Rediseño De Un Motor Stirling de 568cm3 Utilizando
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IM-2005-I-26 1 Rediseño De Un Motor Stirling de 3 568cm Utilizando El Calor Disipado Con La Quema De Gas OSCAR ALEJANDRO MOLINA SAMACÁ Código 200011790 PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO Asesor JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI Ingeniero Mecánico, Ph.D. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C. 2005
Transcript of Rediseño De Un Motor Stirling de 568cm3 Utilizando
IM-2005-I-26
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Rediseño De Un Motor Stirling de 3568cm Utilizando
El Calor Disipado Con La Quema De Gas
OSCAR ALEJANDRO MOLINA SAMACÁ
Código 200011790
PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL
TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
Asesor
JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI
Ingeniero Mecánico, Ph.D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, D.C.
2005
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AGRADECIMIENTOS
Al ingeniero, Jaime Loboguerrero por la orientación recibida durante este
proyecto, ya que su conocimiento, experiencia, disponibilidad, ideas y ayuda
fueron indispensables para la culminación de mi proyecto de grado.
A mis padres, por su incansable apoyo, ayuda y comprensión, ya que gracias a su
empeño logre culminar esta carera.
A mis amigos, Mauricio Cortés, David Chaparro y Jorge Uribe, por su preocupa-
ción y ayuda en el desarrollo de mi proyecto y ante todo por su amistad.
A Maria Andrea Morales, ya que su apoyo, ayuda y compañía, me dieron fuerzas
y motivación para la culminación de este proyecto.
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TABLA DE CONTENIDO
Pág.
1. INTRODUCCIÓN. 9
2. OBJETIVOS. 11
3. REDISEÑO DEL MOTOR STIRLING. 12
4. ANTECEDENTES. 15
4.1 INTRODUCCIÓN AL MOTOR STIRLING. 15
4.2 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING. 17
4.3 CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR STIRLING. 19
4.3.1 Razones para sus últimos desarrollos y auge en los
últimos 25 años. 19
4.3.2 Razones para que no haya sido utilizado ampliamente
y comercialmente en el siglo XX. 20
5. SELECCIÓN DEL TIPO DE MOTOR A DISEÑAR. 21
5.1 SOPORTE O BASE DEL MOTOR. 25
5.2 SOPORTE DEL CILINDRO Y EL PISTÓN. 25
5.3 SOPORTE DEL MECANISMO DE BARRAS Y TRANSMISIÓN
DE POTENCIA (PILOTE). 26
5.4 SOPORTE DEL VOLANTE. 27
5.5 VOLANTE. 27
5.6 BARRA SUPERIOR DEL MECANISMO (LARGUERO). 28
5.7 ENSAMBLE DE LAS PIEZAS DESCRITAS HASTA AHORA. 29
5.8 Cilindro Del Pistón Desplazador Y Camisa Del Pistón de
Potencia (Contenedor De Fluido De Trabajo). 30
5.9 PISTÓN DESPLAZADOR. 31
5.10 TARRO DE AGUA Y TARRO ZONA CALIENTE. 31
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4
Pág.
5.11 BIELAS. 32
5.12 PISTÓN DE POTENCIA. 33
5.13 EXPLOCIÓN DEL MOTOR STIRLING DISEÑADO. 33
6. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR. 35
6.1 CÁLCULOS VOLUMENES FLUIDO DE TRABAJO. 35
7. COMO FUCIONA EL MOTOR? 37
8. SIMULACIÓN TEÓRICA EN ANSYS Y ANÁLISIS FEA
DEL MOTOR. 38
8.1 Programa Utilizado. 39
8.2 Tipo de elementos y número. 39
8.3 Geometría enmallada. 40
8.4 Características del material. 40
8.5 Condiciones de frontera. 43
8.6 Condiciones de carga. 44
8.7 Especificación de tipo de simulación. 45
8.8 Dimensiones de la probeta. 45
8.9 Criterios de falla utilizados. 45
8.10 Presentación de los resultados. 46
8.10.1 Por Von Mises. 46
8.10.2 Por Esfuerzo principal máximo. 47
8.10.3 Por deformación equivalente. 48
8.10.4 Análisis de deformación total. 49
8.10.5 Análisis de Temperatura en el motor. 49
8.10.6 Flujo total de calor en el motor. 51
8.10.7 Factores de seguridad. Teoría esfuerzo de tensión Mohr
Coulomb. 52
8.10.8 Teoría Tabla de Factor de Seguridad. 53
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Pág.
8.11 Análisis de Resultados. 54
9. CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR STIRLING. 55
9.1 PARTES HECHAS DE MADERA. 55
9.2 PISTÓN DESPLAZADOR. 57
9.3 Cilindro Del Pistón Desplazador Y Camisa Del Pistón de
Potencia (Contenedor De Fluido De Trabajo). 57
9.4 Sellado Del Cilindro e Introducción Del Pistón Desplazador. 60
9.5 TARRO ZONA FRÍA. 62
9.6 PISTÓN DE POTENCIA. 63
9.7 ENSAMBLE DE PIEZAS CONSTRUIDAS HASTA AHORA. 64
9.8 MECANISMOS, BIELAS Y TARRO ZONA CALIENTE. 65
10. FUNCIONAMIENTO FINAL DEL MOTOR. 67
10.1 FUENTE CALOR. 67
10.2 PROBLEMAS PRESENTADOS POR EL MOTOR. 68
10.3 VIRTUDES DEL MOTOR. 69
10.4 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN EL MOTOR. 70
10.5 CÁLCULO DE POTENCIA DEL MOTOR. 71
10.6 RELACION CD COMO PARTE DE LA TESIS. 73
11. CONTINUACIÓN DEL PROYECTO. 74
12. CONCLUSIONES. 76
13. ANEXOS. 77
13.1 CD. Video motor, planos 3D y 2D, simulación Ansys. 77
13.2 PLANOS. 77
14. REFERENCIAS. 92
15. BIBLIOGRAFÍA. 93
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LISTA DE FOTOS
FOTOS Pág.
3.1 Motor que se pensaba rediseñar. 14
4.1 Motor Stirling. 15
9.1 Partes de madera armadas. 56
9.2 Pistón desplazador. 57
9.3 Soldadura bronce de la varilla y el pistón. 57
9.4 Cilindro y camisa Grande (medidas diseño). 59
9.5 Interior del cilindro. 59
9.6 Hueco de 3/8“que comunica el pistón de trabajo con la
camisa de trabajo. 59
9.7 Cilindro con su pistón desplazador, y perno que servirá de guía. 59
9.8 a y b Cilindro pequeño y camisa con su pistón. 60
9.9 Tapa del cilindro y guía biela desplazador. 61
9.10 Cilindro listo para soldar. 61
9.11 Perno a usar como guía. 61
9.12 Cilindro Desplazador y su guía. 61
9.13 a y b Cilindro con zona fría adaptada. 62
9.14 Pistón de potencia con su biela 63
9.15 Pistón en su camisa y biela. 63
9.16 Montaje del cilindro, pieza intercambiable por el cilindro
más pequeño. 64
9.17 Motor armado con el tarro de la zona caliente. 66
9.18 Motor armado con sus mecanismos. 66
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LISTA DE FIGURAS
FIGURAS Pág.
3.1 Motor Stirling de Iván Cala. 14
4.2 a y b Proceso ideal de Stirling. 18
5.1 Diseño del Motor Stirling a construir. 23
5.2 Diseño del Motor Stirling a construir 24
5.3 Base del Motor. 25
5.4 a y b Soporte del cilindro y el pistón. 26
5.5 Pilote. 27
5.6 a y b Soporte del volante. 27
5.7 a y b Volante. 28
5.8 Larguero. 28
5.9 Ensamble piezas de madera. 29
5.10 a y b Cilindro y camisa de los pistones. 30
5.11 a y b Pistón Desplazador. 31
5.12 a y b Tarros de agua y calor (iguales). 32
5.13 Bielas. 32
5.13 a y b Pistón de potencia. 33
5.14 Explosión del motor diseñado. 34
6.1 Cálculo del volumen de trabajo. 35
7.1 Funcionamiento del motor 37
7.2 Fun. del motor. 37
7.3 Fun. del motor. 37
8.1 Parte del motor a analizar. 38
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FIGURAS Pág.
8.2 Motor a ser analizado en ansys 8.0 39
8.3 Motor mallado, se puede ver que en la camisa del pistón el
mallado es mucho más pequeño. 40
8.4 Propiedades del material. 41
8.5 Conductividad térmica Vs. Temperatura. 41
8.6 Esfuerzo alternante Vs. Ciclos. 42
8.7 Valores de los puntos de fatiga. 42
8.8 Condiciones de Frontera. 43
8.9 Condiciones de carga. 44
8.10 Teoría de falla Von Mises. 46
8.11 Esfuerzo principal máximo. 47
8.12 Teoría de falla tensión equivalente. 48
8.13 Deformación total. 49
8.14 Análisis de temperatura. Vista temperatura zona caliente. 50
8.15 Análisis de temperatura. Vista temperatura zona fría. 50
8.16 Flujo total de calor en el motor. 51
8.17 Fs. Teoría esfuerzo de tensión Mohr Coulomb. 52
8.18 Teoría Tabla de Factor de Seguridad. 53
10.1 Temperaturas en el motor 70
10.2 Datos obtenidos del freno prony y velocidad del motor
con diferentes cargas. 71
10.3 Potencia real del motor. 72
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1. INTRODUCCION
Este proyecto consistió en el rediseño de un motor Stirling, en el cual se utilizo y
estudio como fuente de calor las emisiones producidas por la quema de gas.
Una de las razones principales por las cuales se desarrollo este proyecto, es mi
constante preocupación por el impacto ambiental que tienen los motores de
combustión interna, por lo cual quise realizar un estudio profundo acerca de estos
motores “Stirling”, ya que su contaminación al medio ambiente es mínima
(además de ser muy silenciosos), y en estos momentos necesitamos encontrar
alternativas diferentes en cuanto a motores, ya que los de combustión interna son
altamente ineficientes y una de sus fuentes de energía, el petróleo, se encuentra
en vía de extinción.
En estos momentos se están desarrollando varios tipos de adelantos tecnológicos
en este tipo de motores, debido a que los combustibles fósiles se encuentran en
vía de extinción y se tornan muy costosos; por lo cual los adelantos están
enfocados en motores que usen combustiones basadas en hidrogeno y gases,
tales como el stiring, siendo esta es una de las razones por la cual lo tratamos de
desarrollar de nuevo después de mas de un siglo de su invención.
El motor Stirling tiene la capacidad en teoría de alcanzar el rendimiento del ciclo
de carnot, sin ningún tipo de contaminación al medio ambiente. Además se
pueden utilizar energías que en este momento están siendo desperdiciadas por
las grandes fábricas como la producción de coque, la quema de gas, la energía
nuclear o para algún proceso químico o mecánico. La única fuente nueva que se
necesitaría sería agua, la cual es necesaria para enfriar el gas y así disminuir la
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10
presión generando el movimiento en el pistón, pero el agua no sería contaminada
ni desperdiciada, además las cantidades necesarias son mínimas.
El motor fue desarrollado en tres grandes pasos, siguiendo las etapas del diseño;
primero se estudio los proyectos de grado desarrollados previamente, los últimos
desarrollos sobre el tema y últimos motores construidos. Segundo se desarrollo el
diseño del motor basados en diseños ya existentes (Sobretodo en los desarrollos
hechos por Darryl Boyd y Koichi Hirata, citados en las referencias), por medio del
diseño de planos en 2D y 3D con la supervisión y la ayuda del ingeniero Jaime
Loboguerrero. Tercero se construyo un motor funcional y económico, con
materiales livianos y reciclados. Cumpliendo y viviendo las etapas del diseño, así
como con los objetivos propuestos.
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2. OBJETIVOS
Desarrollar un estudio profundo del tema, basado en tesis previas, últimos
estudios y desarrollos, y cualquier tipo de bibliografía pertinente para el
diseño del motor. Entendiendo y caracterizando el funcionamiento de un
motor stirling.
Rediseñar un motor ya existente, por medio de la verificación y análisis de
los planos del mismo, planteando las posibles mejoras, encontrando sus
fallas y defectos. (Este objetivo fue cambiado por las razones expues- tas en el punto 3 de este documento en acuerdo con mi asesor).
Diseñar completamente un nuevo motor (planos 2D y 3D) basado en
diseños ya existentes, utilizando materiales livianos y reciclados, para
cumplir con el presupuesto de $ 200.000 pesos.
Construir en su totalidad el motor diseñado, utilizando al mínimo el
maquinado y disminuyendo costos al máximo con tolerancias amplías, y el
uso de pegamentos, amarres y soldadura, así como materiales muy
económicos.
Realizar la simulación teórica en Ansys del cilindro, así como del pistón
desplazador, acerca de la transferencia de calor en el sistema, presiones,
cargas, flujos de calor y factores de seguridad.
Si es posible, tomar algún tipo de información del motor como potencia,
fricción, pérdidas y así poder comparar con los datos obtenidos en Ansys.
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3. REDISEÑO DEL MOTOR STIRLING Después de hacer un estudio característico sobre el motor elaborado por el
alumno Iván Leonardo Cala en su proyecto de tesis “diseño de un motor
stirling empleando el calor disipado en la quema de coque” 2003”, y
cumpliendo los siguientes objetivos de mi propuesta de grado:
Entender y caracterizar el funcionamiento de un motor stirling.
Rediseñar un motor ya existente, por medio de la verificación y análisis de
los planos ya existentes, planteando las posibles mejoras, encontrando sus
fallas y defectos.
Leer y estudiar profundamente los motores Stirling y últimos desarrollos en
el tema, para así poder entender los problemas del motor a rediseñar,
poder mejorarlos y replantear su diseño.
Estudiar las tesis en cuales se ha desarrollado algún tipo de investigación
previamente.
Familiarizarse con el motor actual para así tener los argumentos y criterios
para proponer el nuevo prototipo.
Encontrar cuales son los problemas más importantes y así lograr crear una
lista de las cosas que más tiempo me puede tomar resolver y cuales son
las más importantes.
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Se tomo la decisión junto a mi asesor de grado el Ing. Jaime LoboGuerrero de
que era mejor volver a diseñar por completo el motor stirling realizado por Iván
Cala por las siguientes razones:
1. En este momento el motor se encuentra totalmente oxidado, algo muy
grave en estos motores ya que la fricción es algo mortal debido a su poco
caballaje.
2. El motor se encuentra construido en un 60%.
3. El motor nunca funciono y creemos que como fue concebido nunca
funcionará.
4. Se utilizaron materiales muy pesados e ineficientes sin tener cuidado con la
fricción y sin tener un sentido lógico, ya que sus dimensiones son muy
grandes y el motor es muy pesado.
5. El desplazador es muy grande y pesado, debido a que es de un metal no
especificado y además no se encuentra alineado con el pistón de potencia
lo cual lo hace un problema para su funcionamiento.
6. Se utilizo una llanta de automóvil extremadamente dura, por lo cual es
imposible que se expanda con las presiones alcanzadas en un motor
stirling.
7. En este momento se necesitan 200 N para hacer bajar el desplazador y
245 para hacerlo subir, las cuales son fuerzas extremadamente altas para
que el motor las pueda generar.
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8. El peso total del motor supera los 40Kg sin agua, lo cual es exagerado.
9. En conclusión es más fácil volver a hacer el motor con un diseño más útil y
eficaz, utilizando materiales más livianos y pequeños, que terminar el
motor actual ya que prácticamente tendría que cambiarlo todo.
Por lo cual los objetivos expuestos en mi propuesta de grado fueron cambiados
por los expuestos en el punto 2 de este documento y desde la tercera semana se
empezó a trabajar e el desarrollo de un nuevo motor, basándonos en diseños a
existentes y económicos.
Este es el motor elaborado por el alumno Iván Leonardo Cala en su proyecto de
tesis “diseño de un motor stirling empleando el calor disipado en la quema de
coque, 2003”, el cual se pensaba terminar pero que por las razones expuestas
anteriormente, se decidió volver a hacer:1
Figura 3.1 Motor Stirl ing de Iván Cala Foto 3.1 Motor que se pensaba rediseñar
1 REFERENCIA [ 2 ]
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4. ANTECEDENTES
4.1 INTRODUCCIÓN AL MOTOR STIRLING:2
El motor striling fue diseñado, construido y patentado por el reverendo escocés
Robert Stirling (1790 - 1878), se creo como competencia a la máquina de vapor,
ya que emplea menores presiones, y no requiere de un maquinista cualificado. El
motor funcionaba con aire caliente y para la época era muy difícil de comprender.
A finales del siglo XIX, coincidiendo con el desarrollo del motor de combustión
interna y con la posterior aparición de los motores eléctricos, perdió interés. Sin
embargo, desde hace unos años, vuelve a la actualidad gracias a las ventajas que
presenta en algunas aplicaciones. Fue inventado en el año 1816 y tiene el
potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, lo cual le permite, teóricamente,
alcanzar el límite máximo de rendimiento.
Foto 4.1 Motor Stirl ing
La patente de Robert consiste en un motor que
trabaja con un gas confinado, con una zona de aire
caliente y una fría, con el uso de un regenerador.
Estos conceptos eran algo complejos para la época y
los motores eran difíciles de construir debido a la alta
fricción que se genera con los materiales disponibles.
2 REFERENCIA [5 Y 3]
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El desarrollo del motor se dio en un intento de simplificar los motores a vapor, ya
que Robert Stirling consideraba que los motores a vapor eran muy complicados
debido a que estallaban las calderas, por que en esa época no se había inventado
el acero, además consideraba tedioso calentar el agua y después tener que
condensarla. Debido a esto creo un motor de combustión externa, adaptable a
cualquier fuente de calor, y evitando la contaminación química al máximo.
Es importante anotar que el primer diseño realizado por Robert Stirling es
denominado motor Stirling Tipo Beta, el cual consta de un cilindro con una zona
caliente y una fría, y en el interior del cilindro se encuentra el desplazador. Esta
configuración es la usada en el diseño del motor a construir.
Unos años después con la ayuda de su hermano James Stirling, desarrollaron el
motor tipo Gamma, que consta de 2 cilindros separados, en los cuales se
encuentra el desplazador y en el otro se ubica el pistón de potencia.
El otro tipo de motor principal es tipo Alfa, el cual consta de 2 cilindros
independientes; uno en la zona fría (agua) y el otro en la zona cliente (fuente
externa usada), con dos pistones desfasados 90 grados.
Una de las principales ventajas del motor Stirling es que resulta extremadamente
silencioso, ya que no posee válvulas ni fases de explosión en su ciclo. Evitando
así ruidos y vibraciones.
Entre las aplicaciones más importantes hoy en día se encuentran los submarinos,
embarcaciones pequeñas y medianas, generadores eléctricos para satélites y
naves aeroespaciales.
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4.2 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING:3
Todo el funcionamiento del motor Stirling se encuentra basado en las propiedades
Termo expansivas y Termo físicas de los gases, gracias al alto coeficiente de
expansión térmica y al bajo coeficiente de calor especifico, es posible extraer
trabajo mecánico (potencia) al calentar y enfriar un gas, siendo posible la
utilización de una energía desperdiciada en un proceso químico, nuclear o en
algún tipo de proceso donde se generen pérdidas por calor (que son en casi todos
los procesos).
El principio básico del funcionamiento se puede ver al calentar un gas confinado
en un volumen constante, este se expandirá creando un aumento de presión, el
cual genera un trabajo dependiendo del gas y del calor suministrado; si después
de esto enfriamos el gas, obtendremos una disminución en la presión del gas
confinado. Sí repetimos creando un ciclo y obteniendo un movimiento, este puede
ser conducido por medio de un pistón y así extraer la potencia, la cual varía
dependiendo del gas, el regenerador y el calor al cual se a sometido el gas.
El ciclo del motor Stirling se encuentra descrito en la (figura 4.2 a) y funciona de la
siguiente manera:
Hay una compresión Isotérmica a la temperatura más baja en el proceso 1-2,
luego se hace pasar todo el fluido a la zona caliente, transfiriendo calor al fluido
de trabajo, obteniendo un proceso isocorico en el cual aumenta la presión sin
cambiar el volumen 2-3, después se da un proceso de expansión isotérmica 3-4, y
por último para cerrar el ciclo se da de nuevo un proceso isocorico 4-1.
3 REFERENCIA [1 Y 4]
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18
El funcionamiento del regenerador se puede observar teóricamente en la (gráfica
4.2 b) de la siguiente manera:
El calor cedido al fluido (aire en nuestro motor) en el proceso 2-3 es exactamente
el mismo al extraído por el sistema en el proceso 4-1, esto cuando el proceso es
ideal y el regenerador utilizado tiene una eficiencia del 100%. Por lo cual se afirma
comúnmente que el motor Stirling en teoría posee la misma eficiencia que el ciclo
de Carnot por lo cual es perfecta.
Figura 4.2 a y 4.2 b PROCESO IDEAL DE STIRLING.
a. b.
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19
4.3 CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR STIRLING:4
4.3.1 Razones para sus últimos desarrollos y auge en los últimos 25 años:
Cualquier tipo de fuente térmica o energética puede usarse para calentar el
aire en los motores Stirlng.
El motor Stirling en teoría puede alcanzar la eficiencia del ciclo de Carnot.
Las pérdidas por fricción y calor son muy bajas, ya que posee pocas partes
móviles, y el calor necesario para su funcionamiento se puede extraer de
un proceso donde se este desperdiciando o perdiendo una gran cantidad
de calor.
Las emisiones son casi nulas gracias a que su ciclo de trabajo es cerrado,
haciéndolo muy atractivo gracias a su nulo impacto ambiental.
Una de las principales ventajas del motor Stirling es que resulta
extremadamente silencioso, ya que no posee válvulas ni fases de
explosión en su ciclo. Evitando así ruidos y vibraciones.
Son sencillos y económicos de construir, debido a que solo se debe tener
cuidado con la fricción y en especial con el pistón y su camisa.
4 REFERENCIAS [2 y 5]
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20
4.3.2 Razones para que no haya sido utilizado ampliamente y
comercialmente en el siglo XX:
La fuente de combustión externa condiciona demasiado su potencia y el
gas de trabajo debe estar presurizado para lograr un aumento en la
potencia.
Los motores deben ser extremadamente grandes, para que sean capaces
de contener una gran cantidad de fluido de trabajo, y así ser competentes
en cuanto a potencia con los motores de combustión interna.
Debido a que necesita un precalentamiento, su tiempo de encendido o
repuesta es lento, al igual que el de apagado.
Se necesita un gran diferencial de temperaturas en el fluido de trabajo,
para aumentar su potencia y funcionamiento, lo cual suele ocasionar
gastos y complicaciones, además de grandes tamaños en los motores.
Con lo cual podemos concluir que son mas las ventajas que las desventajas
de los motores Stirling, y esto se puede corroborar al observar el gran
desarrollo y estudio en los últimos 25 años, y encontrando aplicaciones
aeroespaciales y estudios de prototipos de automóviles por algunas empresas
muy importantes como la Ford.
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21
5. SELECCIÓN DEL TIPO DE MOTOR A DISEÑAR5
Debido a los problemas tenidos con el motor que se pensaba rediseñar
descritos en el punto 3 de este documento, junto con mi asesor se decidió
diseñar un nuevo prototipo de motor basados en diseños ya existentes,
motores funcionales y ya construidos, y estudios desarrollados recientemente.
Teniendo siempre en cuenta la economía, la ecología, la fricción y el uso de
materiales reciclados, al igual que livianos, para así diseñar un motor funcional
fácil de construir (poco mecanizado y uso de elementos complicados),
solamente usando soldadura pegamentos y amarres (economía)).
Estableciendo que solo podría haber maquinado en el pistón y su camisa.
Cumpliendo con estos parámetros, se escogió un motor Stirling tipo Beta el
cual se presenta en las (figuras 5.1 y 5.2) y que esta basado en los motores
diseñados por Darryl Boyd (Abril 2001 Referencia 6) y Koichi Hirata (Diciembre
1995 Referencia 7), ya que se acomodaban ampliamente a las necesidades
del prototipo de motor que se deseaba construir; con diseños livianos,
sencillos, económicos y no muy complicados de elaborar. Además sus diseños
son ampliamente conocidos, y han sido construidos por varios ingenieros y
personas interesadas en el tema, lo cual nos da algo de seguridad en que
nuestro motor debe funcionar. Entonces se optó por construir un motor,
rediseñando estos motores construidos previamente, variando mi diseño en
dimensiones, extracción de potencia y en algunos diseños de partes como el
del pistón (prototipo) y cilindro, materiales (economía y facilidad de
construcción, además de ser adaptados tarros disponibles en el mercado), y
mecanismos (Se diseñaron de nuevo para ayudar a disminuir fricción y
aprovechar al máximo la poca potencia). 5 REFERENCIA [ 6 y 7]
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22
La totalidad del rediseño del motor se especificará a continuación de este
capítulo. La totalidad de los planos de construcción y diseño del motor se
encuentran en los anexos al final de este documento. Los materiales que se
usaron para la construcción del motor son baratos, livianos, reciclados; tales
como madera, bronce, aluminio y hoja lata.
Después de tener la totalidad de los planos para construir el motor, se realizó
una muy buena simulación en Ansys para comparar los resultaos teóricos con
los experimentales. Y así tener una mayor certeza de la calidad del diseño
antes de proceder a la construcción del motor. Esta simulación en Ansys
consiste en una simulación teórica en Ansys del cilindro, así como del pistón
desplazador, acerca de la transferencia de calor en el sistema, presiones,
cargas, flujos de calor y factores de seguridad.
Además esta simulación nos ayudó a entender mejor el funcionamiento del
motor, sus propiedades y a estar seguros de su correcto funcionamiento, ya
que nos permite conocer las presiones y las temperaturas a las cuales se van
a someter los materiales y las piezas del motor, permitiéndonos establecer un
factor de seguridad.
Los diseños del cilindro desplazador, del desplazador, de los contenedores de
agua y de la zona caliente se hicieron basados en las dimensiones de los
tarros disponibles en los supermercados de bogotá, ósea que podían ser
encontrados fácilmente en las basuras y así no tendrían que ser maquinados.
Los mecanismos de transmisión de potencia y funcionamiento del motor se
trabajaron en madera, ya que es fácil de conseguir (reciclada), es liviana y
económica.
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23
Figura 5.1 Diseño del Motor Stirl ing a construir.
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24
Figura 5.2 Diseño del Motor Stirl ing a construir.
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25
5.1 SOPORTE O BASE DEL MOTOR:
La base del motor es de madera liviana, pero resistente, de un grosor de 1 cm,
sobre la cual esta soportado el motor y de donde se agarrarán algunas partes del
motor como el sostenedor de el volante. El hueco es para agarrar el soporte
central de las barras que transmiten el movimiento. Todas las dimensiones y
aclaraciones se encuentran en los planos al final de este documento.
Figura 5.3 Base del Motor.
5.2 SOPORTE DEL CILINDRO Y EL PISTÓN: Esta pieza esta elaborada en madera, y es la encargada de sostener todo el
sistema de combustión externo de el motor, el pistón de potencia y su camisa, el
tarro de agua, y el cilindro que contiene el pistón desplazador.
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26
Figura 5.4 a y b Soporte del cil indro y el pistón.
5.3 SOPORTE DEL MECANISMO DE BARRAS Y TRANSMISIÓN DE POTENCIA (PILOTE):
Esta barra se encuentra hecha de madera, y es la encargada de mantener los
mecanismos de transmisión de potencia y las bielas, esta ubicado al lado derecho
del soporte del cilindro y el pistón, sus medidas y descripciones se encuentran
estipuladas en los planos al final de este documento. (Figura 5.5).
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27
5.4 SOPORTE DEL VOLANTE: El soporte del volante se encuentra ubicado a la derecha del pilote y al igual que
las partes anteriores es de madera y esta agarrado a la base del motor. El orificio
en la parte superior es para la ubicación de un rodamiento para el volante. Tiene
que estar perfectamente alineado con el soporte del cilindro y el pilote para el
perfecto funcionamiento del motor. (Figuras 5.6 a y b).
Figura 5.5 Pilote. Figuras 5.6 a y b Soporte del volante.
5.5 VOLANTE:
El volante es el que va a generar un movimiento armónico, permitiendo un
movimiento circular y constante, el cual permite la medición por ciclos del motor.
Esta pieza es de madera y se construye un poco grande para ayudar a la inercia
del motor. El diseño de la inercia y en si del volante se especificara más adelante.
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28
Figura 5.7 a y b Volante.
5.6 BARRA SUPERIOR DEL MECANISMO (LARGUERO):
Esta pieza hecha de madera liviana y rígida, es la encargada de transmitir el
movimiento a la biela del pistón desplazador al volante, que a su vez es movido
por la biela del pistón de potencia. (Figura 5.8).
Figura 5.8 Larguero.
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5.7 ENSAMBLE DE LAS PIEZAS DESCRITAS HASTA AHORA:
Todas las piezas hasta ahora diseñadas están hechas de madera, y las
especificaciones necesarias, como las distancias entre sí, pegamentos y uniones,
y las dimensiones de los elementos se encuentran en los anexos al final de este
documento, con la totalidad de los planos del motor.
Figura 5.9 Ensamble piezas de madera.
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5.8 Cilindro Del Pistón Desplazador Y Camisa Del Pistón de
Potencia (Contenedor De Fluido De Trabajo): En estas dos piezas se lleva a cabo el calentamiento y enfriamiento del fluido de
trabajo, por lo cual debe ser presurizada y despresurizada constantemente en
cada ciclo. Además debe ser calentada en la zona inferior hasta cerca de los 800
grados; por lo cual está construida de tarros presurizados como ambientadores o
pinturas en spray para soportar la presión y las temperaturas, ya que estos son de
lámina de acero la cual resiste estas condiciones. La camisa del pistón de
potencia es de bronce para evitar el oxido y la ficción, además de ser
perfectamente cilíndrica. Esta pieza (cilindro) se construyo en 2 tamaños
diferentes para comparar la potencia respecto al volumen de trabajo.
Figura 5.10 a y b Cilindro y camisa de los pistones.
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5.9 PISTÓN DESPLAZADOR:
Se encuentra elaborado de un tarro de sardinas enlatadas, y atravesado por todo
el centro por una varilla de acero CR de 1/8 de pulgada de diámetro, y su función
es desplazar el fluido de trabajo de la zona caliente a la zona fría. En este
desplazador es donde normalmente se ubica el regenerador, pero debido al
material de este pistón, a su tamaño, y al espacio entre el pistón y el cilindro
desplazador se concluyo que no era necesario el uso del regenerador, ya que el
tarro cumple parte de esta función.
Figura 5.11 a y b Pistón Desplazador.
5.10 TARRO DE AGUA Y TARRO ZONA CALIENTE:
El tarro de agua es un recipiente en el cual se deposita agua para ayudar a
mantener fría la zona superior del fluido de trabajo. El tarro de la zona caliente es
igual y su función es conservar el calor del gas, para mantener el fluido de trabajo
expandido y caliente, para así crear el movimiento del pistón de potencia. Estos
tarros se presentan en la (Figura 5.12).
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Figura 5.12 a y b Tarros de agua y calor (iguales).
5.11 BIELAS:
Son las encargadas de transmitir el movimiento entre los pistones y el volante
todas están construidas de la misma manera, pero con dimensiones diferentes,
aclaradas en los planos al final de este documento. Las bielas están construidas
con varillas de acero CR de 1/8 de pulgada.
Figura 5.13 Bielas.
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5.12 PISTÓN DE POTENCIA:
Este pistón es de aluminio para facilitar su fabricación, ya que tiene unas
tolerancias muy estrictas, y para evitar su fricción con la camisa que es de bronce.
Este pistón es el encargado de mover el volante por medio de una biela, gracias a
la expansión y contracción del fluido de trabajo.
Figura 5.13 a y b Pistón de potencia.
5.13 EXPLOCIÓN DEL MOTOR STIRLING DISEÑADO: En la siguiente (Figura 5.14) podemos ver la totalidad del motor en vista de
explosión para facilitar su visualización. Las especificaciones del ensamble,
amarres y soldaduras se especifican en los planos.
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Figura 5.14 Explosión del motor diseñado.
1. Base Motor. 7. Cilindro y Camisa De Los Pistones. 2. Sopote Del Cilindro Y El Pistón. 8. Pistón Desplazador.
3. Pilote. 9. Contenedor De Agua Zona Fría.
4. Base Volante. 10. Biela.
5. Volante. 11. Pistón De Potencia.
6. Larguero.
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6. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR
6.1 CÁLCULOS VOLUMENES FLUIDO DE TRABAJO:
Es necesario conocer los volúmenes del pistón desplazador y del cilindro del
pistón desplazador, parra poder conocer el volumen total aprovechable o en otras
palabras el cilindraje del motor. Además esto nos ayudará a que más adelante
podamos cálcular la potencia teórica del motor. El volumen total utilizable es el
que aparece en rosado grisoso en la figura de la derecha, Para el cilindro grande
los valores son:
Figura 6.1 Cálculo del volumen de trabajo.
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Vol. del cilindro del desplazador .770=)20()5.3)(1416.3(=**= 322 cmcmcmhrπ
Vol. del Pistón desplazador 322 202=)5.8()75.2)(1416.3(=**= cmcmcmhrπ
Vol. total utilizable =770-202 = 568 3cm
Para el cilindro más pequeño el volumen de trabajo es:
Vol. del cilindro del desplazador .578=)15()5.3)(1416.3(=**= 322 cmcmcmhrπ
Vol. del Pistón desplazador 322 202=)5.8()75.2)(1416.3(=**= cmcmcmhrπ
Vol. total utilizable =770-202 = 376 3cm
Lo que es más o menos 3/5 del volumen del cilindro grande.
Estos volúmenes se calcularon asumiendo que el pistón de potencia comienza su
recorrido pegado al cilindro del pistón desplazador, lo cual se encuentra
corroborado en el diseño del mecanismo, y esta previsto para ser armado así.
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37
7. COMO FUCIONA EL MOTOR6? En las figuras 7.1, 7.2, 7.3 se puede observar el funcionamiento del motor, en la
figura 7.1 podemos ver el momento en el que el motor se encuentra apagado, por
lo cual el aire se encuentra frío (azul), y el pistón de potencia se encuentra
estable. Al encender la fuente de calor, el aire se expande ya que se calienta
(rojizo) haciendo salir el pistón de potencia, y este a su vez hace que el pistón
desplazador se ubique en la zona fría por medio del volante, haciendo que el aire
se desplace hacia la zona fría, por lo cual el aire se enfría contrayendo el pistón
de potencia, y este a su vez hace que el pistón desplazador suba haciendo que el
aire se desplace a la zona caliente , para así expandirse y sacar el pistón de
potencia de nuevo, figura 7.2 y 7.3; y así se repite el ciclo.
Figura 7.1 Funcionamiento del motor. Figura 7.2 Fun. del motor. Figura 7.3 Fun. del motor.
6 REFERENCIA [ 6 ]
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8. SIMULACIÓN TEÓRICA EN ANSYS Y ANÁLISIS FEA
DEL MOTOR
La simulación teórica en ansys consiste en un análisis característico del cilindro
del desplazdor, el pistón de potencia y su camisa, el pistón desplazador, tarro
zona fría y zona caliente. Por lo cual se introdujo a ansys el ensamble de estas
piezas, las cuales son las que nos interesan analizar.
El análisis consiste en una simulación teórica en Ansys del cilindro, así como del
pistón desplazador, acerca de la transferencia de calor en el sistema, presiones y
temperaturas que se le introducen al motor, al igual que las que desarrolla,
conociendo las que puede soportar dependiendo de los materiales y soldaduras,
además de las cargas, flujos de calor, lo que nos da como resultado la obtención
de los factores de seguridad.
Figura 8.1 Parte del motor a analizar.
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8.1 Programa Utilizado:
Para el desarrollo de este análisis fea se utilizo “ANSYS 8.0”.
Figura 8.2 Motor a ser analizado en ansys 8.0.
8.2 Tipo de elementos y número: Los elementos utilizados fueron elementos de tres nodos.
El número de elementos utilizados fue de 70410 y el número de nodos de 138435.
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8.3 Geometría enmallada: Figura 8.3 Motor mallado, se puede v er que en la camisa del pistón el mallado es mucho más pequeño.
8.4 Características del material:
La zona más importante del motor y la que más nos interesa analizar es el cilindro
del pistón desplazador, ya que allí es donde se realiza el trabajo y se somete a
mayores presiones, cargas y temperaturas. Por lo cual el análisis se realizo con
acero ya que estos tarros están hechos de lámina de acero, al igual que los tarros
de la zona fría y caliente. A continuación se describen las propiedades del
material utilizado para la construcción del motor:
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Figura 8.4 Propiedades del material.
Figura 8.5 Conductividad térmica Vs. Temperatura
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Figura 8.6 Esfuerzo alternante Vs. Ciclos.
Para mayor claridad los datos de los puntos se pueden ver en la siguiente tabla:
Figura 8.7 Valores de los puntos de fatiga.
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8.5 Condiciones de frontera:
Para el desarrollo del problema se comenzó por tomar el cilindro del motor de la
misma parte donde se va sostener al ser construido, ósea de la camisa del pitón.
Por lo cual se empotró (Fixed support) el cilindro desde el exterior de la camisa.
Recordemos que la camisa del pistón de potencia va dentro de un soporte que
llamamos soporte del cilindro y el pistón, por lo cual esta pieza es la que soporta
todo el peso y movimiento del motor, de ahí la importancia de que en la
simulación sea empotrado en la misma parte. Teniéndola desde el origen de Solid
Edge, se importa a ANSYS, en donde toma el mismo origen y desde este se le
implementan las fuerzas; lo cual implica que el cilindro soporta todas las cargas
en su fixed support ósea la camisa, siendo esta el origen.
Figura 8.8 Condiciones de Frontera.
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8.6 Condiciones de carga: Se asumió una temperatura de 15 grados centígrados en la zona fría con agua, y
una temperatura de 900 grados centígrados en a zona caliente (extrema y
máxima posible). Lo cual son las condiciones extremas a las cuales puede ser
sometido el motor. Se presurizo a un poco más de 2 atmósferas y el motor trabaja
a un poco más de una. Se simulo el movimiento de los pistones agregando una
aceleración de 2 m/s al pistón desplazador, igualando todas las condiciones a las
cuales funciona el motor.
Figura 8.9 Condiciones de carga.
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8.7 Especificación de tipo de simulación:
La simulación es de tipo Estado Estable ya que no tiene ninguna carga fluctuante
u oscilante, las cargas son definidas y estáticas, debido a que se introdujeron las
presiones y temperaturas máximas a las cuales se somete el motor, para una
aceleración específica y para unas condiciones determinadas dadas para resolver
nuestro problema, con lo cual se estimo los esfuerzos a los que se va a someter
mi motor.
8.8 Dimensiones de la probeta: En los anexos podemos encontrar todos los planos detallados de nuestro motor, y
todo lo necesario para la construcción del motor
8.9 Criterios de falla utilizados: Los criterios de falla utilizados fueron el de Von Mises o energía de deformación,
el de máximo esfuerzo principal y deformación equivalente, ya que son los más
usados en la ingeniería, además son los más precisos y nos pueden ayudar a
tener un buen desarrollo en el análisis y diseño del motor. Además se uso el
criterio de Mohr Coulomb para determinar los factores de seguridad en cuanto a
falla alrededor del todo el motor. También se analizó los flujos de calor y su
dirección en el sistema. Todo esto gracias a los criterios de falla ofrecidos por
Ansys 8.0.
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8.10 Presentación de los resultados:
Con las fuerzas, presiones y temperaturas descritas anteriormente se desarrollo el
análisis de elementos finitos con los cuales se tiene que:
► 8.10.1 Por Von Mises:
El esfuerzo máximo para las presiones dadas es en la camisa del pistón y es
de 0,738 GPa y el mínimo es 101,300 Pa, lo cual es muy aceptable ya que el
Sy es 4,6 Gpa para el material usado, lo cual nos da un factor de seguridad de
6.23, y esto nos permite tener una gran confianza en que el motor no fallara a
la hora de ser sometido a altas velocidades, presiones y temperaturas. Esta es
una de las teorías más acertadas y por eso es la escogida por nosotros para el
diseño de nuestro rotor.
Figura 8.10 Teoría de falla Von Mises.
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► 8.10.2 Por Esfuerzo principal máximo:
En este caso tenemos que el esfuerzo máximo sufrido por el motor es en la
parte superior de la soldadura de la camisa del pistón y el cilindro del pistón
desplazador y es de 2,811e+009 Pa, y en cambio el mínimo -1,622e+009 Pa,
en la parte inferior de esta misma soldadura, que para este caso seria de
compresión por lo cual también lo tenemos que tener muy en cuenta. El valor
máximo es la mitad del Sy de mi material para esta teoría, lo cual nos da como
resultado un factor de seguridad de 2.
Figura 8.11 Esfuerzo principal máximo.
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► 8.10.3 Por deformación equivalente:
Esta teoría nos ayuda a determinar las deformaciones a las cuales se va
someter los cilindros y pistones de nuestro motor para las cargas y
condiciones descritas en el punto 8.6. Se puede observar que deformación
máxima que va sufrir el motor hecho de lamina de acero es de 3,6901e-002
m/m y la mínima de 5,2344e-012 m/m, lo cual es aceptable ya que es un acero
y las propiedades del material descritas anteriormente superan ampliamente
las condiciones a las que se somete el motor.
Figura 8.12 Teoría de falla tensión equivalente.
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► 8.10.4 Análisis de deformación total:
Se puede ver que la zona más afectada obviamente por la temperatura es la
zona inferior del motor la cual llega a tener una deformación de 1,4914e-003 m
y siendo la mínima de cero. Conociendo esto, se puede concluir que estas
deformaciones no afectarán el funcionamiento del motor, ya que este se
construyo con tolerancias amplias, y sus uniones y piezas no se encuentran
muy estrechas entre sí.
Figura 8.13 Deformación total.
► 8.10.5 Análisis de Temperatura en el motor:
Las temperaturas mínima y máxima se registran en los tarros de calor y agua,
como era de esperarse, siendo la mínima 14,467 °C y la máxima 900,68 °C.
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Figura 8.14 Análisis de temperatura. Vista temperatura zona caliente.
Figura 8.15 Análisis de temperatura. Vista temperatura zona fría.
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► 8.10.6 Flujo total de calor en el motor:
La transferencia de calor en el motor es muy importante, ya que nos ayuda a
determinar las pérdidas y el trabajo usado por el motor, ayudando así a
calcular pérdidas y eficiencias. El flujo de calor máximo se da en la camisa del
pistón y es de 7,2106e+005 W/m² y el mínimo de 7,4674e-011 W/m². Esto
suponiendo cargas y flujos estables, de lo contrario los resultados podrían
variar de manera importante.
Figura 8.16 Flujo total de calor en el motor:
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► 8.10.7 Factores de seguridad. Teoría esfuerzo de tensión Mohr
Coulomb:
Las zonas rojas representan las partes más peligrosas con factores de
seguridad bajos o mínimos y las zonas azules representan las zonas con
factores de seguridad altos. El factor de seguridad más bajo se da de nuevo
en la zona de la soldadura de la camisa del pistón y el cilindro del pistón
desplazador, recordándonos el especial cuidado que debemos tener en la
construcción de esta pieza, ya que es un gran concentrador de esfuerzos.
Para está zona el factor de seguridad es escasamente mayor a 1 y en algunas
zonas supera las 15 veces.
Figura 8.17 Fs. Teoría esfuerzo de tensión Mohr Coulomb.
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► 8.10.8 Teoría Tabla de Factor de Seguridad:
Está teoría no es muy conocida, pero es usada frecuentemente en análisis
Fea, la cual es un poco más conservadora que la de Mohr-Coulomb. Para este
caso podemos ver que al ser una teoría más conservadora nos arroja como
resultado que alrededor de toda la camisa del pistón se esta corriendo riesgo
de falla, ya que el factor de seguridad es algo mayor a 1, pero como se dijo
antes es muy conservadora por lo cual nos basaremos en los resultados
obtenidos en la teoría de Mohr-Coulomb. Además se está simulando para
situaciones extremas, lo cual nos da una mayor seguridad.
Figura 8.18 Teoría Tabla de Factor de Seguridad.
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8.11 Análisis de Resultados:
Gracias a esta simulación se puede tener mayor seguridad en el funcionamiento y
en la construcción del motor, ya que se tuvieron en cuenta varias teorías de falla,
las cuales nos arrojaron resultados satisfactorios, ya que son muy aproximados a
los reales, y fueron descritos en los puntos anteriores.
Se logró comprobar que se puede construir el motor sin ningún tipo de riesgo y
que seguramente va a funcionar, anticipándonos en el funcionamiento y
requerimiento de los materiales a utilizar, para así lograr un mejor desarrollo del
motor.
Se compararon varias hipótesis diferentes de falla tales como (Von Mises, MNS y
deformación), las más usadas en ingeniería, y comprobamos sus teorías
asumiendo los valores de carga y funcionamientos críticos y máximos del motor,
utilizando principalmente los resultados obtenidos en el criterio de Von Mises, ya
que esta teoría de falla es la mas predictiva y segura.
La simulación se acerca al funcionamiento real del motor en condiciones críticas,
esto para lograr un mejor desarrollo durante su construcción y ayudar en la
misma. Gracias a estos programas el diseño de la ingeniería a avanzado de
manera muy importante como lo podemos ver en nuestro diseño.
Este análisis Fea nos ayudo a reconocer nuestras debilidades en este diseño,
ayudándonos a mejorarlo o tener especial cuidado en la construcción de algunas
piezas; como en nuestro caso la unión de la camisa del pistón con el cilindro.
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9. CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR STIRLING7
En este capitulo se desarrollará la descripción de la construcción del motor pieza
por pieza, y al mismo tiempo se mostrará el ensamble de cada pieza en el motor
final. Este desarrollo y descripción se llevara a cabo por medio de fotos y figuras
comentadas.
9.1 PARTES HECHAS DE MADERA:
Las partes hechas de madera son: la base del motor, el soporte del cilindro y el
pistón, el pilote, el soporte del volante, el volante y el larguero (Foto 9.1). Para la
obtención de esta madera se acudió a una carpintería donde se compraron
retazos de madera por $ 20.000, teniendo en cuenta las medidas de las partes
diseñadas y que:
La base debería ser fuerte y liviana, ya que soporta todo el peso del motor.
Por lo cual se saco de una base quintuplex muy rígido y liviano.
El soporte del cilindro y el pistón se saco de un palo de cedro, ya que
necesitábamos que fuera rígido.
El soporte del volante no requería mayores compilaciones, solo que fuera
liviano y rígido, para poder sostener el volante y sus mecanismos.
El volante se fabrico con triplex para que fuera grueso y así ayudase con la
inercia, además de ser un poco grande por la misma razón.
El larguero, que era una de las piezas con mayor importancia, también fue
hecho de madera ya que debía ser muy resistente para sostener el 7 REFERENCIA [6 Y 7]
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mecanismo, y al mismo tiempo muy liviano, ya que es movido con la
potencia del pistón y no queríamos aumentar mucho las pérdidas, además,
de esto, podía depender el funcionamiento del motor debido a su poco
caballaje.
El pilote esta hecho de cedro ya que es el que sostiene los mecanismos,
además es muy largo, por lo cual soporta grandes fuerzas torsionantes.
Todas las piezas están pegadas a la base por medio de tornillos pasantes
y bóxer, lo cual le da una resistencia muy buena, prácticamente sin permitir
el movimiento de las mismas.
Foto 9.1 Partes de madera armadas.
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9.2 PISTÓN DESPLAZADOR:
El pistón desplazador fue tomado de una lata de sardinas, ya que este tipo de
enlatados tenían las dimensiones ideales para ser utilizados como pistón. Primero
se hicieron 2 orificios de 1/8 de pulgada en el centro de la parte superior y en la
cara inferior y por allí se desocupo la lata. Luego se atravesó una varilla de 1/8 de
pulgada a través del centro de la lata y se precedió a soldar con bronce.
Foto 9.2 Pistón desplazador. Foto 9.3 Soldadura bronce de la varil la y el pistón
9.3 Cilindro Del Pistón Desplazador Y Camisa Del Pistón de Potencia (Contenedor De Fluido De Trabajo):
El cilindro del pistón desplazador, esta elaborado de tarros presurizados de
ambientadores o pinturas de spray, que se acomodan a las medidas necesarias
para contener el pistón desplazador (6 cm de diámetro), y más o menos queda
libre un 50% del tarro para ser ocupado por el fluido de trabajo.
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Estos tarros se encuentran con facilidad en los supermercados de Bogotá y están
especialmente diseñados para ser presurizados, lo cual es perfecto para las
necesidades que presenta nuestro cilindro del pistón desplazador.
Pensando en hacer pruebas se construyo un cilindro del tamaño descrito en los
planos (7 cm de diámetro y 20 de alto, spray ambientador, Foto 9.4), y uno un
poco más pequeño, también descrito en los planos (7 cm de diámetro y 15 de
alto, spray de pintura, Foto 9.8), para observar la variación de potencia
dependiendo del volumen del fluido de trabajo. Ambos cilindro con las mismas
características, dejan la misma holgura entre el pistón y el cilindro (0,5 cm) y solo
varían en el tamaño como se puede ver en las fotos.
Primero se desocuparon los tarros presurizados en su totalidad para poder
abrirlos (esto puede resultar peligroso si no se hace con medidas de seguridad) y
con un abrelatas casero se le quito la parte superior a los tarros para poder
introducir los pistones desplazadores en el cilindro. Luego se perforo un hueco de
3/8 de pulgada en todo el centro vertical de los tarros, que comunica la camisa del
pistón con el fluido de trabajo y por último se limo, lijo y limpio las superficies para
poder soldarlas. La totalidad de está construcción se puede observar en las fotos
9.4, 9.5, 9.6, 9.7, y 9.8.
Después de esto se utilizaron tubos de bronce de 1 pulgada de diámetro y 10 cm
de largo, para utilizarlos como camisas de los pistones de potencia. Se unieron
los tubos de bronce a los cilindros con soldadura de bronce, teniendo cuidado en
que quedaran centrados y derechos; y en especial en tratar de dañar lo menos
posible la cilindricidad del tubo, ya que el pistón se iba a trabar si esta se perdía.
La razón para usar bronce es evitar el oxido e impurezas y disminuir la fricción
entre la camisa y el pistón de potencia que es de aluminio.
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Foto 9.4 Cilindro y camisa Grande (medidas diseño). Foto 9.5 Interior del cilindro.
Foto 9.6 Hueco de 3/8“que comunica el pistón Foto 9.7 Cilindro con su pistón desplazador, de trabajo con la camisa de trabajo. Y perno que servirá de guía.
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Foto 9.8 a y b Cilindro pequeño y camisa con su pistón.
9.4 Sellado Del Cilindro e Introducción Del Pistón Desplazador: Pensando en sellar el cilindro del pistón desplazador para poder ser presurizado,
se decidió que una forma sencilla y adecuada era hacer la tapa de lámina de
acero calibre 20 y soldarla con estaño a la pared y la parte superior del cilindro. A
esta tapa se le hizo un agujero de 3/8” para adecuar un perno a ella que sirviese
como guía y paso de la biela. (Foto 9.9, Foto 9.10). El perno se adapto a la tapa
con arandela por encima y por debajo y se apretó con su tuerca correspondiente.
Para dejar pasar la biela del cilindro desplazador a través de esta tapa, se utilizó
un perno de bronce de 3/8” x 1 ½”, al cual se le hizo un hueco de 1/8” con la
fresadora en todo el centro para que sirviese como guía y dejase pasar la biela sin
dejarla torcer (Foto 9.11). Además de sellar perfectamente el cilindro.
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Foto 9.9 Tapa del cil indro y guía biela desplazador. Foto 9.10 Cilindro listo para soldar.
Foto 9.11 Perno a usar como guía. Foto 9.12 Cilindro Desplazador y su guía.
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9.5 TARRO ZONA FRÍA:
Este contenedor se fabricó utilizando un tarro de ¼ de pintura vacío, al cual se le
hizo un orificio de 7 cm de diámetro en la cola y después se introdujo en el
cilindro. Luego se soldó con bronce pero desafortunadamente no quedó muy
derecho, claro que esto no afecta en nada el funcionamiento del motor, solo
perjudica un poco su estética. Esta zona debía quedar perfectamente hermética,
ya que en su interior contiene agua, por lo cual se tuvo al final que agregar algo
de soldadura sintética para tubería.
Foto 9.13 a y b Cilindro con zona fría adaptada.
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9.6 PISTÓN DE POTENCIA:
Esta es la pieza más importante del motor, ya que es la de las tolerancias más
estrictas (± 0,05 mm.) y la pieza que más maquinado necesita. Es la encargada
de transferir la potencia al volante por medio de la biela, y tiene que encajar
perfectamente en la camisa del pistón.
Fue construido de aluminio, y se le hicieron 2 ranuras para ayudar al lubricante a
estar siempre presente en el movimiento del pistón. Se le hizo un orificio al través
para cruzar una varillita, y así sujetar la biela. A los extremos de la biela se
ubicaron 2 tubitos de un pitillo plástico para restringir el movimiento hacia los
lados y así evitar pérdidas. Sus dimensiones y especificaciones se encuentran al
final de este documento en los anexos.
Foto 9.14 Pistón de potencia con su biela. Foto 9.15 Pistón en su camisa y biela.
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9.7 ENSAMBLE DE PIEZAS CONSTRUIDAS HASTA AHORA:
La camisa del pistón se introduce dentro de su soporte, y de esta forma se
empiezan a acomodar los mecanismos de transmisión de potencia, en la
(Foto 9.16) podemos observar el pistón y su biela listos dentro de su camisa, y
ubicados en el volante para transmitir la potencia. Como podemos observar el
mismo montaje nos sirve para ambos cilindros (grande y pequeño), ya que la
camisa del pistón de ambos cilindros es igual, solo se necesita que la biela del
cilindro desplazador sea un poco mas larga.
Foto 9.16 Montaje del cil indro, pieza intercambiable por el cil indro mas pequeño.
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9.8 MECANISMOS, BIELAS Y TARRO ZONA CALIENTE:
El tarro de la zona caliente esta construido, al igual que el de la zona fría, de un
tarro de ¼ de pintura vacío. Se le hizo un hueco de 6.8 cm de diámetro para que
entre con interferencia, ya que no se puede soldar con bronce o estaño por que el
calor dañaría la soldadura. Posee unos agujeros en la parte superior para no
conservar demasiado el calor, ya que después de los 1000 grados el cilindro
puede sufrir averías. También se le hizo un agujero para facilitar la entrada de la
fuente de calor. (Foto 9.17)
Los mecanismos faltantes, solo son unas bielitas, las cuales se unieron entre sí,
por medio de tornillos de ¼” de bronce (en el volante), y al larguero en la parte
izquierda con un gancho, para darle más grados de libertad al movimiento, y en la
derecha con un tornillo de ¼” de bronce para evitar la fricción. El larguero esta
unido al pilote con un perno de 3/8”.
Al volante se le adapto un rodamiento 208z SKF, muy parecido al usado en los
patines, para evitar las fricciones y pérdidas por movimiento. Esta sostenido por
un perno 3/8” x 2 ½” liso.
Buscando economía y eficiencia todas las piezas como el pistón de potencia,
uniones de bielas, rodamiento, la unión de pilote y el larguero, el pistón
desplazador y su guía (perno de bronce), se encuentran lubricadas con aceite tres
en uno (Foto 9.18). Es muy importante limpiar y lubricar muy bien el motor en su
totalidad antes de encenderlo, para evitar fricción y así obtener su máximo
rendimiento.
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Foto 9.17 Motor armado con el tarro de la zona caliente.
Foto 9.18 Motor armado con sus mecanismos.
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10. FUNCIONAMIENTO FINAL DEL MOTOR
10.1 FUENTE CALOR: Para encender por primera vez el motor se utilizo un mechero de un Fondue el
cual genera una llama promedio de 600 °C la cual es 300°C menor a la
alcanzada por el gas. Con esta fuente de calor el motor funciona muy bien
tomando lapsos de encendido entre 5 y 10 segundos, y de apagado (después
de retirar la fuente de calor continua funcionando) de 12 a 18 segundos.
Para la zona fría se uso agua a temperatura ambiente, y se lubricó el motor en
su totalidad con aceite tres en uno, y para fuente de combustión del mechero
del fondue se utilizo alcohol industrial.
Con estas condiciones obtuvimos un muy buen funcionamiento del motor
alcanzando las 140 rpm, una velocidad superior a la esperada y solo con una
fuente de combustión externa de 600 °C, algo baja para la temperatura a la
cual esta diseñado el funcionamiento del motor, lo cual nos dice que con gas
puede llegar a superar las 200 rpm.
El motor es completamente silencioso, uno de nuestros objetivos principales.
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10.2 PROBLEMAS PRESENTADOS POR EL MOTOR:
Como es normal en las etapas del diseño se presentaron algunos problemas
en el funcionamiento final del motor. Los cuales se enuncian a continuación:
Después de 8 minutos de estar encendido el lubricante del motor (3 en 1)
se comienza a quemar debido a que las temperaturas del aire adentro del
cilindro alcanzan los 400 °C, por lo cual debemos relubricar el pistón cada
vez que se encienda el motor. O trabajar con un lubricante que soporte
más temperatura.
Si se quiere trasladar el motor de un lugar a otro se debe primero vaciar el
agua de la zona fría ya que si el motor se mece demasiado, el agua puede
entrar al cilindro del pistón desplazador por el mecanismo del perno de
bronce lo cual no es deseado.
Los mecanismos no están perfectamente alineados, generando pérdidas
importantes en el motor, y al mismo tiempo generando algo de ruido. Las
bielas del mecanismo tienen un poco de juego lo cual genera pérdidas y
sonidos en el motor. (corregible).
Hay que tener cuidado en la zona arrojada como peligrosa en el análisis
Fea, la soldadura de bronce entre el cilindro del pistón desplazador y la
camisa del pistón de potencia, ya que al encender el motor, el fuego puede
llegar de forma directa sobre el tarro de la zona caliente, debilitando de
manera importante y peligrosa la soldadura.
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10.3 VIRTUDES DEL MOTOR:
Fue muy gratificante ver el trabajo y funcionamiento del motor, entre sus
fortalezas más importantes se encuentran:
El motor es sencillo de construir, liviano y económico, objetivos principales
en el diseño del motor.
La totalidad del motor es de materiales económicos y reciclados, y solo se
empleo maquinado en el pistón como fue previsto.
El motor es silencioso, solo los mecanismos presentan algo de ruido.
El motor con 600 °C supera las 140 rpm, y esto con presiones atmosféricas
y temperaturas bajas.
Solo se necesitan 5 segundos para encender el motor, lo cual es poco para
un motor stirling.
El motor puede funcionar a velocidades bajas con simplemente la llama de
un encendedor comercial, trabaja después de 40 segundos a velocidades
65 rpm.
El pistón de potencia sella muy bien el cilindro, permitiendo que en el motor
se desarrollen presiones mayores a la atmosférica.
El motor nos ayuda ampliamente a entender el funcionamiento de un
motor stirling, y a desarrollar estudios en desarrollos sobre el tema.
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10.4 MEDICIÓN DE TEMPERATURAS EN EL MOTOR:
Con el fin de tener algún tipo de medición del motor, además de poder
comparar los resultados teóricos con los reales, se midieron las temperaturas
en el motor en funcionamiento normal, por medio de una termocupla.
Se procedió a encender el motor con un reverbero, usando alcohol industrial,
por lo cual la llama en el reverbero alcanzaba los 850 °C y la velocidad del
motor alcanzó las 205 rpm. Además se obtuvieron los siguientes resultados:
Figura 10.1 Temperaturas en el motor.
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Podemos ver que las temperaturas en el motor son casi las mismas que las
arrojadas por Ansys, a lo máximo varían en 50 °C, por lo cual corroboramos
que nuestra simulación fue muy buena.
10.5 CÁLCULO DE POTENCIA DEL MOTOR: Para el cálculo e la potencia de mi motor se diseño un freno Prony, el cual fue
diseñado para ser adaptado al volante, y se le conecto un dinamómetro para
medir la fuerza que puede hacer el motor a determinadas velocidades.
Conociendo que la velocidad de desboque es de 205 rpm y que el torque de
arranque es de (6 N*0,18 m = 1,08 J). Los resultados se presentan en la
siguiente tabla:
Figura 10.2 Datos obtenidos del freno prony y velocidad del motor con diferentes cargas. Fuerza (N) Distancia(m) Torque (N.m) Velocidad (rpm) Velocidad (rps) Potencia (W)
6,5 0,18 1,17 0 0 0 6 0,18 1,08 106 1,766666667 1,908
5,5 0,18 0,99 123 2,05 2,0295 5 0,18 0,9 129 2,15 1,935
4,5 0,18 0,81 134 2,233333333 1,809 4 0,18 0,72 139 2,316666667 1,668
3,5 0,18 0,63 146 2,433333333 1,533 3 0,18 0,54 153 2,55 1,377
2,5 0,18 0,45 161 2,683333333 1,2075 2 0,18 0,36 167 2,783333333 1,002
1,5 0,18 0,27 173 2,883333333 0,7785 1 0,18 0,18 177 2,95 0,531
0,5 0,18 0,09 186 3,1 0,279 0,25 0,18 0,045 197 3,283333333 0,14775
0 0,18 0 205 3,416666667 0
Con lo que podemos ver que la potencia máxima real es de 2,3 W y la mínima
0,15W.
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Hay que tener en cuenta que las pérdidas al adaptar el freno prony son muy
altas debido al poco caballaje del motor, por lo cual es posible que la potencia
real del motor sea algo mayor, por lo cual la persona que continué trabajando
en esta tesis debe buscar la forma de medir la potencia del motor de tal forma
que no se generen pérdidas en la medición de la misma, para así ser más
exactos. En la siguiente gráfica podemos observar la gráfica real de potencia
del motor:
Figura 10.3 Potencia real del motor.
Potencia Motor=T*W
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Velocidad Motor (rpm)
Torq
ue M
otor
(N.m
)
Potencia
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10.6 RELACION CD COMO PARTE DE LA TESIS:
En los anexos de este documente se puede encontrar un CD para la ayuda,
desarrollo y entendimiento de la tesis. En el CD se puede encontrar:
Un video de aproximadamente 5 minutos, el cual contiene la primera vez
que estuvo el motor en funcionamiento, en el cual se puede observar su
velocidad y su potencia.
La totalidad de los planos del motor en 2D y 3D, elaborados en Solid Edge,
además de ensambles y explosiones.
Simulaciones teóricas en Ansys del motor del cilindro, así como del pistón
desplazador, acerca de la transferencia de calor en el sistema, presiones y
temperaturas que se le introducen al motor, al igual que las que desarrolla,
conociendo las que puede soportar dependiendo de los materiales y
soldaduras.
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11. CONTINUACIÓN DEL PROYECTO
Este documento y el motor construido deben ser la base par estudios y
desarrollos sobre el tema, ya que proveen facilidades para el desarrollo de nuevas
tecnologías y puede ser adaptado a estudios importantes en futuras tesis. Los
desarrollos que se pueden hacer sobre el motor son:
Diseñar un protocolo de medición para el motor, logrando instrumentarlo,
para conocer valores más completos de su funcionamiento real, que los
alcanzados a medir por mi en esta tesis.
Encontrar posibles fuentes de error si las hay, y proponer una solución para
mejorar los resultados obtenidos.
Comprobar cálculos de potencia, transferencia de calor y eficiencias
obtenidas por el motor en comparación a los resultados obtenidos en ansys
y teóricos.
Trabajar en el perfeccionamiento de los mecanismos, ya que estos no se
encuentran perfectamente alineados, ocasionando pérdidas y ruidos.
Trabajar en un rediseño de la zona del cilindro del pistón desplazador del
motor, para presurizarlo y así aumentar su potencia.
Si se desea se puede mejorar la estética del motor ya que no es su fuerte.
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Crear un protocolo de prueba y medición para el motor y comparar con
datos teóricos.
Proponer posibles mejoras para el motor, así como también nuevos
diseños y desarrollos sobre el mismo.
Diseñar un método de recirculación del agua para que esta no se caliente
demasiado evaporándose, y aumentando la temperatura de la zona fría.
Encontrar una aplicación para el motor, posiblemente en una zona de
Colombia donde no se tenga acceso al fluido eléctrico, para darle un buen
uso al motor
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12. CONCLUSIONES
• Se construyo un motor tipo beta muy funcional basado en diseños ya
existentes y en los últimos desarrollos sobre el tema, con la ayuda de los
planos y diseños realizados previamente.
• Toda la construcción del motor se llevo a cabo con solo $ 60.000 pesos
cumpliendo con el presupuesto ampliamente ya que era de $ 200.000
pesos. Ya que se utilizaron materiales económicos y reciclados, y no se
empleo ningún tipo de manufactura costosa.
• Se logró construir un motor funcional, el cual puede ser utilizado en zonas
apartadas del país, donde no llegue la luz eléctrica (muy aplicable).
• Se construyó el 100% del motor rediseñado.
• Se presentaron varios imprevistos en el desarrollo del proyecto, ya que es
muy difícil prever todos los detalles necesarios en la construcción del
motor, por lo cual al final se cambiaron los planos de algunas piezas por las
medidas que tiene el motor construido.
• Se lograron desarrollar los objetivos propuestos en mi propuesta de grado
y mi proyecto de grado.
• Se consigue una experiencia importante acerca de las etapas del diseño.
Ya que se vivencio y se sufrió en cada una de las etapas, cumpliendo una
vez mas con las metas trazadas y encontrando problemas y soluciones
durante el proceso.
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13. ANEXOS
13.1 CD. Video motor, planos 3D y 2D, simulación Ansys:
13.2 PLANOS:
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14. REFERENCIAS
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[ 7 ] Let's Build a Can Stirling Engine, Publicado y bajo diseño desde el 5 de diciembre de 1995 http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/mk_can.htm (Koichi Hirata). [ 8 ] http://www.ecotec2000.de/espanol/stir2.htm#hist
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15. BIBLIOGRAFÍA
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disipado en la producción de coque, Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá: Uniandes, 2003.
Gómez Ceron, José Julián, Diseño e implementación de mejoras para
motor Stirling. Universidad de los Andes, Departamento de Ingeniería
Mecánica, Bogota 2002.
http://personal3.iddeo.es/msans/stirling.htm.
Bretón Arbelaez, Daniel Alberto, Análisis, diseño y construcción de
Intercambiador de calor para un motor Stirling de 1/8 de HP. Universidad
de los Andes, Departamento de Ingeniería Mecánica, Bogota 2003.
http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/mk_can.htm (Koichi Hirata).
http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/mk_l01.htm (Koichi Hirata).
González Hässig, Andrés, Ensamble y caracterización del motor "Stirling"
de 1/8 H.P del departamento de Ingeniería Mecánica, Bogotá 2000.
Cuellar Caicedo, Cesar A, Puesta a punto y del desempeño de un motor
Stirling de 1/8 de HP. Universidad de los Andes, Departamento de
Ingeniería Mecánica, Bogota 2000.
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Shigley, Joseph Edward. Mechanical Engineering Design. 6th ed. Caps 6 y
7, McGraw-Hill series in mechanical engineering. USA 2001.
NORTON, Robert L. Diseño de Maquinaria 2th Ed. Caps 4, 7 y 9 Mc Graw
Hill Companies Inc.
http://www.websters-online-
dictionary.org/definition/english/ST/STIRLING+ENGINE.html
