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Motor Stirling con jeringas de vidrio
Resumen
Un problema fundamental en la historia ha sido la generación de movimiento, pues es el movimiento el que genera la gran mayoría de los avances tecnológicos a nivel industrial y social.
Es el movimiento el que genera electricidad, y por medio de cadenas de transformación de la energía se producen otros tipos de procesos que benefician al hombre.
En función de lo anterior, se propone un motor Stirling el cual puede producir movimiento con un proceso de combustión externa dentro de un proceso adiabático, ya que no requiere quemar combustible en su interior.
El uso de jeringas nos permite una idea básica del fenómeno, ya que con ellas es posible de manera práctica llevar a cabo la generación del movimiento. Para la realización de este proyecto es necesario que las jeringas sean de vidrio, debido a la menor fricción que posee el embolo con respecto al de plástico.
La fuente de calor externa es un mechero, que en esta primera etapa del proyecto es necesaria para entender el concepto.
La idea fundamental de este proyecto en una segunda etapa es generar electricidad usando un motor Stirling mejorado, usando energía solar como fuente de calor. Sin embargo en este primer paso la idea es tener claro el concepto.
Pregunta de Investigación¿Es posible generar movimiento a partir de la diferencia de temperaturas?
Planteamiento del Problema
Las técnicas de generación del movimiento a través del tiempo han ido evolucionando, debido a las distintas necesidades que el hombre ha tenido.
Ha usado seres vivos, incluyéndose a él mismo, sin embargo, estas fuentes no han sido las mejores.
También se ha utilizado la combustión como fuente generadora de movimiento, sin embargo, el problema que plantea quemar combustibles ha resultado maligno para el bienestar ambiental.
Lo ideal sería utilizar ese calor de manera natural (como por ejemplo, el sol) para generar movimiento sin que afecte al ambiente.
Es por lo anterior que se propone generar movimiento a partir de un motor Stirling de una forma en la que beneficie a todos, usando energías limpias (como sería la luz del sol).
En esta parte de la investigación se mueve el motor con combustión externa, para entender el proceso básico del motor.
Antecedentes
Un motor Stirling consta de cilindros para que funcione. Utiliza una fuente de calor fija, como sería una vela, para calentar el aire de los cilindros y que exista una diferencia de temperaturas en estos. Se le considera de combustión externa y proceso diabático, ya que no requiere quemar combustible en su interior y cuando funciona, transfiere calor al entorno.
El movimiento se basa en las diferencias de temperaturas, entre la porción más caliente y la fría, y se reparten entre los dos cilindros/pistones, y una disipa el calor y desplaza el aire hacia el cilindro frío y viceversa.
Este cilindro funciona como intercambiador de calor y se le denomina regenerador.
Este motor es considerado el más eficiente debido a que se pueden generar dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, sin embargo tiene el problema a que no puede ponerse en funcionamiento de forma instantánea.
El motor inicia en 1816, cuando el escocés Robert Stirling lo inventa. Pero fue hasta una aportación de parte del francés Sadi Carnot, quien fue el primer científico en realizar una teoría acerca del funcionamiento de los motores térmicos, declarando los principios físicos que participen en su movimiento.
La teoría sirvió para comprender mejor el fenómeno que permite al motor Stirling generar fuerza motriz.
Para ayudar a comprender que sucede en el motor Stirling se emplean las leyes de la termodinámica. Estos se dividen en varios principios.
El principio o ley cero, establece que existe una propiedad denominada como temperatura empírica θ que es común para los estados de equilibrio termodinámico que es encuentren en equilibrio mutuo.
El primer principio habla de la conservación de la energía que establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía del sistema cambiará
El segundo principio marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y de que no ocurran en el sentido contrario. El sentido de evolución de los procesos reales es único ya que son irreversibles.
El tercer principio dice que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos.
Objetivo
-Utilizar combustión externa en lugar de interna aplicando las leyes de la termodinámica para generar movimiento.
Justificación
Generar movimiento utilizando combustión interna, tiene el problema de la quema de los combustibles los cuales generan contaminación por los desechos del proceso.
La idea es usar combustión externa para calentar, aunque se puede pensar que por ser combustión esta también contamina, pero la idea es posteriormente sustituirla por concentración de rayos solares como fuente de calor externa.
Se empieza con fuente externa de combustible como principio básico de generar calor, no como idea permanente en la producción de movimiento.
Y la idea de movimiento que se genere en este proceso es mover un generador para crear electricidad con este movimiento.
Hipótesis
El motor Stirling es una máquina que permite la generación de calor en base a un cambio de temperatura, mediante la combustión externa, por lo que posteriormente este cambio de temperatura se obtendrá de una energía limpia (como el sol) y será un ejemplo de cómo generar energía y movimiento sin contaminar al ambiente.
Método (materiales y procedimiento)
Materiales
Tabla de Madera
Jeringas de vidrio con punta de metal
Patas de metal obtenidas de un sillón (como base)
Rueda
Clavos
Palancas de Metal
Mechero de Alcohol
Resistol de Metales
Cautín de Metal
Manguera de Plástico
Tubo de Cobre
Metal de una lámpara
Procedimiento.
1.- Montar la rueda en una de las patas del sillón.
2.- A la otra pata colocar el soporte (metal de lámpara) donde estarán las jeringas de vidrio.
3.- Colocar tornillos en los hoyos de las bases (patas de sillón) para unirlas a la madera de forma paralela.
4.- Ensamblar la jeringa en el soporte de metal, apretándola de manera que no salga.
5.- También es importante pegar las jeringas a las palancas de metal para después unirlas a la llanta.
6.- Al final, colocar la manguera en las puntas de las jeringas para generar un cambio de temperatura, incrustando el tubo de cobre en la manguera.
7.- Seleccionar un mechero de alcohol para colocarlo en la parte inferior de una de las jeringas y ¡Listo!
Galería Método
Resultados
En el proceso de construcción no se deben usar jeringas de plástico, debido a la mayor fricción que se genera entre paredes de la jeringa y su émbolo.
Deben usarse jeringas de vidrio debido a la menor fricción que se ejerce entre paredes y émbolo.
Las jeringas deben tener puntas metálicas y no de vidrio, pues las de puntas de vidrio se rompen con la presión.
Se genera un movimiento constante que hace que la rueda gire. Este movimiento o energía es gracias a la diferencia de temperaturas que se encuentra en las jeringas, entre la porción más caliente y la fría, y se reparten entre los dos cilindros/pistones, y una disipa el calor y desplaza el aire hacia el cilindro frío y viceversa.
De esta manera las jeringas siguieron en constante movimiento al igual que la rueda hasta que el mechero es retirado y las temperaturas se igualan.
Galería Resultados
Discusión
Este motor por obvias razones es bueno como prueba básica para comprender el trabajo producido por diferencia de temperaturas.
Sin embargo el problema sigue siendo eliminar la combustión externa, si esto no se logra el objetivo no se cumple.
Otro problema será adaptar el generador, y analizar qué tanta energía eléctrica se puede generar y analizar su viabilidad.
También en un seguimiento posterior a la mejora del proyecto se debe analizar que otros materiales deberán sustituir a los pistones de jeringas de vidrio. Debido a que las jeringas como tales son frágiles y para una mejor propuesta deben usarse otro tipo de materiales.
La figura anterior muestra una propuesta de cómo adaptar el generador eléctrico, con el fin de aprovechar el movimiento del motor.
Conclusiones
La idea de hacer un motor a base de energías limpias es para mejorar en un futuro y usar la energía solar para este motor que produce mucho movimiento.
Ya que se observó el funcionamiento con una fuente de combustión externa, el siguiente paso es eliminarla y diseñar la fuente solar.
Cabe recalcar que tiene un inconveniente y es que no es de efecto inmediato, requiere calentarse antes de empezar a funcionar.
Las jeringas de vidrio funcionan muy bien debido a su baja fricción y para entender el proceso del motor son muy prácticas.
La mayoría de los tutoriales señala usar un tubo de metal como disipador de calor para generar mayor diferencia de temperatura y realmente es necesario en el funcionamiento.
La velocidad que genera el motor permite pensar que es posible adaptar un generador eléctrico, para analizar el motor con otras expectativas.
Gracias a la falta de innovaciones que en esta época se han presentado. Es por ello que el generar nuevas energías con métodos regenerativos o naturales que no afecten a la naturaleza es importante para el cuidado y desarrollo progresista de nuestro planeta.
Bibliografía
http://www.todomotores.cl/motores-stirling.htm
http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria22/feria367_01_motor_stirling_casero.pdf
http://www.jfinternational.com/mf/termodinamica.html
Tippens, Paul E. Física, Aplicaciones y Conceptos, 7ª edición, Perú 2010
Pérez Montiel, Héctor. (2005). Física General, México D.F, Publicaciones Cultural.
Motor Stirling con jeringas de vidrio
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