Calculos para motor stirling

Conceptos Básicos para Diseño
de motor Stirling con baja diferencia
de temperatura
Prof. Roberto Román L.
Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de Chile

1 Introducción y Objetivos:
En este documento se entregan algunos conceptos básicos de diseño y metodología
elemental de cálculo de un motor Stirling con bajo gradiente térmico.
Adicionalmente entregamos algunas indicacionesbásicas referentes al diseño del motor.
Para efectos de simplicidad, hemos dividido el documento en las siguientes partes:
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Ciclo Stirling teórico y real.
Elementos básicos del motor.
Cálculo termodinámico elemental.
Aspectos constructivo
s.

2 Ciclo Stirling Teórico y Real:
El ciclo Stirling teórico está compuesto por dos isotermas y dos evoluciones a volumen
constante (verfigura 1). En las cuatro evoluciones hay intercambio de calor. Pero la
magnitud del calor absorbido en el calentamiento a volumen constante es igual (pero de
signo contrario) a la magnitud del calor cedido en el enfriamiento a volumen constante.

1

Si este calor se almacena en forma intermedia en un regenerador, la teoría demuestra
que es posible alcanzar el rendimiento de Carnot. Lafunción de este regenerador es
almacenar (en forma reversible) el calor cedido al exterior en el enfriamiento a volumen
constante (evolución 4-1) y volverlo a entregar al ciclo en el calentamiento a volumen
constante (evolución 3-4). Esto es posible si el regenerador está compuesto de un
material poroso capaz de almacenar y ceder calor, que permita el paso del fluido de
trabajo y que tengaconductividad térmica axial despreciable.
Realmente es posible dimensionar regeneradores bastante buenos.
En el caso del ciclo real obviamente el rendimiento es inferior al teórico. Además las
evoluciones que se siguen no son exactamente las teóricas. En la figura 2 vemos un ciclo
real de un motor Stirling de aire caliente con y sin regenerador de calor. Este diagrama
p-V ha sido obtenido de unpequeño motor real (ver referencias al final del documento).

3 Elementos Básicos del Motor:
El motor Stirling es un motor de ciclo cerrado y fuente de calor externa. Se
caracteriza fundamentalmente por tener un lado frío y un lado caliente. El fluido de
trabajo se trasvasija desde el lado frío al lado caliente (y viceversa) por medio de un
desplazador. Cuando el fluido se calienta su presiónaumenta, al enfriarse su presión
disminuye. Esta fuerza se transmite al exterior por medio de un pistón o membrana de
trabajo.
Debe existir un mecanismo tal que:
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Mueva el desplazador de tal forma que el fluido de trabajo pase de la zona
fría a la caliente (y al revés).
Transmita el esfuerzo del pistón o membrana al exterior.
Sincronice el movimiento de pistón y desplazador.
2El movimiento y sincronismo se logra por medio de bielas y manivelas adecuadas. En
particular, la biela que mueve el desplazador está desfasada en aproximadamente 90º
con respecto a la biela que es accionada por el pistón (o membrana).
Recordemos:
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El desplazador sirve para mover el fluido del lado frío al caliente y viceversa.
Por lo tanto no entrega ningún trabajo útil alexterior.
El pistón o membrana es el elemento que entrega trabajo útil. Este también
acciona (indirectamente) al desplazador.
El movimiento global se asegura por bielas y manivelas que sincronizan pistón
con desplazador.
Además suele haber un volante que sirve para almacenar energía cinética y
hacer todo el movimiento más suave y armónico.

4 Cálculo Termodinámico Elemental:
4.1 HipótesisBásicas:
En los próximos puntos plantearemos un cálculo simplificado del motor Stirling. Se
aplicarán los siguientes conceptos e hipótesis básicas:
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El gas en el interior del motor se comporta como gas perfecto.
Los volúmenes muertos son cero.
De existir regenerador, este se considera perfecto.
La irreversibilidad termodinámica asociada a la transferencia de calor se
tomará en...