Motor Stirling

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y
ELECTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

METODOLOGÍA PARA EL REDISEÑO DE MOTORES
DE CICLO STIRLING

Tesis

que para obtener el grado de
Maestro en
Ciencias
Presenta:
Ing. Jorge Vázquez Cervantes
Director de tesis: Dr. Ignacio Carvajal Mariscal

Junio de 2007. México, D.F.

ÍNDICEÍNDICE
Página .

Resumen
Abstract
Nomenclatura
Relación de Figuras y Tablas
Introducción
CAPÍTULO 1.
GENERALIDADES DE LOS MOTORES TÉRMICOS ALTERNATIVOS
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5

Motores térmicos
Obtención del movimiento alternativo
El trabajo obtenible
Características del trabajo obtenible
Motores de combustión externa de ciclo Stirling
CAPÍTULO 2.
MOTORES STIRLING TIPO ROBINSON2.1
2.2
2.3

1
2
3
6
8

10
11
13
18
20
22

29

El ciclo Stirling del motor Robinson
Modelos de cálculo térmico
Actualidad en la aplicación del motor Stirling tipo Robinson y sus ventajas

30
37
36

CAPÍTULO 3.
METODOLOGÍA PARA EL REDISEÑO DE LOS MOTORES STIRLING

39

3.1
3.2
3.3
3.4

Descripción del motor Stirling tipo Robinson del caso de estudio
Selección delmodelo de cálculo
Aplicación de la Metodología propuesta
Obtención de diagramas de comportamiento
3.4.1 Diagrama p-V
3.4.2 Diagrama p-x
CAPITULO 4.
ANÁLISIS DE RESULTADOS

40
43
49
59
59
61

65

4.1 Análisis de resultados
4.2 Comparación con otros modelos teóricos

66
71

Conclusiones
Recomendaciones
Bibliografía
Anexo A
Anexo B
Anexo C
Anexo D

74
75
76
79
8183
90

RESUMEN

RESUMEN

Se presenta el desarrollo de una metodología para rediseñar motores de ciclo Stirling
del tipo Robinson, con el fin de optimizarlos térmicamente. La metodología está basada en
el acoplamiento de los modelos Senft_Schmidt y de Petrescu para el cálculo de potencia en
los motores Stirling tipo gama, aplicando la cantidad de trabajo irreversible y la
optimizacióntérmica por medio del teorema de Gouy-Stodola. Al aplicar la metodología se
obtuvieron los siguientes resultados: se redujo el volumen muerto en 9.6% mientras que
aumentó la eficiencia en 4.5%, y la entropía generada tuvo una reducción en 10 %. Los
resultados se ven reflejados en la determinación del valor de la carga óptima de gas de
trabajo y el ángulo de carga, así como el valor de unaconstante para obtener una
aproximación a la potencia real.

1

ABSTRACT

ABSTRACT

The development of a methodology is presented to redesign cycle motors Stirling of
the type Robinson, with the purpose of optimizing them thermally. The methodology is
based on the joining of the model Senft_Schmidt and of Petrescu for the calculation of
power in the motors Stirling type gamma, applying thequantity of irreversible work and the
thermal optimization by means of the Gouy-Stodola theorem. When applying the
methodology the following results were obtained: a 9.6% decreased in the dead volume
while a 4.5% increase in the efficiency, and a 10% reduction in the generated entropy. The
results are reflected in the obtaining of the value of the optimus load of work gas and the
load angle,as well as the value of a constant to obtain an approach to the real power.

2

NOMENCLATURA

NOMENCLATURA
A
a
b
C
c
c
D
F
f
L
m
n
p
P.M.I.
P.M.S.
p
p
&
Q
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&
R
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—

x
Y

—
—

z

—

a

superficie decontacto
aceleración
coeficiente (= 3γ )
coeficiente є [0, 2]
desplazamiento elemental o carrera total del pistón
calor específico
velocidad molecular media
diámetro
fuerza
coeficiente de fricción є [0, 1]
longitud de biela
masa
número de revoluciones por minuto
presión
punto muerto inferior
punto muerto superior
presión instantánea
presión media indicada
flujo de calor total...