Primera variante

Un motor metálico de tubos concéntricos 

Como en todo desarrollo las primeras etapas son conseguir información y  definir las especificaciones que debe cumplir la maquina a desarrollar.

Decidí que el motor en cuestión debería funcionar en forma estable por lo menos media hora y que la fuente de energía debía ser una vela. Aún sabiendo que, según la información obtenida, no iba a resultar un objetivo fácil de lograr. Estas pequeñas velas  duran unas cuatro horas y si esto cierto producen una potencia media del orden de 5 vatios. Midiendo la variación del peso he visto que al principio la potencia es del orden de 20 vatios y disminuye mucho cuando se funde toda la parafina.

La justificación es que si funciona poco tiempo mi sobrino y sus amigos no tendrían tiempo a cansarse, y si usáramos una fuente de calor mas poderosa, no quiero imaginar que podrían hacer.

Encontré muy buena información en http://www.nmia.com/%7Evrbass/pop-pop/buildpop.htm pero, con los tubos que pude conseguir, y con las especificaciones que me impuse, no obtuve buenos resultados con el diseño que muestra dicha página.

Probé unas cuantas variantes, y finalmente llegué a una serie de conclusiones

1)Conviene usar tubos de pared delgada. 

Como el motor funciona gracias al gradiente térmico que se establece dentro del tubo, necesitamos que la conducción del calor en el sentido longitudinal sea la menor posible y la transversal lo mayor posible. El objetivo es que el gradiente sea grande y se llegue a temperaturas menores a la de ebullición lo mas cerca posible de la llama con lo que la cantidad de agua que interviene en la oscilación sea máxima.

2) Conviene que la resistencia térmica del material del tubo sea relativamente alta (acero inoxidable).

En el sentido transversal a la resistencia térmica en las superficies en contacto con el aire y el vapor parecen, según mi experiencia, bastante mayores que la de la pared del tubo por lo que no influye demasiado el material del tubo sobre el pasaje de calor entre la llama y el vapor. Pero si aumenta la resistencia térmica longitudinal en forma notable.

3)Conviene aumentar el volumen de la burbuja de vapor.

Dentro de este sistema oscilatorio la burbuja es el elemento elástico y un aumento del volumen producirá un aumento de la amplitud con lo que se aprovechará mejor el gradiente obtenido.

4)Conviene usar tubos de pequeño diámetro.

Como la transferencia de calor entre el vapor y el medio se produce a través de las paredes del tubo, es importante que el diámetro del tubo sea pequeño (en la zona donde se establece la oscilación) para que la relación entre superficie y volumen del cilindro sea mayor y la transferencia mas eficaz. Las mismas condiciones optimizan el otro mecanismo importante, que es el efecto refrigerante que produce la columna de agua oscilante sobre las paredes del tubo (cual mecanismo es el dominante dependerá del espesor de la pared y su material).

Estas conclusiones me parecen razonables pero pueden ser totalmente erróneas, sin embargo me basé en ellas para hacer un motor que funcionó.

Es una variante que usa dos tubos concéntricos. El tubo exterior cerrado en un extremo y con una tapa atravesada por el tubo interior en el otro.

Lo hice en acero inoxidable torneando las piezas, el tubo exterior era de 40 x 7 mm con pared de 4 décimas, y el interior de 4 mm con el mismo espesor maquinado en una pieza con la tapa. Finalmente se soldó a la tapa un tubo de bronce de 3 mm diámetro interno para prolongar el tubo interior.

A pesar de que se debe purgar el aire calentándolo y dejándolo enfriar dentro del agua, una ves que ingresó algo de agua en la cámara al aplicársele la llama el motor se termina de purgar solo y comienza a funcionar en forma bastante estable.

Para mostrarlo he vuelto a construir uno torneando y agujereando  una varilla de acero inoxidable quedando un tubo exterior de 35 x 7 mm  de 4 décimas de pared y un tubo interior de 4,25 mm y 5 décimas de pared, al  armarlo el extremo del tubo interior llega a unos 2 mm de la base del tubo exterior. El tubo de bronce es de 3,8 mm diámetro interno y unos 7 cm de largo. Se lo maquinó de forma que las piezas encastren con ajuste forzado por lo que no tiene soldaduras.

 

Funcionando con un mechero de alcohol (archivo mov de quicktime)

También funciona con una vela como las usadas para la próxima variante, pero como la potencia de la vela es menor que la del mechero, si no recuerdo mal, funcionaban mejor los que hice originalmente (paredes algo mas delgadas y cámara mas larga). 

Hay que buscar el ángulo para el que funciona mejor, pues este afecta la forma de la burbuja de vapor y por lo tanto el funcionamiento. En este tipo de motores el ángulo (respecto de la horizontal) debe ser bastante pequeño.

La idea parecía buena porque:

1)se produce una burbuja bastante grande.

2)al no estar el tubo interior en contacto directo con la llama su temperatura será un poco menor a la del exterior y el vapor sufre un pequeño enfriamiento al ingresar al tubo interior. Se incrementa el gradiente.

3)si el agua del tubo interior ingresa dentro de la cámara enfriará la burbuja de vapor estimulando el ingreso del agua y aumentando la amplitud de la oscilación.

Una forma de saber si esto es así, era verlo y se me ocurrió hacerlo con vidrio.

Esto origina la segunda variante