Un motor Stirling como cualquier máquina térmica comprende los cuatro procesos básicos de compresión, calentamiento, expansión y enfriamiento. El gas que realiza el trabajo nunca abandona las fronteras del sistema y su funcionamiento se basa en la expansión y compresión de este, por medio de su calentamiento y enfriamiento respectivamente.
La configuración más básica de estos motores consiste en un juego de pistones,
intercambiadores de calor y un elemento llamado “regenerador”. El fluido puede ser aire (más común), helio, hidrógeno o nitrógeno. Los pistones son organizados de tal forma que ambos crean un cambio en el volumen del fluido de trabajo y establecen un flujo neto hacia los intercambiadores de calor, de esta forma el calor es absorbido de una fuente exterior para crear energía mecánica y luego regresado al ambiente a través de su parte fría. La figura 5 muestra el esquema básico de un motor Stirling tipo beta, el cual fue escogido para este proyecto.
Figura 5. Partes del motor tipo Beta para analizar con el ciclo Schmidt.
DB = Diámetro del desplazador.
DD = Diámetro del eje del desplazador.
DC = Diámetro interior del cilindro.
HD = Volumen muerto en la zona de alta temperatura, (cm3).
2RC =Carrera del desplazador, (cm).
RD = Volumen muerto del regenerador, (cm3).
CD = Volumen muerto en la zona de baja temperatura, (cm3).
2R2 = Carrera del pistón de potencia, (cm).
DISEÑO DEL MOTOR
Las dimensiones del motor mostradas en la figura 5 se modificaron reiteradamente, con el fin de hallar la configuración que permitiera al motor entregar un mayor trabajo por ciclo. El trabajo se obtuvo usando como base de cálculo el ciclo Shcmidt para motores Stirling, en el cual el pistón de potencia y el pistón de desplazamiento se mueven sinusoidalmente. El proceso que permitió encontrar la mejor opción de diseño del motor, se resume en el diagrama de la figura 6.
Figura 6. Diagrama del proceso seguido para el diseño del motor.
MODELACIÓN GEOMÉTRICA
Después de haber realizado los cálculos termodinámicos y tener claras las dimensiones del motor, lo siguiente era crear un modelo 3D (figura 7) que permitiera el análisis de cada una de sus piezas y como se relacionarían estas entre sí. Con la ayuda del programa SOLIDWORKS se creó la representación 3D de las piezas, se unieron en un ensamble, luego se simuló su movimiento para analizar como sería el comportamiento mecánico del motor en la realidad y finalmente se realizaron los planos de taller para su construcción.
Figura 7. Modelo parcial 3D del motor.
MANUFACTURA DEL MOTOR
Los materiales seleccionados para la elaboración de cada pieza, dependen de la función que esta vaya a desempeñar dentro del motor y de su interacción con los demás componentes.
Entre estos materiales se encuentran Hierro gris, aluminio, Acero A36, bronce fosforado, Cobre, acero inoxidable y latón. La manufactura de las piezas se realizó en su totalidad en el laboratorio de Modelos de la universidad EAFIT, por medio de máquinas herramientas como torno, fresadora, taladro y cortadora de plasma.
En la tabla 3 se nombran algunas piezas junto con el material y herramientas utilizados en su fabricación. Las figuras 8 y 9 muestran el sistema de transmisión de potencia y el motor terminado, respectivamente.
Tabla 3. Material y máquinas algunas piezas del motor.
Figura 8. Sistema completo transmisión de potencia
Figura 9. Ensamble final motor.
Figura 8. Sistema completo transmisión de potencia
Figura 9. Ensamble final motor.
