Motor stirling

1 Alcance

Hasta ahora me he limitado al diseño y la construcción de modelos pequeños de Stirling solo para poder exhibir sus trucos en una sala de estar. Los considero más o menos como adornos técnicos, por lo que la atención se centra más en el diseño y la operación segura, aparte de la alta potencia y el rendimiento excepcional.

Así que mis experiencias con los motores Stirling se limitan a este tipo de pequeños modelos.

Abajo un bosquejo de un principio de Stirling; click aquí para más detalles sobre el principio de Stirling.

2. El "valor" de un modelo de Stirling.

En comparación con los motores de vapor y de combustión interna (IC), los motores Stirling tienen una potencia relativamente baja porque la presión sobre el pistón de trabajo es solo una fracción de la atmósfera absoluta. Para modelos pequeños, incluso hay que tomar medidas especiales para que funcionen sin problemas y sin carga externa. No espere conducir nada significativo con él, a menos que se apliquen desaceleraciones importantes.

Pero esta objeción desaparece completamente cuando uno tiene un ojo para las otras fascinaciones de los motores modelo de Stirling. A menudo impresionan con su sorprendente sencillez. Además, son muy "amigables", no necesitan incendios pesados, altas presiones, vapor, tendencias de condensación de condensados, etc. Es fácil dejarlos correr sobre una pequeña llama de vela e incluso en una taza con agua caliente, café o té. A veces incluso es posible dejarlos correr en una mano humana cálida.

Arneses muy amigables y directos que exigen asombro y admiración en una demostración, incluso para espectadores no técnicos. Probablemente no sea una coincidencia que recibo muchas solicitudes de colegas constructores de modelos para dibujar planes para hacer estos modelos e impresionar a sus familiares y amigos. La producción en serie generalmente no es el estilo de un modelador, pero a veces un modelo de Stirling es un regalo único y apreciado para un buen amigo. En promedio, las horas para hacer este tipo de modelos de Stirling son entre 50 y 70 horas netas.

3. Consejos al crear un modelo de Stirling.

1. Debido a la baja potencia, es importante que las fricciones y otras fuerzas de acción contraria estén limitadas a un mínimo. Especialmente para las piezas de rotación rápida, es aconsejable aplicar rodamientos de bolas pequeños de los aceites y grasas que se lavan con nafta de limpieza en seco. También se debe prestar especial atención al paralelismo y la alineación de todas las partes giratorias y las partes relacionadas con eso. ¡Nunca aplique anillos de metal o de goma en el pistón de trabajo porque introducen una fricción fatal!

2. La potencia del motor es realmente generada por la temperatura variable del volumen de aire incluido en el sistema y los cambios de presión asociados en el pistón de trabajo. Por lo tanto, este sistema de aire debe estar lo más libre de fugas posible. El desafío es darse cuenta de que a lo largo del eje del desplazador y el pistón de trabajo con la menor fricción posible al mismo tiempo.

Con respecto al eje del desplazador, tengo la mejor experiencia con el material de varilla estándar que es suave y con un diámetro preciso que se desliza en los cojinetes de bronce o acero comerciales asociados. Con los arbustos de grafito hechos en casa también tengo buenas experiencias, pero a veces es difícil obtener pequeñas cantidades de grafito.

El orificio en el cilindro de trabajo debe ser bien cilíndrico y suave, lo que va bien con el escariado como la última operación. La holgura del pistón debe ser para que permanezca con el pulgar contra el orificio del cilindro y luego se caiga rápidamente cuando se retira el pulgar y ¡sin lubricación con aceite! La lubricación de los pistones de trabajo de Stirling es desastrosa en la mayoría de los casos, el motor funcionará mal con eso y la mayoría del tiempo no funciona en absoluto. El aceite reduce el desgaste y el desgaste, pero esto no surge en este tipo de modelos pequeños y de funcionamiento lento.

3. El diámetro del desplazador debe ser de 1 a 2 mm más pequeño que el diámetro interno del cilindro caliente, pero esto no es muy crítico. A lo largo de esta brecha entre el desplazador y su cilindro, el aire en el sistema se mueve cíclicamente desde la zona caliente a la zona fría del sistema y viceversa, causando presiones alternas en el pistón de trabajo con el resultado que se mueve hacia adelante y hacia atrás. De hecho esto entrega la potencia del motor.

De gran importancia es que el desplazador en ninguna parte toca su cilindro porque causa una fricción casi inmediata fatal. La altura o longitud interna del cilindro caliente debe ser un poco más grande que la carrera del desplazador, lo suficiente para no tocar nada. En principio, un espacio significativamente mayor causará alguna pérdida de potencia, pero eso no parece ser tan crítico.

4.El rendimiento de un motor Stirling depende principalmente de la diferencia de temperatura entre el cilindro caliente y el frío. Dependiendo de la construcción, puede ser necesario proteger el cilindro frío de la llama que calienta el cilindro caliente para mantener la diferencia de temperatura lo más grande posible.

5. Con un contenido de volumen relativamente bajo del cilindro caliente, la temperatura debe realizarse a varios cientos de grados para obtener suficientes diferencias de volumen / presión de aire. En ese caso, el plástico no se puede aplicar como material para el cilindro caliente, por supuesto. En mi opinión y experiencia, el vidrio es el material preferido en ese caso, porque la conducción de calor a través del vidrio a la parte fría del motor es muy baja. Eso también facilita la construcción porque no necesita material de aislamiento térmico entre el cilindro caliente y el cilindro frío. Un cilindro de vidrio en el caso de un Stirling de alta temperatura se puede fijar fácilmente de forma mecánica y hermética al mismo tiempo con una junta tórica de goma.

4. La relación entre las dimensiones del desplazador y el pistón de trabajo.

La expansión y contracción del aire atrapado en el motor es un proceso termodinámico bastante complejo. Los cálculos no son muy fáciles porque el borrado de la temperatura del aire y, por lo tanto, la expansión y contracción del aire dependen de varios factores, como los coeficientes de transferencia de calor de los materiales utilizados, la velocidad del aire con lo que se mueve del calor. a la zona fría y viceversa, y al patrón de flujo del aire en el sistema. Esto dificulta el cálculo de las temperaturas del aire precisas y variables y las fluctuaciones de la presión. Puede medir las temperaturas de los cilindros fríos y calientes en el exterior, pero la temperatura del aire en el interior será considerablemente más baja que la del cilindro calentado. Pero con un poco de física y experiencias "básicas" seguramente puedes obtener una buena idea sobre la mejor relación entre las dimensiones del desplazador y el pistón de trabajo:

1. El volumen de aire del sistema no es constante porque el pistón de trabajo en él sube y baja. Por lo tanto, este cambio en el volumen está totalmente determinado por la elección del diámetro del pistón de trabajo y su carrera, y esto se define puramente mecánicamente. Idealmente, el cambio en el volumen del aire en el sistema por el calentamiento y enfriamiento del mismo debe ser igual al cambio en el volumen del pistón de trabajo causado por la construcción mecánica.

Si el cambio de volumen por el calentamiento y enfriamiento del aire es mayor que el cambio de volumen del pistón de trabajo (carrera x diámetro), el motor siempre funcionará. Sin embargo, debido a que en este caso el diámetro del pistón de trabajo podría haber sido algo mayor, la potencia del motor no es totalmente óptima.

Si el aumento de volumen como resultado del calentamiento del aire es menor que el cambio de volumen del pistón de trabajo (carrera x diámetro), el pistón causará fuerzas de acción contraria en un cierto punto del ciclo porque el pistón se acumulará. una mayor presión, una menor presión en el sistema, respectivamente, que la que es el resultado del calentamiento y enfriamiento del aire. En ese caso, el motor funcionará mal o no funcionará en absoluto.

Como se mencionó, se logra así una situación óptima cuando los cambios en el volumen por el calentamiento y el enfriamiento del aire son iguales a los cambios en el volumen del pistón de trabajo como consecuencia de su diámetro y carrera. Sin embargo, esta situación no se puede realizar, al menos no todo el tiempo porque la temperatura a la que ocurre en realidad es una "coincidencia".

Para asegurarse de que el motor esté funcionando siempre y sea confiable, esto significa que el diámetro x carrera del pistón siempre debe ser algo más pequeño de lo que es teóricamente necesario, aceptando una pérdida de potencia distinta del riesgo de que el motor funcione mal o no funcione correctamente.

2. Como se dijo, el cálculo teórico de las relaciones de geometría óptimas entre el pistón y el desplazador es muy difícil debido al proceso termodinámico bastante complejo. De hecho, solo es posible determinar en la práctica si las relaciones seleccionadas están bien elegidas de la siguiente manera:

- Desconecte la varilla de accionamiento del pistón de trabajo al cigüeñal para que este pistón pueda moverse libremente en su cilindro (con un curso de baja fricción);

- Caliente el cilindro caliente y gire el volante de manera manual con la velocidad esperada con el motor a la temperatura de funcionamiento normal y luego mire (o mida) la carrera libre que el pistón de trabajo está realizando en su cilindro debido a los cambios de presión en el cilindro. el sistema;

- La carrera libre del pistón de trabajo debe ser al menos igual a la carrera cuando el pistón está acoplado al cigüeñal, pero nunca debe ser más pequeño. Si la carrera del pistón es menor en esta prueba, el cambio de volumen del pistón de trabajo debido a su diámetro y / o carrera es demasiado grande.

3. La expansión del volumen absoluto y la contracción del aire que se produce debido al calentamiento y enfriamiento cíclicos, no solo depende de las diferencias de temperatura entre el cilindro caliente y frío, sino también del contenido total de aire en el sistema. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura y / o el contenido de aire del sistema, mayor será el cambio en el volumen / presión. Por lo tanto, esto significa que cuando el volumen de aire es mayor, la diferencia de temperatura puede ser menor para que el motor funcione. Por ejemplo, esta es la razón por la que los modelos Stirling que pueden funcionar en una mano humana con temperaturas muy bajas siempre tienen un diámetro relativamente grande (volumen de aire) del cilindro desplazador. A la inversa, también significa que cuando el volumen en el cilindro del desplazador se hace más pequeño, la temperatura de calentamiento debe ser mayor, asumiendo que la temperatura en el lado del cilindro frío es bastante constante; un poco más alto que la temperatura ambiente en circunstancias normales

4. Así que todo tiene que ver con la relación correcta entre los dos volúmenes: el volumen de desplazamiento del pistón de trabajo (diámetro x carrera) que llamaremos aquí "Vp" y el volumen de aire total del sistema que llamaremos " Vs ". Así que no solo es el diámetro del pistón y del desplazador, aunque, por supuesto, determinan estos volúmenes de manera significativa.

El volumen de aire total en el sistema (Vs) es igual al volumen del cilindro desplazador (Vd) más el volumen de carrera Vp del pistón de trabajo. La holgura del desplazador en su cilindro es pequeña (en algún lugar del orden de 1 mm), por lo que podemos ajustar el volumen del cilindro del desplazador por conveniencia igual al diámetro del desplazador y su recorrido. Entonces obtenemos:

Vp = superficie x carrera del pistón de trabajo;

Vd = superficie x trazo del desplazador;

Vs = volumen del sistema = Vp + Vd

5. Presentamos aquí el término de relación: R = Vs / Vp, o R = (Vd + Vp) / Vp. Entonces, esta es la relación entre el volumen total del sistema y el volumen de desplazamiento del pistón de trabajo. Este término es bien manejable para determinar la mejor relación entre el diámetro y la carrera del desplazador y el pistón de trabajo. El valor óptimo para R ahora solo depende de la diferencia de temperatura aplicada entre el cilindro del desplazador caliente y el cilindro de trabajo en frío. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura aplicada, menor será el volumen del desplazador con el mismo cilindro de trabajo debido a la mayor expansión del aire y viceversa.

6. Aquí proporciono los mejores valores para el término de relación R en el caso de los tres tipos comunes de modelos de Stirling, en base a mis experiencias y asumiendo que los movimientos del desplazador y el pistón de trabajo son iguales:

- Para un "Stirling a alta temperatura" en el que un cilindro caliente de vidrio o metal se calienta hasta 300 a 400 grados Celsius (o más) con una llama, el valor óptimo para R es de 1 a 2, lo que significa que el diámetro del desplazador puede ser aproximadamente lo mismo que el del pistón de trabajo o un poco más grande que eso.

- Para una "Taza de café Stirling", que se calienta en una taza de agua hirviendo a un máximo de 60 a 100 grados Celsius, el valor óptimo para R es aproximadamente 50, lo que significa que el diámetro del desplazador debe ser aproximadamente 7x mayor que el diámetro del pistón de trabajo (raíz cuadrada de 50); nuevamente, suponiendo que los movimientos del desplazador y el pistón de trabajo sean iguales a los mencionados anteriormente.

- Para un "Stirling a baja temperatura" que puede ejecutarse en una mano humana, por ejemplo, con una diferencia de temperatura de aproximadamente 10 grados Celsius, el valor de R debe ser al menos 100, lo que significa que el diámetro del desplazador debe ser aproximadamente 10 veces mayor Que el diámetro del pistón de trabajo.

Finalmente:

Por lo tanto, el valor de R está determinado por cuatro parámetros independientes de los cuales la mayoría del tiempo dos o incluso tres se eligen de antemano por razones prácticas sobre la base de las dimensiones deseadas del motor y / o los materiales disponibles. Según mi experiencia, para este tipo de modelos Stirling, la carrera del pistón y del desplazador no debería elegirse demasiado pequeña, porque entonces el par en el cigüeñal se vuelve desfavorable y causa un mal comportamiento mecánico. Una carrera entre 10 y 20 mm, tanto para el desplazador como para el pistón de trabajo, es una buena opción en mi opinión y una carrera de 5 mm es prácticamente lo mínimo. Por lo general, hay pocas razones para hacer los movimientos del desplazador y el pistón de trabajo de manera diferente.

Por lo tanto, con estas suposiciones (los mismos movimientos) solo se puede hacer una elección para los diámetros del pistón y el desplazador. Si uno elige uno de los dos diámetros, el otro puede calcularse simplemente con la relación R = (Vd + Vp) / Vp, donde el valor de R se debe completar en función del tipo de Stirling (temperatura alta, taza de café o baja). tipo de temperatura).

5. La importancia industrial de los motores Stirling.

Muy a menudo recibo preguntas sobre aplicaciones prácticas de motores Stirling. Mi experiencia con los motores Stirling está restringida a modelos pequeños, y no soy un científico en este campo, pero tengo una opinión puramente personal sobre las perspectivas de la importancia práctica de los motores Stirling:

Los motores Stirling tienen una potencia relativamente muy baja porque la presión alterna en el motor es muy baja: una décima parte de la atmósfera, no más. Esto es aproximadamente 20 veces (o más) más bajo que con los motores de vapor o motores de combustión interna donde las presiones (dinámicas) como de 10 a 20 bar son comunes.

El principio de Stirling ya tiene más de 100 años y, durante más de un siglo, numerosos científicos de alta clasificación han intentado desarrollar motores Stirling para aplicaciones prácticas útiles. Hasta ahora casi no hay ejemplos convincentes y, si existen, son marginales. La única forma es hacerlos muy grandes y / o suministrarles mucho calor. Vi un motor industrial Stirling con más de 2 metros de diámetro impulsado por energía solar en un postre que bombea unos 5 litros de agua por hora; esto para darte una idea En YouTube a veces ves este tipo de experimentos:

http://nl.youtube.com/watch?v=fUrB7KRvxUk

Pero este motor está conduciendo apenas más que su propio mecanismo.

También he visto un proyecto experimental con muchos motores Stirling grandes en un desierto operado por energía solar. Pero, según se informa, la inversión fue enorme y el mantenimiento costoso y muy costoso, al menos en comparación con proyectos similares con paneles solares que se pueden encontrar cada vez más en estos días.

En el medio 1900, hubo un gran proyecto en el famoso Philips Physical Research Center para investigar si era posible hacer un motor Stirling para uso práctico en cuánto tiempo y dinero se invirtió. Aparte de los artículos científicos apreciados y valiosos en todo el mundo, no resultó en algo práctico, a excepción de un pequeño instrumento de laboratorio para producir temperaturas muy bajas en un lugar pequeño para investigaciones de laboratorio especiales a estas temperaturas ultra bajas. Aquí se aplica el proceso inverso de un Stirling: el motor es accionado por un motor eléctrico y el lugar donde normalmente se suministra el calor se vuelve muy frío. ¡Con un aislamiento térmico extremadamente bueno es posible hacer temperaturas cercanas al punto cero absoluto! Pero aquí el objetivo no es hacer una fuente de alimentación eficiente, sino hacer un equipo de laboratorio pequeño y práctico.

Con técnicas muy especiales es posible generar un poco de poder que de otra manera se perdería. Actualmente se está desarrollando el uso de un motor Stirling en sistemas de calefacción central que utilizan la diferencia de temperatura entre el tubo caliente y la línea de retorno del enfriador, lo que hace que se agregue algo de electricidad al suministro eléctrico de la bomba de agua de circulación. Pero a pesar del ingenio, el conocimiento y las técnicas especiales, los efectos no son muy espectaculares por el momento; La historia más optimista es que la eficiencia de todo el sistema se mejorará en aproximadamente un 2%, mientras que los costos adicionales y el mantenimiento son tan altos que casi no tendrá un retorno de dinero significativo.

El poder de mis pequeños modelos será de menos de 5 vatios, lo suficiente para impulsar su propio mecanismo, siempre y cuando lo haga todo con muy baja fricción. Para darte una idea: mis motores son absolutamente incapaces de conducir una dinamo de bicicleta.

Los motores Stirling de modelo normal solo contienen aire en el sistema. Lleno de helio, el rendimiento es mayor, pero la construcción es desproporcionadamente más difícil porque todo tiene que ser absolutamente 100% a prueba de fugas para el gas de helio muy "delgado" que requiere una técnica muy especial, especialmente en las partes móviles. En los modelos más grandes, se suelen aplicar regeneradores para aumentar el rendimiento al 30% y, en casos excepcionales, al 40%; Algo más alto que los motores de vapor o de combustión interna. Pero esto requiere técnicas realmente especiales que no son absolutamente factibles para un constructor de modelos amateur, creo.

Los motores Stirling estimulan la imaginación ya desde hace mucho tiempo porque pueden ser alimentados con todo tipo de fuentes externas de calor como radiación solar, estufas de leña, etc. Pero si uno quiere usar energía solar para aplicaciones prácticas, las células solares o las calderas de agua aún son mejores alternativas porque No sufren pérdidas de fricciones mecánicas. Es por eso que los paneles de células solares son bien conocidos y bastante comunes para hacer uso de la energía solar.

Otra cosa es que los motores Stirling necesitan una diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío del motor. Si coloca un Stirling de este tipo en una estufa o en un entorno con radiación solar caliente (como en un postre), el lado frío también se calentará gradualmente con el resultado de que el motor funcionará cada vez más lento y finalmente se detendrá la mayor parte del tiempo.

Así que, en mi humilde opinión, es difícil (o incluso imposible) hacer un motor Stirling pequeño y razonable con un poder real y significativo por el momento. Si ese fuera el caso, debería haber muchos ejemplos, y hasta ahora no he encontrado ninguno de ellos en todo el Internet, al menos no para la venta o el plan de dibujo.

En resumen, puedo recomendar los motores Stirling como modelo, pero no alentaré a nadie a que intente hacer una aplicación práctica real porque creo que está condenado a una decepción basada en la teoría existente y también por el hecho de que Los mejores científicos e industrias realizan una gran cantidad de trabajo sin un éxito convincente. Si hubiera motores Stirling con dimensiones y precio de costo aceptables utilizando energía solar u otro calor residual que pueda producir una cantidad razonable de vatios (20 50, 100 o más), definitivamente estarían a la venta en algún lugar, pero ese no es el caso. . Puedes buscar en todo el Internet, pero no puedes encontrarlos, y eso aún te hace pensar. Es un malentendido común por el momento que puede hacer motores Stirling pequeños razonables para aplicaciones prácticas serias que puedan competir con varias soluciones alternativas, como paneles de celdas solares o molinos de viento.

Pero los motores Stirling son cosas hermosas para modelar: fáciles de hacer, llamativas, muy amigables, seguras y fáciles de demostrar en la mesa de su sala de estar; éxito garantizado al demostrarlos, incluso para espectadores sin orientación técnica. Pero no espere mucho más de este (mi) tipo de modelos de Stirling que manejar su propio mecanismo y eso solo si los hace muy precisos con las menos posibles fricciones y casi sin fugas.

Esta es mi experiencia y solo mi humilde pero sincera opinión. Estaré encantado de cambiar eso por otro más positivo si se debe basar en pruebas convincentes.