).

    Comentario por Jesús Neira | 12 marzo 2012 | Responder

    • Pues gracias por informarme,revisé mis fuentes y en efecto he metido la pata pues efectivamente el ciclo enseñado es el de Otto que sse aplica a los motores de combustion interna. Corrijo el dato.

      Comentario por felixmaocho | 12 marzo 2012 | Responder

  3. Cordial saludo
    Muy buen trabajo.
    Motiva a los estudiantes interesados en estos temas

    Comentario por william | 5 septiembre 2012 | Responder

  4. Felicitaciones muy didactico.

    Comentario por Tomas Garcia Blasquez G | 30 diciembre 2012 | Responder

    • Muchas gracias

      Comentario por felixmaocho | 30 diciembre 2012 | Responder

  5. Bravo, mucho más didáctico que cualquier libro, me alegro de haberme topado con esto!

    Sigue haciendo cositas así! :)

    Comentario por JhonCC | 20 febrero 2013 | Responder

    • Muchas gracias

      Comentario por felixmaocho | 20 febrero 2013 | Responder

  6. Hola que tal buenos dias oye no sabes en que parte de la.ciudad de mexico podria comprar piezas para armar o comprar uno de estos motores ?

    Comentario por saul | 28 mayo 2013 | Responder

    • No creo que se vendan las piezas sueltas por separado, pero cualquier taller mecánico puede construirle la biela, el volante y los dos pistones que se necesitan, son piezas que con un torno se pueden construir en cualquier tipo de material, de madera o plástico a hojalata pasando por bronce o acero. De todas formas, le aconsejo que lea la ampliación de este post que escribí en https://felixmaocho.wordpress.com/2012/08/26/robotica-mas-sobre-los-motores-stirling/ donde puiede acceder a planos gratuitos para construirse uno con materiales caseros, hasta otros motores Stirling hechos con cosas tan normales como canicas de vidrio y tubos de ensayo de laboratorio. También hay un fabricante que vende por Internet, motores siirling en maquetas de juguete, (tractores y maquinas diversas ya armados..

      Saludos

      Comentario por felixmaocho | 28 mayo 2013 | Responder

  7. Siento una admiración por ti, eres riguroso y didactico en todas tus exposiciones, con una amplísima información adicional.
    Esta de motor Stirling, no la habia visto y me ha gustado su exposición, admirable.

    Comentario por ARMANDO | 2 noviembre 2013 | Responder

    • ja ja , Muchas gracias. Cuanto lamento que ninguno de los muchos jefes que he tenido en mi trayectoria profesional me haya dicho algo así.

      Comentario por felixmaocho | 2 noviembre 2013 | Responder

      • Los jefes son como son, seguro que alguno habra sabido aprovechar todas esas aptitudes que tienes.
        A todos nos ha pasado, por suerte o desgracia he sido director de obras singulares de construcción, pero cuando se me ocurria una idea imnovadora y sugerente, el jefe más próximo se apropiaba de ella, en eso tengo bastante experiencia, aunque no llego a igualer tus grandes conocimientos sobre tan variados temas.

        Comentario por ARMANDO | 2 noviembre 2013

      • En serio, no tengo grandes conocimientos, en profundidad solo se de dos temas, producir programas de television y de informática de gestión , que han sido mis profesiones, y algo muy poco de ventas, y de inmobiliaria. Con homestidad de todo lo damás se poco mas omenos lo que cualquier persona. Pero tengo gran curiosidades y bastante tiempo libre, (soy jubilado), de modo que cuando me topo con un tema que me interesa, como este del motor Stirling, como no tenía ni pajolera idea de lo que era, pero tengo tiempo, busqué informacion por muchos sitios, y como tenía fresco lo que iba descubriendo, lo puede volcvar en una página, en un lenguaje sencillo, pues tampoco doy para mucho más, pero muy comprensivble para los que como yo, tampoco tienen pajolera idea del tema.

        Me alegro parecer muy listo, pero en el 90% de los temas, soy solo un papagayo, (y concretamente en el tema del Motor Stirling es uno de ellos), que repite lo que ha leido, eso si lo que ha leido en muchos sitios diferentes, hasta que me entero y lo entiendo.

        De todas formas muchas gracias,

        Comentario por felixmaocho | 2 noviembre 2013

  8. ja lo se que es facil de hacer que jo tengo 13 años i e frabricado 1

    Comentario por joan de gea | 22 abril 2014 | Responder

    • ¿Por qué no me mandas una foto del motor? Gracias

      Comentario por felixmaocho | 22 abril 2014 | Responder

  9. Hola, necesito un proyecto para la escuela sobre fisica y me ha interesado mucho esto, pero quisiera saber en que se puede aplicar este motor? me refiero a algo como en un carro o algo asi, obviamente en un carro es imposible, pero necesito una ejemplo para demostrar su funcionamiento. Gracias de antemano.

    Comentario por Yaridi | 23 abril 2014 | Responder


Deja un comentario

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s

Seguir

Recibe cada nueva publicación en tu buzón de correo electrónico.

Únete a otros 345 seguidores

%d personas les gusta esto: