Motor stirling

Prácticas de Tecnología de Fluidos y Calor (Departamento de Física Aplicada I - E.U.P. – Universidad de Sevilla)

MOTOR STRILING Objetivos
Observar detalladamente el funcionamiento de un motor de aire caliente (ciclo Stirling). Interpretar cuantitativamente el diagrama p-V del ciclo y hallar el rendimiento.

Material
Motor Stirling, medidor de par (escala, freno Pony, tornillo regulador,pesa de inclinación, aguja indicadora), medidor pVnT, osciloscopio, 2 termopares, mechero quemador de alcohol, cables de conexión al osciloscopio, alcohol, papel milimetrado.

Fundamento teórico.
Una meta importante de la ingeniería es la de desarrollar dispositivos que permitan convertir el calor en trabajo. Mientras que la conversión del trabajo en calor se puede conseguir con un rendimientodel 100 %, la conversión de calor en trabajo viene limitada por el Segundo principio de la Termodinámica: “No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conversión íntegra de este calor en trabajo, sin producir ningún otro efecto” Foco caliente a temperatura TC QC (enunciado de Kelvin-Planck). En general, un motor térmico es un dispositivomediante el cual un sistema realiza un ciclo en el que absorbe calor de un foco de temperatura alta, cede una cantidad de calor a un foco de temperaMáquina W tura inferior, y realiza un trabajo sobre el exterior. En 1816, Stirling diseñó un motor de aire caliente que podía QF Foco frío a temperatura TF convertir en trabajo parte de la energía liberada al quemar combustible. Tenía la ventaja de trabajar amás bajas presiones y ofrecer, por tanto, menor riesgo de explosión que la máquina de vapor. Posteriormente, el motor Stirling fue abandonado al desarrollarse el motor de combustión interna. En la actualidad, el motor Stirling está en una nueva fase de desarrollo debido a sus muchas ventajas. Por ejemplo, constituye un sistema cerrado, trabaja muy suavemente y puede funcionar con diferentescombustibles, lo cual permite investigar también los aspectos ambientales en nuestra sociedad. Nosotros vamos a utilizar el motor Stirling para estudiar el principio de las máquinas térmicas, porque, en este caso, el proceso de conversión de la energía térmica en energía mecánica es particularmente claro y relativamente fácil de entender. 1

Prácticas de Tecnología de Fluidos y Calor (Departamentode Física Aplicada I - E.U.P. – Universidad de Sevilla)

El motor Stirling ideal es un motor térmico cuya sustancia de trabajo es aire caliente (al que consideramos gas perfecto) y sigue los siguientes procesos: Proceso I: Expansión isoterma a la temperatura TC del foco caliente, del cual se absorbe la cantidad de calor QC: ∆U I = 0 → QC = WI = p dV = (nRT C / V )dV = nRTC ln(Vmax / Vmin ) > 0(1)

Poceso II: enfriamiento isócoro desde TC a TF. En este proceso, el regenerador absorbe del aire el calor QR: WII = 0 → QR = ∆U II = ncv (TF − TC ) < 0

(2)

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Proceso III: Compresión isoterma a la temperatura TF del foco frío, al cual se cede la cantidad de calor QF: ∆U III = 0 → QF = WIII = nRTF ln(Vmin / Vmax ) < 0 (3)

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Proceso IV: Calentamiento isócoro desde TF a TC. Paraello, el regenerador absorbe la misma cantidad de calor QR que absorbió en el proceso II: WIV = 0 → QR = ∆U IV = ncv (TC − TF ) > 0 (4)

Es importante resaltar que, en el ciclo Stirling, la energía térmica producida durante el enfriamiento isócoro es almacenada en un dispositivo denominado regenerador, hasta que es devuelta nuevamente al gas en forma íntegra en el calentamiento isócoro (principiode regeneración). Esto es, la energía térmica absorbida en el proceso IV es cedida regenerativamente en el proceso II. Este ciclo descrito supone una serie de idealizaciones del motor: el aire es considerado como gas ideal y sin fugas, las paredes de los cilindros están térmicamente aisladas, en el regenerador no hay conducción de calor, no hay rozamientos, etc. El diagrama de un ciclo Stirling...