Motor stirling

El objetivo de este projecto

En Internet encontré algunos motores Stirling de baja temperatura, que afirman que pueden funcionar con el calor de una mano humana. Me puse el objetivo de, al menos, igualar este logro mediante la optimización de mi modelo Stirling nr9 de Coffee-cup, hasta tal punto que debería cumplir con éxito este desafío.

El enfoque

Debe quedar claro que una mano humana puede agregar muy poca energía al sistema. A pesar de ello, esta baja energía tiene que superar las fuerzas contrarrestantes para que Stirling funcione. Entonces, el desafío es eliminar estas fuerzas hasta tal punto que la energía del calor de la mano conquista.

En este caso hay dos fuerzas contrarrestantes:

1. La fuerza de gravedad, trabajando en el sistema simétrico a con desplazador, pistón de trabajo, varillas de accionamiento y bandas de manivela. En principio, estas fuerzas de gravedad pueden eliminarse en casi el 100% mediante un equilibrado mecánico preciso.

2. Fricciones mecánicas, trabajando en piezas giratorias y deslizantes. En este caso, descuidaremos la fricción del aire principalmente en el volante.

No es posible eliminar por completo las fricciones. ¡El que afirma que puede hacerlo es el inventor del móvil perpetuo y de repente será inmortal! Así que solo podemos esforzarnos por eliminar estas fricciones tanto como sea posible. Cuanto mejor lo logremos, mejor funcionará el motor en la mano.

El ejercicio

Ad.1: Eliminando las fuerzas de gravedad.

Es importante equilibrar el sistema sin el obstáculo y la influencia de las variaciones de presión atmosférica en él. Por lo tanto, este equilibrio se debe hacer con todo lo ensamblado, excepto la placa del cilindro inferior, por lo tanto, con el sistema abierto. El equilibrio se puede hacer de diferentes maneras. Elijo para un contrapeso en la circunferencia de la rueda volante.

Este procedimiento de balanceo es el siguiente:

- Primero, sobredimensionar un poco el grosor del contrapeso para que pueda apagarse paso a paso hasta el peso correcto;

- Empuje ligeramente el volante sin contrapeso y espere hasta que se detenga. Con esa posición del cigüeñal, gire el volante de modo que el orificio para el contrapeso esté en la parte superior.

- Fije el volante e indique su posición relativa respecto a su eje haciendo marcas de banco con rayones opuestos en el núcleo del volante y el eje. Con eso será posible encontrar la posición relativa derecha del volante en su eje en caso de que se distorsione más adelante;

- Coloque el contrapeso de gran tamaño en el orificio del volante y vuelva a empujar el volante. Debido a que el contrapeso es demasiado pesado, el sistema se detendrá con el contrapeso en algún lugar debajo. Ahora el contrapeso debe apagarse poco a poco hasta que el sistema se detenga con una posición aleatoria completa del contrapeso. Un trabajo que consume algo de tiempo, pero importante para lograr la eliminación de la fuerza de gravedad de acción contraria y, con eso, una diferencia de temperatura mínima requerida para que el motor funcione.

Ad.2: Minimizando las fricciones mecánicas.

-Así como en el eje del volante, puse pequeños cojinetes de bolas en los extremos grandes de las dos varillas de transmisión. Según mi experiencia, es importante limpiar los rodamientos de bolas con un poco de alcohol de limpieza en seco, sin engrasarlos después de la protección. El engrase puede ser bueno para evitar el uso, pero esto no es relevante en este caso. Con los rodamientos de bolas secos y sin grasa, la fricción es muy baja.

-Para evitar fuerzas cruzadas coloqué las redes de levas en ambos lados del cojinete del volante. Los dos pivotes de las bandas de cigüeñal deben ser rectangulares perfectos para estas bandas para evitar la torsión de las barras de conducción mientras giran. Por la misma razón, las líneas centrales de las barras de transmisión deben coincidir exactamente con las líneas centrales de los dos cilindros.

Permanece la fricción del pistón de trabajo en su cilindro y el eje desplazador en su cojinete de deslizamiento. Para el pistón de trabajo utilicé grafito como material. Puede hacer este grafito extremadamente suave puliéndolo con un trozo de periódico entre el pulgar y el índice, girando el pistón en torno al torno. El grafito es un excelente autoengrase, lo cual es importante, ya que este pistón en funcionamiento nunca se puede lubricar, ¡cuán delgado es el aceite!

Por la misma razón, también hice el rodamiento deslizante para la varilla desplazadora de grafito, haciendo que el taladro fuera una fracción de tamaño inferior y luego lo escariado a un diámetro de precisión H6. La varilla de desplazamiento está hecha de material estándar que se puede comprar en cualquier lugar. El diámetro es preciso y suave, mejor que tú (yo) puedes hacerlo tú mismo. Esta varilla se mueve casi herméticamente y con muy baja fricción en el cojinete de grafito. Según mi experiencia, prefieres una fuga muy pequeña en lugar de una fricción demasiado alta.

Finalmente:

- Hice el desplazador a partir de la muy ligera pero rígida madera de Balsa con un núcleo de aluminio en el que se enrosca la varilla del desplazador. Si se quiere, se puede usar poliestireno en lugar de madera de balsa.

- Pegué una placa de cobre de 1 mm de espesor en la placa inferior para una conducción mejor y más rápida del calor de las manos hacia el aire en el sistema. La temperatura máxima final será la misma que con una placa inferior de aluminio sólido.

Con este conjunto de medidas, logro hacer un pequeño motor Stirling que puede funcionar con una diferencia de temperatura entre la placa del cilindro superior e inferior de aproximadamente 11 a 12 ºC, una gran mejora en comparación con la taza de café original Stirling que necesitaba de 40 a 45 ºC diferencia de temperatura.

El rendimiento de este motor.

El siguiente gráfico muestra la relación entre la diferencia de temperatura (eje x) entre la placa del cilindro superior e inferior y la velocidad de revolución (eje y) del motor. Para estas medidas coloqué el motor con la placa inferior en una lámina de agua con una temperatura de inicio de aproximadamente 50 ºC. Podría medir esta temperatura de manera exacta y fácil durante el enfriamiento con un termómetro de mercurio. La temperatura de la placa superior fue constante e igual a la temperatura ambiente.

Las condiciones para hacer funcionar el motor en la mano.

Las medidas tomadas como tales no son garantía de que este motor funcione con la mano en todas las condiciones, ya que siempre se debe alcanzar una diferencia de temperatura de al menos 11 ºC. La temperatura de la superficie de una mano humana puede variar mucho. En una mano fría, que puede tener después de una caminata exterior en el invierno, la temperatura de la placa inferior no supera los 22 a 24 ºC; en una mano normalmente cálida puede alcanzar 28 a 30 ºC máx. Pero incluso entonces el motor solo fallará si la temperatura ambiente (= temperatura del motor) es superior a unos 19 ºC. Poner el motor en un lugar frío por un tiempo resuelve el problema, pero es más fácil colocar medio cubo de hielo en la pequeña caja de aluminio que se puede colocar en la placa del cilindro superior. Puede ser que sea más o menos un remedio de "matar o curar", ¡pero es eficiente! Con estas medidas secundarias, el motor comienza a funcionar fácilmente siempre que la diferencia de temperatura se mantenga en 11 ºC o más. ¡Con este pedacito de hielo, este motor funcionará durante al menos media hora en tu mano, que generalmente se habla demasiado tiempo para soportar los calambres musculares en tu mano!

A temperaturas más altas a medida que ocurren cuando el motor se coloca en una taza con agua caliente, se puede alcanzar una velocidad de revolución de 400 a 600 rpm. El tiempo de ejecución varía de 1 a 1½ hora, dependiendo del tamaño y las propiedades de aislamiento de esta taza. Con un pequeño trozo de hielo en la caja de metal en la placa superior, este tiempo de ejecución se puede ampliar significativamente, ya que reduce el inevitable calentamiento de la placa del cilindro superior.

Por supuesto, el desafío final es eliminar el truco con el cubo de hielo. Pero para darse cuenta de que es necesario disminuir la diferencia de temperatura requerida de 11 ºC con algunos grados centígrados. En mi opinión, esto solo se puede obtener reduciendo sustancialmente las fricciones. Tengo dudas razonables de que tendré éxito en esto, pero lo intentaré; ¡ Ahora o nunca!

Plano de dibujo

Para este Stirling a baja temperatura hice un plano de dibujo CAD; click aquí para una solicitud.