Tema: motor stirling

Muy bien. Sí, creo que lo más importante fué lo del pistón de epoxy. Es adecuado para las temperaturas de trabajo y fácil de construir. Además, puede ocurrir como en mi caso, que el caño que conseguí no fuera hecho a torno sino por extrusión. A veces ocurre que no es perfectamente cilíndrico, entonces es muy dificil hacer un pistón que encaje. Pero al moldearlo dentro del propio cilindro esto no ocurre. Lo único con lo que debes tener cuidado en caso de que el caño no sea cilindrico es que el pistón siempre debe entrar en la misma posición en que fue moldeado para que no se "clave".
Igualmente insisto en que no es tanto problema hacer una biela elástica, porque antes de llegar al extremo, se tendrá una fuerza que se opone al movimiento, pero una vez pasado ese extremo, se tendrá la misma fuerza a favor. Suponiendo un muelle o resorte que sigue la ley de hooke. Y por otro lado. se usaría un resorte sumamente blando pues el desplazador es una pieza muy liviana y no necesita mucha fuerza para moverse. La idea de hacerlo de esta forma me surgió en un momento en el que estaba probando el motor con el desplazador sin vincular a la manivela, es decir, aplicaba calor y movia yo mismo a mano el desplazador. Yo movía de golpe el desplazador para un lado y el pistón hacía un semiciclo y cuando lo movía para el otro, el pistón hacía el otro semiciclo. Me pareció entonces que si lograba que el desplazador se moviera por si mismo de esa forma, el motor aprovecharía mejor la energía. Yo creo que una de las razones más importantes por las cuales el motor de Stirling se aleja del ciclo de carnot es justamente porque el movimiento del desplazador es senoidal. Por otro lado vi un par de diseños con bielas de desplazador hechas con alambre en "zig zag" (tipo resorte) y una filmación de un motor monopistón que arrancaba sin impulso inicial (selfstarting), en donde se escuchaba un "clic clic" que denotaba que había "saltos del desplazador" realizados bien con algún sistema elástico o magnético. Si vemos el diagrama de Carnot, vamos a ver dos discontinuidades muy claras. Si vemos el diagrama de un motor, aparece una elipse, formada por la composición de dos senoidales que intenta aproximarse a ese rendimiento pero nunca llega. Me inclino a pensar para lograr un mayor rendimiento, el secreto es dominar ese movimiento "discontinuo" del desplazador de alguna forma.

Pues si es cierto lo que dices. Si el apoyo del desplazador se opone al movimiento pero lo absorbe un muelle o algún tipo de enganche flexible, al recuperar nos devuelve la fuerza.

Y también es cierto lo del ciclo de Carnot, efectivamente el motor stirling hace una elipse suavizada sin esquinas. Puesto que el rendimiento depende del área de dicha elipse y el limite es el ciclo (con esquinas) de Carnot, entonces cuanto mas podamos
llevar la elipse a dichas esquinas, mejor rendimiento...

Sin embargo, yo creo que no hay que preocuparse demasiado del rendimiento (sin olvidarlo por supuesto), y pensar mas en la potencia, en el sentido de que con o sin esquinas, el rendimiento (entre focos con poco salto térmico) siempre va a ser
pequeño: Me da igual si saco un 0.17 o un 0.18 con 80 º o 90 ºC de dT. Lo que importa (a mi juicio) a nivel práctico es que se obtenga una potencia útil, con un rendimiento aceptable, aunque no sea óptimo, porque Sol sobra.

Ya sabes: ¡Lo mejor es enemigo de lo bueno!

Lo que si esta claro es que el desplazador debe dejar pasar el aire rápidamente, y ser muy mal conductor del calor. No se que material usas tu para el desplazador, yo estoy probando con madera de balsa taladrada y con mucha holgura con el cilindro. El tiempo que tarda en pasar el aire del lado caliente al frio (y viceversa) es importante que sea muy corto, para tener un amplio rango de régimen de revoluciones posibles.

No se si has probado a medir la potencia, poniendo en el eje unos imanes y alrededor unas bobinas de cobre esmaltado fijas, para sacar por fin la corriente (que es el objetivo, no nos olvidemos), es decir un "alternador integrado" en tu motor.

El alternador también puede servir (con la corriente alterna adecuada) como motor de arranque automatizado, ademas de como "monitor de potencia útil". Ya sabes: watios = voltios x amperios

Yo aun no he probado con la buena resina de epoxy para el pistón, pero es que ando fatal de tiempo. Estoy también recopilando todas las ecuaciones y formulas que se me ocurren que pueden ser útiles para diseñar motores stirling con las características que se deseen, cuando las tenga "un poco mas claras y limpias" las colgaré aquí para compartirlas con todos, especialmente contigo, a ver que opinas tu.

Eres muy minucioso y perfeccionista, SolarDish, justo lo que hace falta...

Me alegro mucho de tus éxitos y de conocerte. Espero que sigamos intercambiando experiencias enriquecedoras...

¡Animo!

internete
1234567

PD: A ver si entre todos somos capaces de diseñar buenos motores stirling que puedan ponerse "en fase de explotación" (ya sabes, baratos, fáciles de construir, robustos, estables, duraderos, con buen rendimiento, listos para conectar y usar, etc)... Porque comerciales prácticamente no los hay, y el mercado no los demanda (aun solo somos cuatro locos los que estamos interesados). Por mi parte haré todo lo posible por encontrar y publicar libremente los planos y formulas (incluso los abortos) del motor de 1 Kw entre temperaturas de agua liquida, que es lo que a mi me gustaría que el mercado ofreciese, y de momento no ofrece. No se si es que pido peras al olmo (probablemente sea así, pero me resisto a admitirlo, porque la teoría no lo impide de ninguna manera)...


De todas formas estoy muy lejos de conseguirlo. Tanto que aun sigo dudando si dedicar mas esfuerzos a una turbina de vapor, mas sencilla de construir y hacer funcionar, aunque mas complicada de calcular (es un follón, comparada con el motor stirling)... Ademas del inconveniente de que tienes que obtener vapor del sol y esto tampoco es fácil...

El motor stirling tiene mucho mucho futuro. Cualquier pequeño avance significa una gran victoria para desengancharnos del petroleo: Un Watio limpio y renovable vale mas que un Megawatio sucio y perecedero.

(Ando también haciendo números para ver si es posible lograr ionización de un gas por calor, con el fin de acelerar los iones sobre un campo magnético fijo y producir así corriente eléctrica, pero de momento solo es una paja mental, aunque muy simpática y curiosa, porque esto ya no seria una maquina térmica y no tendría, en teoría, las limitaciones de Carnot, pero el tema es de mecánica estadística que conozco bien pero aun no lo suficientemente bien, un tal Saha tiene formulas interesantes sobre este "plasma", pero es un terreno muy inexplorado todavía... Yo lo llamo "El generador solar de plasma", y por si llegase a funcionar, lo declaro NO PATENTABLE: http://www.sinpetroleo.org/nopatente.htm )

Es así, correcto, si consideramos que el sol sobra, no hace falta preocuparnos por seguir el diagrama por las aristas exactamente. Sabemos que al mundo natural le gustan las cosas contínuas, las funciones diferenciables y derivables, las cosas que giran, los círculos y las elipses. Tratar de hacer algo discontínuo para optimizar va a traer muchos problemas de inercias y desgastes. Mas dolores de cabeza que satisfacciones. Igualmente creo que hay que considerarlo para el caso de máquinas que trabajen con poca diferencia de temperatura y bien lento. En alguna página leí de una máquina de Stirling solar con un cilindro desplazador de 3 metros cuadrados de base. la cual se ponía al sol sin concentradores. Era una máquina lenta y de baja presion, pero gracias a su tamaño daba una buena potencia. Creo que en ese tipo de máquinas sí vale la pena tratar de seguir las aristas del ciclo, porque al tener movimientos muy lentos es mas fácil mover el desplazador en forma "rápida" para ganar rendimiento.
Para el caso de una máquina de 600rpm o más, en el centro de un concentrador, no tiene sentido.
El desplazador en mi caso lo hice de Telgopor, así se llama en argentina al foam usado para los vasos de helados (creo que es espuma de pliuretano pero no estoy seguro)
Igualmente creo que la balsa es una mejor opción porque soporta más temperatura. Con respecto a taladrarlo o dejarlo bien holgado, no fue mi caso. En realidad, en un principio lo hice con mucho espacio hacia las paredes, pero en mi segunda versión, achiqué ese margen. Es que como es un motor de baja diferencia, el desplazador tiene mucho diametro. Piensa lo siguiente, el cilindro motor tiene un diametro determinado, la conexión entre este y el cilindro desplazador debe ofrecer la menor resistencia posible al paso de aire, esto es, debe ser igual de ancha que el propio pistón, para que el aire se mueva libremente sin pasar por angostamientos. He observado que en muchos motores esto no se respeta y a mi me parece fundamental. Igual recordemos que el rozamiento del aire es aproximadamente proporcional a su velocidad así que para máquinas lentas no influye mucho. Pero por más que el rendimiento que se gane sea pequeño, todo suma. Entonces, yo pensé de la siguiente manera: lo importante para que el aire se mueva bien es que a medida que se mueve, el area transversal del conducto por el que se mueve no sea menor que el area del pistón. No se si me sigues hasta ahí, lo mío es pura intuición.
Pero de esta forma determino lo siguiente: La luz (el anillo que queda entre el desplazador y paredes, más la suma de los agujeros en tu caso) debe tener la misma área transversal que el pistón motor. Si lo hago más chico, habrá un angostamiento para el flujo de aire, si lo haces más grande, de nada te servirá pues el cuello de botella estará en el pistón, pero estarás desaprovechando la propiedad del desplazador de aislar las dos zonas. En definitiva, como el diametro del desplazador es enorme en comparación con el piston, entonces la luz debe ser pequeña

Mis planes no fueron tan grandes por el momento. Lo que yo hice fue algo muy modesto, solo para pruebas, ni siquiera tenía intenciones de medir, más que con mis propios sentidos. Pero sí, en un futuro me interesaría obtener algo de alto rendimiento para aprovechar la energía del sol y usarla. Voy a comenzar haciendo un motor para funcionar con una llama directa, para esto creo que voy a utilizar un desplazador de cerámica, pero todavía no comencé a hacer ningún plano.
Con respecto al gas ionizado, creo que te refieres a un generador magneto hidro dinámico (MHD). Se ha utilizado en embarcaciones solo en forma experimental pues no ha tenido muy buen desempeño. En el caso de fluidos líquidos, al aplicar corriente contínua entre los electrodos, se produce hidrólisis y corrosión. Para evitar esto, se usa corriente alterna de alta frecuencia, pero creo que igualmente todavía no funcionan demasiado bien. Lo que sí he leido es que aparentemente, si el fluído es un plasma, se pueden obtener buenos rendimientos. Estaban investigando la posibilidad de utilizarlo en centrales atómicas. No sé si en la actualidad se utiliza.

Hola Solar Dish:

He encontrado en un viejo libro de termodinamica una formula curiosa, que pienso que se puede usar para calcular la potencia de un motor stirling entre focos a temperatura constante. Es una formula derivada de estudios de mecanica estadistica clasica complicados, pero asequibles, sobre el movimiento estadistico molecular y su reflejo en las magnitudes macroscopicas.

La formula indica la cantidad (volumen) de gas encerrado que sale por un orificio por unidad de tiempo, pero puede usarse igualmente para calcular la cantidad de gas que choca contra la placa caliente.

dV
--- = S * sqrt(R*T/2*PI*M)
dt

Siendo: dV/dt el volumen en m3 que sale por segundo, por un orificio de superficie S (m2), cuando el gas está a temperatura T (ºK) y tiene una masa M por mol. R es la constante universal de los gases, y PI es la constante circular (3.14...)

Es curioso que la cantidad que sale (o choca en nuestro caso con la placa caliente) no dependa de la presion, aunque si de la masa molecular y la temperatura.

Esto permite calcular cuanto volumen de aire se calienta por segundo al chocar contra la placa caliente. La masa molar el aire es 0.0288 Kg/mol, y la constante R en sistema internacional es de: 8.314472 Kg m2 / K mol s2

A temperatura ambiente (298 ºK) salen 117 m3/s de aire por cada m2 de superficie de la placa.

Con esta formula, y la de los gases perfectos PV=nRT, se puede obtener la potencia del motor stirling con la siguiente expresion:

----------------------------------------
Pot = 19890 * DT * Vp * S / V (watios)
----------------------------------------

Siendo DT el salto termico entre las placas, Vp el volumen del cilindro de potencia (m3), V el volumen total (que es el del cilindro de desplazamiento, menos el del piston desplazador, mas la mitad del cilindro de potencia, tambien en m3), y S (en m2) es la superficie de contacto con el foco caliente. El resultado sale en watios. DT se puede dar en ºC o ºK, por supuesto.

El factor 19890 es el resultado de usar la formula de escape por orificio, y el calculo de n a temperatura ambiente. Usando todas las cantidades en sistema internacional de unidades.

Con esta formula y un salto termico pequeño de 65 ºK (Tf=298 K y Tc=363 K), un volumen de un litro, un volumen de cilindro de potencia de 0.1 litros, y una superficie de placas de 1 dm2, se tiene una potencia aproximada de 1.2 Kw

No se si todo es correcto, lo he repasado varias veces pero aun asi me parece mucha potencia. He tenido en cuenta la Tf para el calculo del "escape por orificio, o ritmo de calentamiento", y la ley de los gases para calcular la diferencia de presion:

DP = n*R*DT / V

Asi como esta para el calculo del par (ya que P = F / S --> F = P*S) y este resulta:

Par = Fuerza * Brazo = DP * Sp * Cp/2 = DP * Vp / 2

Siendo Sp la superficie del piston de potencia y Cp su carrera. La potencia final se calcula como Pot = Par * Vueltas, siendo estas ultimas las que se sacan de la formula del orificio.

Revisalo si quieres y me dices si ves algun pufo. Es curioso que el par no depende de la forma del cilindro de potencia, sino solo de su volumen (en contra de lo que pensabamos en anteriores comentarios).

Tambien es curioso que la potencia, asi calculada, dependa de la relacion entre Vp*S/V, lo cual indica que los motores con mucha S, mucho Vp y poco V (es decir los chatos y anchos con mucho piston de potencia) son los mas potentes para el mismo DT.



Saludos

internete
1234567

Hola a todos. Soy nuevo en el foro y me gustaría exponer algunas ideas sobre el Stirling y otras alternativas.
Creo que el objetivo de muchos de nosotros es realizar una pequeña central de energía de unos pocos kilowatios y si los resultados son buenos, llegar a los 50 kilowatios (un sueño). Para que la energía solar termoeléctrica pueda desarrollarse y tenga cierta importancia entre las energías alternativas no podemos quedarnos entre juguetes ni con curiosidades de 200 watios que no tengan perspectivas de ampliación de potencia. Las grandes centrales con turbinas se escapan de nuestras posibilidades y los motores Stirling carísimos también.
En principio el Stirling parece una opción adecuada, que nos ha seducido a todos por su sencillez aparente y por su alto rendimiento teórico (que dicho sea de paso es falso). He pensado mucho sobre este motor con objeto de mejorarlo pero en este momento me doy por vencido. Las pocas soluciones comerciales desarrolladas no tienen nada de sencillas y los altos rendimientos se han conseguido a costa de altas temperaturas de ciclo mas que por las caracteristicas del motor en si. ¿Qué queda de ese motor maravilloso?
¿Existen alternativas?
Pienso que una alternativa podría ser un motor de pistón que tenga un ciclo Brayton o similar. El hecho de tener tramos de presión constante permite separar el compresor del motor. El compresor ya está hecho: sólo hay que elegir un compresor comercial. El motor es un poco mas complicado.
Con unas temperaturas máximas del orden de 300º C obtenidas de un receptor cilíndrico parabólico se pueden conseguir rendimientos aceptables. Prefiero las soluciones realizables y que funcionan (espero) mejor que las soluciones maravillosas y problemáticas que no funcionan.

Pienso que el motor de combustion interna también tiene un rendimiento pésimo. Sin embargo se han realizado millones de mejoras durante todo el siglo 20 y lo que va del 21 y se sígue justificando su uso.
No veo por qué debamos dejar de investigar sobre el tema motor Stirling. Hay mucha gente en el mundo preocupada por la energía. Pienso que podemos atacar por muchos frentes. Quizás por este lado sea un fracaso. Pero si vamos a avandonar cada idea buena que aparece en el mundo solo porque nos "parece" que no va a funcionar, vamos mal.
No es que defienda al motor stirling como lo mejor del mundo pero pienso que vale la pena seguir investigándolo, por lo menos yo le voy a dedicar mi tiempo, al menos la teoría favorece al motor stirling. Yo (y creo que la mayoría de los de aqui) no tengo la capacidad de hacer un desarrollo a gran escala, por lo tanto lo único que puedo hacer son pruebas de "laboratorio". Nadie de aquí es científico, solo somos un grupo de apasionados tratando de buscar o entender los secretos de la naturaleza, de "encontrarle la vuelta" al mundo. Ojala pudiera salir de aquí algo revolucionario.
En este caso estamos hablando de tratar de mejorar un motor stirling, solo para ver si podemos implementarlo con nuestros recursos.
Podrías abrir un tema nuevo sobre tu alternativa. Yo seguiré hablando de motor stirling. Y la idea no es solo hablar sino hacer, y el stirling es accesible.
El "alto rendimiento teórico" no es solo teórico. Al menos se está tratando de que sea práctico. Se han construido sistemas con dísco y motor stirling con un 30% de rendimiento de conversión de energía solar a eléctrica. Eso no es poco. Los paneles fotovoltaicos solo llegan a un 15%. El motor que inicialmente tenía como limitante el hecho de tener poca relación peso potencia, ya no está tan limitado. El secreto era sellar todo el conjunto y presurizarlo. Así la nasa comenzó a interesarse por los motores stirling para el espacio. Global cooling fabrica motores de piston libre de alto rendimiento usados para refrigerar, son tan eficientes que se utilizan para heladeras portátiles que funcionan a baterías. Como en el caso de las colenmann. Se llegó a diseñar y probar un coche con motor stirling en la época de la crísis del petróleo, el cual tenía un motor de 60KW y 38,5% de rendimiento y gastaba un 30% menos de combustible que el de sus pares de combustion interna (y estamos hablando de un desarrollo de 1971) (ver informe DOE/NASA/0032-34, NASA CR-19780, MTI Report 91TR15).
Dean Kamen, invenor más reconocido de los últimos tiempos por desarrollos como la bomba casera de insulina y máquina de diálisis portátil, el chip "biológico" implantable, El Segway, la silla de ruedas que mantiene el equilibrio y sube escaleras, brazos artificiales de última tecnología y otros. Ha desarrollado un motor stirling que puede funcionar quemando estiercol de vaca para energizar una pequeña aldea y a la vez potabiliza agua con un alto grado de contaminación. Por otro lado lleva 10 años y 40 millones de dólares invertidos en un motor stirling para un coche híbrido que funciona con una amplia gama de combustibles, e incluso recuperaría energía del calor producido por el propio motor eléctrico.
Ahora me preguntas: Deseas Abandonar?
Obviamente no.

De acuerdo casi en la totalidad con Solar Dish, excepto en lo de "no somos cientificos".

Yo estudié Ciencias Fisicas en la Universidad Complutense de Madrid.

No soy profesional, porque no me gano la vida con la fisica (excepto por algunas clases particulares a alumnos de bachillerato que doy en ratos libres). Soy un simple cientifico aficionado, pero se muy bien lo que digo. Me repugna usar el "argumento de autoridad",
y por eso no suelo hablar de mis estudios formales.

Prefiero sacar mis formulas y calculos para debatirlos y contrastarlos: Siempre puedo equivocarme, como cualquiera. Y cuatro ojos (o dieciseis) siempre ven mas que dos.

Sin embargo, sobre lo que digo de "calcular la potencia del motor stirling" por razonamientos de mecanica estadistica (plenamente contrastada y que explica todos los resultados clasicos de la termodinamica, basandose simplemente en el movimiento molecular estadistico), estoy "bastante convencido", sin llegar a descartar algun error de planteamiento, que de momento (y despues de darle muchas, muchas vueltas) no vislumbro por ningun lado. Tendre que darle mas vueltas, porque me encanta descubrir que me equivoco, ya que asi es como mas aprendo...

Siguiendo con el modelo de "choque molecular contra la placa caliente de la formula de salida de un gas por un orificio", acabo de encontrar que es perfectamente compatible con el rendimiento maximo teorico de carnot.

En mi modelo de motor stirling de V=1 litro, S=1 dm2 de superficie de placas y Vp=0.1 litros de cilindro de potencia, la cantidad de calor cedida del foco caliente al frio por unidad de tiempo (calculada como la masa de aire que se calienta y se enfria por unidad de tiempo) resulta ser de unos 90 Kw, con lo que el rendimiento es de 1.2/90=0.0133, perfectamente dentro del limite de carnot: DT/Tc = 65/363 = 0.17

Cierto es que no he considerado para nada los rozamientos, y que he supuesto que se pueden mantener las temperaturas de los focos perfectamente fijas (cosa imposible a no ser con focos con una masa espectacular), pero el caso es que el calculo parece funcionar dentro de lo admisible.

internete
1234567

PD: Con este rendimiento mierdero de 0.0133, hay que echar toneladas de sol para sacar el kilowatio de marras, pero esto no es lo importante... Ademas, ya sospecho porque los motores reales tienen un rendimiento mucho mejor: Hay una curva de distribucion de velocidades moleculares dada cierta temperatura (distribucion de Maxwell) que no he tenido en cuenta y que me parece que permitiria obtener un modelo mucho mas fino y acorde con la realidad, que insisto es mucho mejor (en rendimiento, aunque no se si en potencia) que mi calculo.

Como diria un famoso payaso de la tele "Estamos trabajando en ello..."

Mi conclusion actual es: El rendimiento y la potencia de un motor Stirling se pueden calcular, o por lo menos modelizar, sin tener que construirlo y medirlo. Lo cual no significa que no haya que construirlos y medirlos. Mas bien todo lo contrario...

Quizás no se entendió bien lo que quise decir. En realidad a lo que me refería es a que no somos un grupo de científicos trabajando codo a codo en un proyecto full time sino que hay gente de variadas procedencias y nadie pide el curriculum para ingresar aquí. Más bien lo que importa es la voluntad de hacer cosas, aprender, equivocarse etc. Y que al no estar trabajando realmente en un grupo sobre un proyecto específico, se hace mucho más dificil concretarlo pues cada uno debe hacer su mini proyecto por su cuenta.
Yo prefiero no mencionar mis estudios, lo que importa es lo que estamos "estudiando ahora". Nunca tuve una materia en la que se viera termodinámica en profundidad, así que ahora estoy tratando de aprender algo, no me alcanza el tiempo pues estoy en una etapa bastante complicada.
Alguna vez leí algo sobre el enfoque estadístico de las partículas con movimiento browniano chocando con una placa. Pero en realidad los estudios y cálculos que ví sobre el motor stirling eran todos desde un punto de vista más clásico PV = nRT etc.
Como no conozco casi nada de termodinámica no entiendo bien esa frase (o ecuación) que dice que el rendimiento es mayor cuando la diferencia de temperaturas es mayor. A simple vista parecería obvio, pero yo no le encuentro sentido. Debo ponerme a leer o esperar que alguien me lo explique y se vea intuitivamente.

Si lo que te preocupa es calcular un motor stirling antes de armarlo, eso ya está resuelto. Aquí te paso una página en la que hay una calculadora en donde introduces las dimensiones y temperaturas y te devuelve la potencia y el rendimiento.

http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/a...le/simplee.htm

Supongo que los resultados que arroja deben ser bastante aproximados. Con que tengan un 10% de error cualquiera de nosotros debería conformarse. No sé si tiene sentido darle tantas vueltas a algo que ya se usa y esta probado, supongo que los que diseñan motores stirling usan cálculos bien conocidos y obtienen resultados que se condicen con esos cálculos. Se les puede dar otro enfoque pero llegaremos a los mismos resultados.
Pudiste hacer el pistón de epoxy?