COLEGIO
“SIMÓN BOLÍVAR” TESIS DE FÍSICA TEMA:
“Construcción de un motor Stirling aplicando las leyes de la termodinámica" Tesis presentada para optar por el título de Bachiller en Ciencias Especialización: Físico Matemático.
AUTORA:
Andrea Elizabeth Granda Robalino TUTOR:
Jofre A. Robles P.
QUITO – QUITO – ECUADOR ECUADOR 2 013
DEDICATORIA
La concepción del presente proyecto está dedicada a Dios por ser nuestro creador y quien nos da la vida, A mis padres, por darme la vida y por su apoyo Constante en mi vida estudiantil, por sus lecciones de Vida y sus consejos.
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AGRADECIMIENTO
El presente trabajo de investigación fue realizado bajo la supervisión del Dr. Jofre A. Robles P, a quien me gustaría expresar expresar mi más profundo profundo agradecimiento, agradecimiento, por hacer hacer posible la realización de este estudio. Además, de agradecer agradecer su paciencia, tiempo y dedicación que tuvo para que esto resultara de manera exitosa. Gracias por su apoyo, por ser parte de la columna vertebral de mi proyecto. pro yecto. A mi hermana por enseñarme que todo en la vida tiene su proceso y que el cumplimiento de las metas conlleva un gran esfuerzo y responsabilidad que todo en la vida tiene su recompensa y que el mundo es para los luchadores y emprendedores. emprendedores. A mi prima por su incondicional apoyo, su asesoría y su preocupación constante. A mis abuelitos por sus bendiciones enviadas enviadas desde el cielo.
ii
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue realizado en su totalidad por la señorita Andrea Elizabeth Granda Robalino como requisito parcial para la obtención del título de bachiller en la especialidad Físico Matemático.
2013-06-13
Dr. Jofre A. Robles P.
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Contenido pp. Introducción……………………………………………..…………………………...1 Capítulo 1 El Problema 1.1. Planteamiento del Problema…………………………………………….…...........3 1.2. Formulación del problema……………….………………………..........................6 1.3. Variables...................................................................................................................6 1.4. Interrogantes................................................................................................................ ........6 1.5. Objetivos..................................................................................................................... ........7 1.6. Justificación...........................................................................................................7
2. Capítulo 2. Marco Teórico 2.1. Antecedentes de la Investigación............................................................................10 2.2. Fundamentación Teórica.......................................................................................12 2.2.1. Reseña
Histórica
de
la
Termodinámica............................................................12 2.2.2 Reseña Histórica del motor Stirling..............................................................14 2.2.3. Motor Stirling Alpha.....................................................................................15 2.2.4. Motor Stirling Beta........................................................................................16 2.2.5. Motor Stirling Gamma...................................................................................17 2.2.6. Motor Ringbom.............................................................................................18 2.2.7. Motor de pistón líquido................................................................................19 2.2.8. Motor Stirling termo acústico.........................................................................19 2.2.9 Ciclo de Trabajo.............................................................................................20 2.2.10 Principio de funcionamiento........................................................................24 2.2.11 Ciclos termodinámicos.................................................................................32 2.2.12. Ejercicios de Aplicación..............................................................................38 2.3. Propuesta..............................................................................................................43 2.3.1. Tema...........................................................................................................43 2.3.2. Justificación................................................................................................43 iv
2.3.3. Fundamentación..........................................................................................44 2.3.4. Objetivo.......................................................................................................44 2.5.4.1.
Objetivo
General..........................................................................................44 2.5.4.2.
Objetivos
específicos..................................................................................44 2.5.5. Importancia..................................................................................................44 2.5.6.
Descripción
de
la
propuesta................................................................................45 2.5.7.
Resultados
esperados..........................................................................................47 2.5.8. Novedad e impacto.......................................................................................48 2.5.9. Evaluación..................................................................................................49. 2.4. Definiciones conceptuales.....................................................................................49 2.5. Fundamentación legal...........................................................................................51
Capítulo 3 Metodología 2.6. Diseño de la investigación......................................................................................58 2.7. Operacionalización
de
las
variables............................................................................59 3.2.1.
Variable
Independiente
......................................................................................60
3.2.2. Variable Dependiente.....................................................................................61 2.8. Instrumentos.........................................................................................................63 2.8.1. Técnicas documentales....................................................................................6 2.8.2. Técnicas
de
campo.................................................................................................. 2.9. Procedimiento
para
la
ejecución
..................................................
3. Capitulo 4 Marco Administrativo v
de
la
investigación.
3.1. Cronograma................................................................................................................. .... 3.2. Presupuesto................................................................................................................. ..... 3.3. Recursos...................................................................................................................... ..... 4.3.1.
Recursos
Humanos................................................................................................. 4.3.2.
Recursos
Materiales...............................................................................................
4. Capitulo 5 Conclusiones y Recomendaciones 4.1. Conclusiones............................................................................................................... ..... 4.2. Recomendaciones........................................................................................................ .....
Bibliografía......................................................................................................................... .....
Biografía............................................................................................................................. ......
Anexo A................................................................................................................................... Anexo B.................................................................................................................................... Anexo C.................................................................................................................................... Anexo D....................................................................................................................................
vi
GRÁFICOS pp. Gráfico 2.1 (Motor Stirling Alpha.).............................................................................16 Gráfico 2.2 (Motor Stirling Beta) ..............................................................................17 Gráfico 2.3 (Motor Stirling Gamma)..........................................................................18 Gráfico 2.4 (Motor Stirling Ringbom)......................................................................... Gráfico 2.5 (Motor de pistón Líquido)........................................................................ Gráfico 2.6 (Generador del motor Stirling)................................................................. Gráfico 2.7 (Partes del Ciclo del motor Stirling).......................................................... Gráfico 2.8 (Partes del motor Stirling)......................................................................... Gráfico 2.9 (Funcionamiento Del Motor Stirling)........................................................ Gráfico 2.10 (Motor Stirling)........................................................................................ Gráfico 2.11 (Ciclo Stirling).......................................................................................... Gráfico 2.12. (Diagrama Presión-Volumen).................................................................. Gráfico 2.13. ( Ciclo de Rankine Simple)...................................................................... Gráfico 2.14. (Ciclo de Rankine Simple)....................................................................... Gráfico 2.15. (Ciclo Rankine con Recalentamiento)...................................................... Gráfico 2.16. (Esquema de la instalación con ciclo Rankine con Recalentamiento)......
vii
LISTADO DE TABLAS pp . Tabla 3.1 (Operalización de las Variables)........................................................ Tabla 4.1 (Presupuesto)..................................................................................... Tabla Anexo A (Entrevista a Estudiantes)........................................................ Tabla Anexo B (Entrevista a Docentes)...........................................................
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RESUMEN
El presente trabajo ofrece información acerca de la aplicación de las leyes de la termodinámica esenciales para llevar a cabo la construcción de un motor Stirling puesto que su funcionamiento es en base a estas aplicaciones. Se brindan conceptos básicos para que el investigador en el área aplique de manera sencilla y una bibliografía de utilidad para profundizar sobre determinados aspectos del proceso investigativo. Se incluyen el abordaje de los tipos de ciclos termodinámicos empleados en este motor, así como el tema de los diseños, tanto experimentales como no experimentales. Se aborda la presentación de cada uno de los apartados que conforman el informe desde el planteamiento del proyecto hasta las conclusiones y recomendaciones del mismo. Utilizando un diseño adecuado de Stirling, es posible obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, lo que hace de este motor el más eficiente que se conoce. Sin embargo, adolece de un problema que lo condena a ser el propulsor de un número limitado de maquinaria: no es posible ponerlo en funcionamiento en forma instantánea.
Palabras Claves: Termodinámica, ciclo, temperatura, alternador.
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ABSTRACT
This paper provides information about the application of the laws of thermodynamics essential to carry out the construction of a Stirling engine since its operation is based on these applications. Basics are provided for the researcher in the area applied in a simple and useful bibliography for further on certain aspects of the research process. This includes addressing the types of thermodynamic cycles used in this engine as well as the theme of the designs, both experimental and non-experimental. It deals with the description of each of the sections that make up the report from the project approach to the conclusions and recommendations. Using a suitable design of Stirling, it is possible to force two pulses per revolution of the crankshaft, which makes the engine more efficient than the known. However, it suffers from a problem that condemns him to be the proponent of a limited number of machines: you cannot operate it instantly.
Keywords: Thermodynamics, cycle, temperature, alternator
x
INTRODUCCIÓN Esta investigación es el resultado del análisis de un conjunto de información acerca del tema elegido el cual explica el funcionamiento de un motor Stirling que a grandes escalas busca la gestión de energía pura. El proyecto ha sido desarrollado con base a las distintas etapas de estudio, las cuales fueron presentadas, revisadas y corregidas de acuerdo a los criterios de los diferentes actores que han participado en el mismo, los que finalmente concluyen en la propuesta que aquí se analiza y se presenta. El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempos de los egipcios para desarrollar trabajo mecánico, accionando de esta manera trampillas, puertas y pesadas cargas. La segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarrollos, pero en la revolución industrial las máquinas llamadas “térmicas” fueron estudiadas, desarrolladas y aplicadas de manera general. El motor Stirling objeto de esta investigación, es un tipo de motor térmico y como tal, genera trabajo mecánico a partir de la diferencia de temperaturas entre dos focos. El principio del funcionamiento es tan solo el calentar y enfriar un medio de trabajo, sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido. El motor es hermético por lo que siempre se utiliza el mismo medio en un circuito cerrado; es decir no hay escape del medio de trabajo y esto evita que ocurra una explosión, permitiendo que el motor sea extremamente silencioso y libre de vibraciones. La sociedad técnica actual se fundamenta en gran parte en dispositivos, máquinas térmicas, que transforman el calor en trabajo por ello la actual preocupación medioambiental y la cada vez más acuciante escasez de recursos energéticos de carácter fósil ha hecho que se haya rescatado del olvido este genial artilugio, como una de las posibles soluciones a tales problemas dado su excepcional rendimiento. Para describir cada uno de los proyectos que contempla este estudio, se ha subdividido la presentación final en capítulos los cuales han sido preparados de modo que cada uno de ellos sea autosuficiente y complementario al resultado final de la obra, no obstante, a continuación se incluye un listado de la estructura de este estudio y una descripción simplificada de cada uno de ellos desde el punto de vista de sus contenidos como de su objetivo.
1
CAPÍTULO 1 EL PROBLEMA: Consiste en describir de manera amplia la situación objeto de estudio ubicándola en un contexto que permita comprender su origen y relaciones. En este capítulo tenemos: planteamiento del problema, formulación del problema, objetivos, objetivo general, objetivos específicos y justificación. CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO: El marco teórico es la etapa en que reunimos información documental para confeccionar el diseño metodológico de la investigación es decir, el momento en que establecemos cómo y qué información recogeremos, de qué manera la analizaremos y aproximadamente cuánto tiempo demoraremos. En este capítulo tenemos: antecedentes, fundamentación teórica, definición de términos básicos, fundamentación legal y la propuesta. CAPITULO 3 METODOLOGÍA: Es la estrategia que se adopta para la investigación para responder al problema planteado. En esta sección se definirá y se justificará el tipo se investigación, según el diseño o estrategia por emplear. En este capítulo tenemos: diseño de la investigación, operacionalización de variables, instrumentos y procedimiento para la ejecución de la investigación. CAPITULO 4 MARCO ADMINISTRATIVO: En ésta sección se debe ubicar los aspectos administrativos del proyecto, ésta etapa tiene una mayor importancia para aquellos proyectos que se presentan para obtener financiación, total o parcial. En este capítulo tenemos: cronograma, presupuesto, recursos humanos y materiales. CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: En esta sección se muestra el desenlace de la investigación, así se puede juzgar si se llegó a cumplir cada objetivo específico.
Este
capítulo
consta
de:
2
conclusiones
y
recomendaciones
CAPITULO 1 1. PROBLEMA 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Tomando en consideración la situación del sistema educativo del país frente a las innovaciones científicas, se conoce que en Ecuador existen graves falencias de forma y fondo en el plan nacional de educación primaria, secundaria, universitaria y de postgrado, donde se refleja en la casi total ausencia de investigación científica en todas las áreas del conocimiento, ya que no se produce ciencia e innovaciones tecnológicas que aporten ideas nuevas al país y al mundo. En este punto se conoce que Ecuador tiene una deficiente educación fiscal, con docentes mal capacitados en pedagogía educativa, con estudiantes desmotivados al aprender, en un ambiente de subdesarrollo social y económico frente a una educación privada con pensiones que van entre los $400 a más de $1.000. Y esto tiene repercusiones en la educación universitaria con las mismas fallas de la educación del bachillerato, consiguiendo así profesionales que no piensan, analizan, crean, reflexionan, critican el propio sistema de educación y social, el cual debe ser reestructurado a fin de generar "ciencia".
No existe el suficiente apoyo para la realización de proyectos
educativos. Es por ello que el nuevo Sistema de Apoyo y Seguimiento a la calidad de los aprendizajes y una vinculación de gestión educativa propone monitorear, evaluar, propositivamente con el entorno escolar (Acompañar y brindar asistencia a las instituciones según el reglamento a la LOEI). 1Para su mejora continua y el cumplimiento de los objetivos educativos de calidad y equidad se ha diseñado un conjunto articulado de reflexiones, decisiones y estrategias anuales, que ayudan a la comunidad. Bajo este nuevo contexto legal y con un horizonte educativo a imaginar y diseñar el futuro deseado, renovado en la educación, se requiere que los cambios deseados considerando la definición de estrategias flexibles se pongan en marcha en la búsqueda de consensos para lograr un 1
Orellana. C. (2010). La educación en el Ecuador. http://www.enteratecuador.com/frontEnd/main.php?idSeccion=42252
3
desarrollo científico, de una manera activa por parte de sus actores reales, con base en la ciencia. Esta es una nueva carrera que comienza la humanidad en la búsqueda de fuentes de energía alternativa y renovable existen numerosos inventos y hallazgos que han venido permaneciendo dormidos en el recuerdo de los anales de la ciencia y que ahora ha llegado la hora de sacarlos del baúl y ponerlos en práctica.
2
La humanidad avanza cada vez más en la búsqueda de fuentes puras de energía, por ello se plantea la construcción de un equipo generador de energía alternativa, el motor Stirling. Para saber cómo funciona o que teoría tuvo el creador de este gran invento comenzaremos a realizar un estudio desde su historia. En 1816 el reverendo escocés Robert Stirling inventó un motor que funcionaba a base de cambios de temperatura, con el objetivo de crear movimiento con un sistema menos peligroso que la máquina de vapor. Dicho motor es nombrado con su apellido, el motor Stirling. Su funcionamiento se basa en la expansión y compactación de un gas debido a los cambios de temperatura que sufre. Para que sufra los debidos cambios pues al gas se lo somete al fuego y este producirá los siguientes efectos con el gas, compactado en un cilindro, cambiará de volumen al sufrir cambios de temperatura, y eso moverá a los pistones hacia adentro o hacia afuera, creando movimiento. Este motor es uno de los sistemas más sencillos para crear cinemática, sin embargo, es una de las máquinas potencialmente más eficientes que existen, de acuerdo con el coeficiente de rendimiento de Carnot. Lo normal en estos motores es que la diferencia entre la temperatura que calienta el gas y la temperatura que lo enfría no sea mayor a los 5º C, ya que existe una fuente de calor en la parte baja del recipiente, y el enfriamiento es a base de la temperatura que haya en el resto del recipiente, mas no necesariamente con una fuente que absorba el calor más allá de las paredes del mismo tanque. Esto quiere decir que si existirá el cambio de volumen en el gas, pero la presión que este cambio de volumen ejerza no es suficiente 2
Ruiz, J. (2007). Ventana de la Ciencia.. de http://josemanuelruiz.wordpress.com/2007/12/25/el-motor-stirling-en-aplicaciones-de-
energia-solar/. p1.
4
como para mover grandes cosas que requieran mucha potencia. También es un hecho que entre menor sea el volumen, mejor se comportará el motor."
3
Actualmente, la situación energética mundial se encuentra en estado de alerta. Esto se debe principalmente a tres factores importantes. El primero de ellos es la rápida creciente demanda de energía de la población. El segundo de ellos se asocia a la escasez, disminución y detrimento de los recursos energéticos convencionales. Por último y muy importante, el impacto ambiental negativo que las prácticas en el consumo energético de la población mundial ha generado; de este aspecto es importante resaltar que los desechos de las actividades del hombre son cada vez más abundantes, la capacidad de la naturaleza y de las sociedades, por procesarlos o disponerlos adecuadamente es cada vez más difícil y las consecuencias negativas de ellas es cada vez mayor. Hoy en día es bien sabido que existen varias fuentes de energía alternativas, que son consideradas ambientalmente amigables en términos de emisiones, desechos e impacto al ecosistema. Se destacan, entre ellas, la energía solar, eólica, hidráulica (pequeña y mini) mareomotriz y geotérmica. Gracias al desarrollo tecnológico, impulsado en gran medida por la crisis mundial y el cambio climático, se han desarrollado e implementado sistemas que aprovechan dichas fuentes, sin embargo, aún existen muchas limitaciones que han frenado su aplicación, entre ellas: el alto costo que no resulta comercialmente atractivo, la baja eficiencia de los equipos, la carencia de la fuente del recurso en distintas zonas, la falta de conciencia en cuidado del ambiente y convivencia social entre el hombre y el ecosistema, entre otros. En el motor Stirling es de gran ayuda para transformar la energía por las pequeñas demandas que suele tener la energía eléctrica. De los equipos desarrollados, normalmente, se aprovecha un tipo de energía y ésta es transformada en potencia mecánica o eléctrica; tal como los aerogeneradores, los paneles fotovoltaicos y, un ejemplo particular, los motores Stirling. Este motor utiliza cambios de volumen y presión de aire, en lugar de combustible
3
Wikispaces. Antecedentes e Introducción.de http://dimotor.wikispaces.com/file/view/antecedentes+e+Introduccion.doc.
5
fósil, para generar la potencia. Algunos motores Stirling han sido también potenciados mediante colectores solares tipo parabólicos
4
El Colegio Fiscal "Simón Bolívar" de la ciudad de Quito preparado en formar bachilleres de calidad y excelencia integral en Ciencias con especializaciones Físico – Matemáticas provistas de principios y valores, actitudes positivas y conocimientos, capaces de desarrollar destrezas y habilidades para la creación de nuevos conocimientos que le permitan acceder a la Educación Superior o al campo ocupacional, que además coadyuven en el cambio y transformación social, brinda su apoyo en el desarrollo de proyectos en Ciencias.
1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cuál es la incidencia de las actuales fuentes eléctricas en la construcción de un equipo generador de energía alternativa libre de efectos contaminantes destinada para satisfacer la demanda del Colegio Fiscal Simón Bolívar?
1.3. VARIABLES 1.3.1. VARIABLE DEPENDIENTE: Equipo generador de energía alternativa. 1.3.2. VARIABLE INDEPENDIENTE: Fuentes eléctricas actuales.
1.4. INTERROGANTES Ante la situación descrita se plantean las siguientes interrogantes:
¿Cómo identificar que la energía producida por un motor Stirling es más sana que la
energía convencional además de no ser dañina para el medio ambiente?
¿Se reducirá la contaminación generada por las actuales fuentes de energía con el
empleo de este dispositivo generador de energía alterna?
¿Mejorará el reparto de energía en los lugares que se encuentran alejados de la ciudad?
4
Linares. (2011). Metodología de la investigación. de: http://seminarioinvestigacionenero2012.wikispaces.com/file/view/Tarea+2.+Tabla+situacional+y+planteamiento.docx. p3.
6
1.5. OBJETIVOS 1.5.1
OBJETIVO GENERAL
Determinar la incidencia de las actuales fuentes energéticas en la construcción de un equipo generador de energía alternativa libre de efectos contaminantes mejorando la producción de energía.
1.5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar el funcionamiento de un motor Stirling.
Diagnosticar las ventajas y desventajas del motor Stirling.
Aplicar las teorías de un motor Stirling para ser puesto en práctica, para así demostrar la ventaja que se tiene sobre las actuales fuentes energéticas y su peligro latente de contaminación.
1.6.
Validar la construcción de un prototipo productor de energía alternativa.
JUSTIFICACION El presente proyecto pretende ser un trabajo no sólo de investigación teórica sino
también de experimentación práctica. A pesar que este tema no está siendo ampliamente estudiando en nuestro país, se lo ah elegido para este proyecto de investigación puesto que una de las tecnologías de mayor interés dentro del campo de las energías renovables es la relacionada con la energía solar termoeléctrica, donde se investiga la factibilidad de utilización de la radiación solar térmica de alta temperatura para la generación de electricidad, sin emitir sustancias radioactivas, ni contaminantes, en este caso esta investigación se centra en el funcionamiento del motor Stirling para así tener una visión clara del mismo y asi se dé la creación de equipos a grandes escalas como los que se encuentran formados por gran/des discos parabólicos que reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica.
7
Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento. El objetivo final de nuestra investigación es diseñar, la construcción y el análisis experimental de una máquina térmica prácticamente olvidada desde principios del siglo XX y que en los últimos años ha resucitado como una de las soluciones a los problemas energéticos mundiales, esto es de gran ayuda para el ser humano y el medio ambiente ya que la energía que el ser humano consume es muy dañina para el medio ambiente. Para su funcionamiento se necesita una fuente de energía externa, esta puede ser la energía solar, que toma importancia en estos tiempos de energías renovables. En sus tiempos, era poco práctico concentrar energía de forma externa para su uso, además que en aquellos años la idea era reemplazar a las máquinas de vapor usadas principalmente en barcos. Así, principalmente se tenía como objetivo ser usada en transporte, entonces tener una caldera abierta dentro de un vehículo para que el motor funcionara, no era para nada seguro ni práctico hasta que apareció el motor de combustión interna, que en pocas décadas conquistó el mercado, con la consecuente problemática actual y futura de la escasez de combustible y el renombrado Calentamiento Global. En la actualidad se tienen un sin número de energías alternativas que podrían generar algún tipo de trabajo es de gran importancia para la sociedad que se haga uso de todas estas fuentes de energía todo esto en búsqueda de crear el máximo trabajo con la mínima energía consumida o renovable y además que sea muy amigable con el medio ambiente. Es muy importante que cada día nos interesemos más por este tipo de energía más limpia, aunque en la actualidad la energía es sustraída en su mayoría del petróleo, que a pesar de ser muy contaminante se sigue usando ya que las multinacionales no lo dejaran de extraer y vender. Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica.
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Este motor tiene la gran ventaja de que puede representar una fuente de energía, una vez que se le conecte a una maquina eléctrica – alternador dinamo-, totalmente autónoma cuyo rendimiento es muy elevado. Si se dispone de una superficie colectora de los rayos solares en forma de espejo orientable o parábola, será muy fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y este se pondrá a funcionar. Estos ingenios tienen la ventaja de tener el más alto rendimiento en conversión de la energía calorífica del sol en electricidad en las plantas solares termoeléctricas. Teniendo en cuenta que al no haber combustión de ningún tipo el efecto contaminante de la instalación es prácticamente cero. Hemos decidido hacer este proyecto puesto que es innovador, además no ah sido investigado hasta el momento en el Colegio Fiscal “Simón Bolívar" y se busca dar a conocer la tecnología Stirling, creando conciencia de lo importante que es utilizar fuentes alternativas de energía en estos momentos de crisis en que se encuentra el planeta con todo esto de la contaminación ambiental. Al desarrollar nuestro proyecto en nuestro Colegio se busca dar el inicio a este tipo de aplicaciones para asi empezar a ponerlo ya en práctica en sectores donde no es posible satisfacer las necesidades de energía eléctrica con las actuales fuentes que la suministran.
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CAPITULO 2 2. MARCO TEÓRICO 2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN Un motor Térmico es el conjunto de elementos mecánicos, que permiten obtener energía mecánica, a partir de un proceso de combustión en un fluido que lo atraviesa. Es decir un motor térmico permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica almacenada en un fluido mediante un proceso de combustión 5. En cuanto a esto se puede decir que el Motor Stirling es un motor térmico, es decir, que utiliza la energía térmica para generar energía mecánica. En los motores de combustión externa la energía térmica es cedida al fluido motor a través de una pared. Estos motores reciben el nombre de calóricos. Motores alternativos utilizando fluido condensable son la máquina de vapor y con fluido no condensable, el motor Stirling. Por lo tanto el motor Stirling es un motor de combustión externa alternativo, que utiliza un fluido no condensable, un gas, para realizar su ciclo. En general, un motor térmico es un dispositivo mediante el cual un sistema realiza un ciclo en el que absorbe calor de un foco de temperatura alta, cede una cantidad de calor a un foco de temperatura inferior, y realiza un trabajo sobre el exterior. El motor Stirling es transparente, siendo visibles todos sus componentes. Posee el rendimiento teórico del ciclo de Carnot que es el límite máximo de rendimiento en las máquinas térmicas. Fuente de calor externa, lo que nos permite utilizar cualquier fuente de calor, energía nuclear, energía solar, combustibles fósiles, etc. El proceso de combustión externa permite que las emisiones de los gases de escape se puedan
5
Roberdel, (2010, 12). Aplicación Informática Para El Estudio Del Motor Stirling Mediante Visual Basic Para Uso Docente.
BuenasTareas.com.
de
http://www.buenastareas.com/ensayos/Aplicaci%C3%B3n-Inform%C3%A1tica-Para-El-Estudio-
Del/1333605.html.p7-8.
10
controlar mejor que en los motores de combustión interna. Funcionamiento silencioso, al no existir válvulas ni fases del ciclo con exhaustación de gases. 6 No obstante el verdadero futuro de aplicación del motor de Stirling está en aprovechar su característica más notable: su rendimiento. Por ello precisamente, este tipo de máquina térmica es un magnífico conversor de unos tipos de energía en otros, en particular resulta muy eficiente para transformar la energía radiante solar energía eléctrica usando un alternador o dinamo como elemento intermedio: Si disponemos de una superficie que colecte los rayos solares en forma de espejo orientable, será muy fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y éste se pondrá a funcionar. Al no haber combustión no existe índice de contaminación lo que constituye una gran ventaja contra otros motores. En la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos experimentales y demostrativos de gran rendimiento conocidos como Distal y Euro DISH formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling. El motor Stirling y su aplicación como generador de energía alterna ah sido investigado en un sin número de proyectos en los cuales se ha llegado a obtener conclusiones tales como su efectividad en el cumplimiento de su objetivo, las grandes ventajas que tiene sobre otros motores, el objetivo común de este proyecto con los anteriormente realizados se dedujo que la motivación para desarrollar nuevas tecnologías en este caso el motor Stirling es mejorar la calidad de vida y el confort de los usuarios haciendo énfasis en el uso racional de energía , las investigaciones anteriores señalan que el motor Stirling demostró tener cualidades positivas en cuanto a la contaminación del ambiente. 7
6
Roberdel, (2010, 12). Aplicación Informática Para El Estudio Del Motor Stirling Mediante Visual Basic Para Uso Docente.
BuenasTareas.com.
de
http://www.buenastareas.com/ensayos/Aplicaci%C3%B3n-Inform%C3%A1tica-Para-El-Estudio-
Del/1333605.html.p16. 7
BAÑOS, R. (2010). El Motor Stirling . de http://www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyecto-stirling-2010-ies-leonardo-da-
vinci.pdf
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2.2. FUNDAMENTACION TEORICA 2.2.1. RESEÑA HISTÓRICA DE LA TERMODINÁMICA La historia de la termodinámica como disciplina científica generalmente comienza con Otto von Guericke quien, en 1 650, construyó y diseñó la primera bomba de vacío y demostró un vacío usando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer el vacío con el fin de refutar la suposición de Aristóteles que la naturaleza aborrece el vacío. Poco después de Guericke, el físico y el químico Robert Boyle estudió y mejoró los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Con esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlación entre la presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formularon la ley de Boyle, indicando que para un gas a temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales y otras leyes de los gases. En 1 679, en base a estos conceptos, un asociado de Boyle, Denis Papin construyó un digestor de vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa hermética en el que el vapor confinado alcanzaba una alta presión, aumentando el punto de ebullición y acortando el tiempo de cocción de los alimentos. En 1 697, basados en diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor térmico, seguido por Thomas Newcomen en 1 712. Aunque estos primeros motores eran toscos y poco eficientes, atrajeron la atención de los científicos más destacados de la época. En 1 733, Bernoulli usó argumentos estadísticos, junto con la mecánica clásica, para extraer resultados de la hidrodinámica, iniciando la mecánica estadística. En 1 781 los conceptos de capacidad calorífica y calor latente, fueron desarrollados por el profesor Joseph Black de la Universidad de Glasgow, donde James Watt trabajó como fabricante de instrumentos. Watt consultó con Black en las pruebas de la máquina de vapor, pero fue Watt quien concibió la idea del condensador externo, aumentando grandemente la eficiencia de la máquina de vapor. En 1 783, Lavoisier propone la teoría del calórico. En 1 798 Benjamin Thompson, conde de Rumford, demostró la conversión del trabajo mecánico en calor.
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Sobre la base de todo este trabajo previo, Sadi Carnot, el padre de termodinámica, publicó en 1 824 Reflexiones sobre la energía motriz del fuego, un discurso sobre la eficiencia térmica, la energía, la energía motriz y el motor. El documento describe las relaciones básicas energéticas entre la máquina de Carnot, el ciclo de Carnot y energía motriz, marcando el inicio de la termodinámica como ciencia moderna. El primer libro de texto sobre termodinámica fue escrito en 1 859 por William Rankine, que originalmente se formó como un físico y profesor de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow. La primera y segunda leyes de la termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1 850, principalmente por la obras de Germain Henri Hess, William Rankine , Rudolf Clausius, James Prescott Joule y William Thomson (Lord Kelvin). Los fundamentos de la termodinámica estadística se establecieron por los físicos como James Clerk Maxwell ,Ludwig Boltzmann , Max Planck , Rudolf Clausius, Johannes van der Waals y J. Willard Gibbs . Desde 1 873 hasta el 76, el físico matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs publicó una serie de tres artículos, siendo la más famosa Sobre el equilibrio de las sustancias heterogéneas. Gibbs demostró cómo los procesos termodinámicos, incluyendo reacciones químicas, se podría analizar. Mediante el estudio de la energía, la entropía, volumen, potencial químico, la temperatura y la presión del sistema termodinámico, se puede determinar si un proceso se produce espontáneamente. La termodinámica química y la fisicoquímica fueron desarrolladas además por Walther Nernst, Pierre Duhem, Gilbert N. Lewis, Jacobus Henricus van 't Hoff, y Théophile de Donder, entre otros, aplicando los métodos matemáticos de Gibbs. También fueron de importancia para la termodinámica los desarrollos en termometría y manometría.8
8
Wikipedia. Termodinámica. de http://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica
13
2.2.2. RESEÑA HISTÓRICA DEL MOTOR STIRLING A principios del siglo XIX la revolución industrial comenzaba a tomar fuerza. El símbolo de esta etapa histórica era la máquina de vapor que contaba ya con algunos años de desarrollo. Sin embargo las máquinas de vapor eran aún monstruos enormemente costosos, muy ineficientes e incluso peligrosos, pues las calderas explotaban frecuentemente. Estos y otros inconvenientes sumados a la imposibilidad de desarrollar motores simples, económicos de construir y accesibles a pequeñas industrias, fueron los motivos por los que el reverendo inglés Robert Stirling propuso la idea de un nuevo motor que funcionara con un principio totalmente distinto: "el motor de aire caliente". En 1816 obtuvo la patente de su invento. Estos motores de aire caliente se conocen hoy con el nombre de su inventor. Primeras aplicaciones.- En sus primeros tiempos, el motor se usó como fuente de poder de pequeñas máquinas herramientas y bombas de agua. El notable inventor sueco John Ericsson diseño y construyó un barco movido con un motor de esta clase. Por la misma época logró una patente para una bomba de agua accionada por un motor Stirling que se convirtió rápidamente en un éxito de ventas entre los granjeros del oeste norteamericano. Incluso hasta las primeras décadas del siglo XX se vendían ventiladores de mesa que funcionaban con un pequeño mechero en la parte inferior del aparato. El perfeccionamiento de las máquinas de vapor, el desarrollo posterior del motor de combustión interna y años después la difusión de las redes eléctricas le dieron al motor de aire caliente un golpe del que nunca pudo recuperarse (hasta ahora). El resurgimiento.- En la década del '60 hubo un resurgimiento en el interés sobre este tipo de máquinas. Por esos años la empresa Philips desarrolló un generador portátil de energía eléctrica. Este artefacto generaba corriente eléctrica a la par que el sistema de refrigeración del aparato producía agua caliente para uso doméstico. Posteriormente gracias al impulso de investigación en nuevas fuentes de energía, provocadas por la primera crisis energética de principios de la década del '70 hubo nuevos avances en este sentido. En aquellos duros tiempos de surtidores vacios surgió le necesidad de encontrar motores alternativos a los tradicionales. Entonces la necesidad, llevó a algunas compañías automotrices a desarrollar vehículos con motores de ciclo Stirling, desde el punto de vista 14
energético mucho más eficientes que los tradicionales y amigos del medio ambiente. Los resultados fueron alentadores, pero el fin de la escasez petrolera hizo olvidar aquellas ventajas. Más recientemente se han utilizado máquinas de ciclo Stirling para generar energía eléctrica a partir de concentradores solares. Estos ingenios tienen la ventaja de tener el más alto rendimiento en conversión de la energía calorífica del sol en electricidad en las plantas solares termoeléctricas. 9 Básicamente, y sin entrar en detalles tediosos, el Stirling es un motor de ciclo cerrado en el que, en un ensayo ideal, el fluido de trabajo, contenido en el interior del motor, sería movilizado por los pistones a lo largo de las etapas del ciclo de trabajo. Su fuente de energía puede ser cualquier foco de calor externo con lo que puede ser aplicado en multitud de situaciones, aprovechando calor residual de origen industrial, combustión de todo tipo de materiales, calor solar e incluso el originado en procesos de fisión nuclear. Dado que la combustión se genera externamente al motor, no como la provocada en el interior de cada cilindro de un motor de combustión interna, puede controlarse a la perfección el flujo de energía.10 Existen diversos tipos de motor Stirling como los siguientes: Motor Stirling Alpha, Motor Stirling Beta y Motor Stirling Gamma. 2.2.3. Motor Stirling Alpha : Este tipo de motor no utiliza desplazados como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos. Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro. Uno de los cilindros se calienta mientras que el otro se enfría mediante aire o agua. El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor. Este motor fue diseñado por Rider. Este tipo, a diferencia del tipo beta, tiene dos cilindros, uno donde se sitúa la zona fría, y otro donde se sitúa la caliente. En cada cilindro, 9
Motores S. 2013. Historia. de http://stirling.8m.net/historia.htm
10
Alpoma. 2011. Innovación.de http://www.alpoma.net/tecob/?p=390
15
hay un pistón que está desfasado a 90º del pistón del otro cilindro. Los cilindros están conectados entre sí por un cigüeñal, que hace que la relación potencia/volumen sea bastante alta. El mecanismo de este tipo de motor es bastante sencillo, pero es complicado que no se escape el aire, sobretodo en el cilindro caliente, ya las altas temperaturas deterioran los materiales. GRÁFICO 2.1 (MOTOR STIRLING ALPHA)
Fuente: Concurso Espacial http://www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling Elaborado por: Leonardo de Vinci 2.2.4. Motor Stirling Beta: El motor original de Stirling era de este tipo. Consta de un solo cilindro, con una zona caliente (mediante un mechero de gas, alcohol etc.), una zona fría (refrigerada por aletas, agua etc.). En el interior del cilindro está el desplazador cuya misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa. Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, únicamente una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire. Los motores grandes suelen llevar un regenerador externo por el que debe pasar el aire en su camino de la zona fría a la caliente y viceversa. Concéntrico con el desplazador está situado el pistón de potencia. Mediante un cigüeñal especial el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione. Desde el punto de vista termodinámico es el motor más eficaz, pero su construcción es complicada ya que el pistón debe de tener dos bielas y permitir el paso del vástago que mueve el desplazador. Consta de un cilindro con dos zonas, una caliente y otra fría. En el interior del cilindro también se encuentra un desplazador que posibilita el movimiento de aire, y concéntrico con este, se encuentra el pistón de potencia, que está desfasado a 90º respecto
16
al desplazador. Este tipo de motor es el más eficaz, pero también el más complejo y voluminoso. GRÁFICO 2.2 (MOTOR STIRLING BETA)
Fuente: Concurso Espacial http://www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling Elaborador por: Leonardo de Vinci 2.2.5. Motor Stirling Gamma: Este tipo esta derivado del beta, pero es más sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en otro el pistón de potencia. Los sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo beta. En este tipo el pistón de potencia es mucho más sencillo de construir ya que es similar al de un motor de motocicleta. Aquí el pistón y el desplazador también deben de moverse desfasados 90 grados, lo cual se consigue mediante el cigüeñal adecuado. Desde el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el tipo beta, puesto que la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura. Estos son los principales diseños de motores Stirling y los más conocidos, pero también hay otros tipos conocidos como “Especiales” que daremos a conocer en otro post. Este motor es muy parecido al de tipo beta, pero es más sencillo de construir. Lo que diferencia al beta y al gamma es que el gamma tiene el pistón de potencia y el desplazador en diferentes cilindros, que están desfasados a 90º. Los dos cilindros están unidos por un cigüeñal. Este motor es más sencillo, pero su potencia es menor que la de tipo beta. 17
GRÁFICO 2.3 (MOTOR STIRLING GAMMA)
Fuente: Concurso Espacial www.slideshare.net/renatolachira/motor- Stirling Elaborado por: Leonardo de Vinci
2.2.6. Motor Ringbom: En 1905 Ossian Ringbom inventó un motor derivado del de tipo gamma, con una simplicidad mayor, pues el pistón desplazador no está conectado con el de potencia, sino que oscila libre movido por la diferencia de presiones y la gravedad. Posteriormente se fueron descubriendo pequeñas modificaciones en el motor Ringbom original, que posibilitaba un motor muy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma). GRÁFICO 2.4 (MOTOR STIRLING RINGBOM)
Fuente: Concurso Espacial www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling Elaborado por: Leonardo de Vinci 18
2.2.7. Motor de pistón líquido: En este tipo de motor se sustituye el pistón y el desplazador por un líquido. Está formado por dos tubos rellenos de unos líquidos; uno de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador. GRÁFICO 2.5 (MOTOR DE PISTÓN LÍQUIDO)
Fuente: Concurso Espacial www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling Elaborado por: Leonardo de Vinci 2.2.8. Motor Stirling termoacústico: probablemente es la evolución última de este motor en el que se simplifica al máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador y por lo tanto carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor original. Funciona gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí el nombre de “acústico”, merced al calor suministrado en el foco caliente. En la actualidad, aunque no se aplica extensamente, se empiezan a plantear su renacimiento o, mejor dicho, su nacimiento, porque en realidad nunca se le hizo mucho caso. Una lástima por el señor Stirling, que murió pensando que su invento no tendría mucho futuro.11 El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no 11
Baños, R. (2010). El Motor Stirling. de http://www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyecto-stirling-2010-ies-leonardo-da-
vinci.pdf
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serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. El ciclo teórico Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto, además el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos, mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales, conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión. 2.2.9. Ciclo de Trabajo. Su ciclo de trabajo se conforma mediante transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante). Existe un elemento adicional al motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. El regenerador es un intercambiador de calor interno que tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El
regenerador
consiste
en
un
medio
poroso
con conductividad
térmica despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones. En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos como Distal y Euro DISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento. Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica.
20
Es de esperar que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran escala unidades pequeñas de ese mismo tipo, (con disco solar) como por ejemplo con capacidad de producir unos 200 a 400 kW al mes (equipos de 1 a 2 kW de potencia aproximadamente); especialmente para los países situados entre los trópicos, pues en estas zonas la cantidad de radiación solar es grande a lo largo de todo el año y a su vez es la región donde hay más población dispersa.12 GRÁFICO 2.6 (GENERADOR DEL MOTOR STIRLING)
Fuente: Beta Stirling Wikipedia http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirlin Elaborado por: Beta Stirling Los motores de ciclo Stirling son motores de ciclo cerrado y en ellos se da la existencia de una cantidad fija de aire en el interior la cual no varía ni en aumento ni en disminución. Si se produjese por cualquier causa variación, el circuito no funcionaría por pérdida de compresión y por tanto de energía.
12
Wikipedia. Termodinámica. de http://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica. parr 4,8,10.
21
GRÁFICO 2.7 (PARTES DEL CICLO DEL MOTOR STIRLING)
Fuente: Funcionamiento de máquinas www.concursoespacial.com/trabajos2009 Elaborado por: Salesiano Los motores Stirling son máquinas de combustión externa, con lo cual se pueden adaptar a cualquier fuente de energía: combustión convencional o mixta, como biomasa y gas, energía solar, sin que ello afecte al funcionamiento interno del motor. Como la combustión es externa la contaminación química se reduce al máximo. De hecho los gases generados pueden filtrarse o, incluso, condensarse en un depósito y trasladarse después a un vertedero. En caso de energía solar o geotérmica la contaminación sería nula. Otra ventaja de los motores Stirling es que resultan extremadamente silenciosos, pues no disponen de válvulas ni fases de explosión en su ciclo. De este modo se evitan ruidos y vibraciones. Cuando el aire se calienta éste se expande y aumenta la presión interior al no variar el espacio en el que está cerrado; este calentamiento viene seguido de un enfriamiento. El motor realiza ambas variaciones de calor y frío en cada revolución del volante. - Calentamiento del aire → Aumento de presión. - Enfriamiento del aire → Disminución de presión.
22
GRÁFICO 2.8 (PARTES DEL MOTOR STIRLING)
Fuente: Salesiano.Funcionamiento de máquinas.concursoespacial.com/trabajos2009 Elaborado por: Salesiano 1.
Zona de calentamiento.
2.
Cilindro desplazador.
3.
Volante de inercia.
4.
Cigüeñal (Tipo Yugo de Ross).
5.
Pistón.
6.
Quemador. La variación de presión actúa en el cilindro del desplazador -zona de enfriamiento
con lo que la energía termal (calor) se convierte en energía mecánica (giro del volante y cigüeñal). El desplazador es el elemento que facilita el desplazamiento del aire hacia las zonas deseadas: zona de calentamiento y zona de enfriamiento de forma cíclica por cada revolución del volante de inercia. En la mayoría de los motores Stirling, el desplazador y el pistón de trabajo están mandados por el acoplamiento mecánico en un cigüeñal con un desfase de 90º, esta condición es obligatoria y necesaria para el funcionamiento satisfactorio; de otra manera se perdería eficacia o no funcionaría el motor. 13
13
Salesianos. (2013) . Funcionamiento. de http://salesianospamplona.info/maquinas/funcionamiento.htm
23
GRÁFICO 2.9 (FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR STIRLING)
Fuente: Funcionamiento de máquinas www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Salesiano 2.2.10. Principio Básico de funcionamiento. El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético. GRÁFICO (2:10) MOTOR STIRLING
Fuente: Les moteurs Stirling. http://www.moteur-stirling.com Elaborado por: WebRing 24
En el diseño, se aplica calor en la parte inferior, y frío en la parte superior a un recipiente hermético que contiene el medio de trabajo (aire), y un pistón desplazador, para mover el aire de una zona del recipiente a otra. Al aplicar calor a la base del recipiente, y con el pistón desplazador en la parte opuesta (arriba), aumenta la temperatura del aire, por lo que según la ley general de los gases aumenta la presión, empujando una superficie elástica, mediante la cual conseguiremos movimiento. Este movimiento de la superficie elástica se transmitirá a un cigüeñal, que a su vez irá conectado al pistón desplazador con en ángulo de noventa grados, de forma que, al subir la superficie elástica el pistón desplazador baje y desplace el medio de trabajo de la parte caliente del recipiente a la parte fría, lo que hará que disminuya el volumen y la presión del medio de trabajo, por lo quela superficie elástica volverá a su estado inicial, completando el recorrido del cigüeñal. Al volver a la posición inicial, volverá a subir el pistón desplazador, desplazando el medio de trabajo de nuevo a la parte caliente del recipiente, aumentando su volumen, la presión, y repitiendo el proceso. El ciclo termodinámico del motor de Stirling visto en la gráfica de presión contra volumen, se compone de dos procesos isotermos (se mantiene constante la temperatura)y de dos procesos isócoros (se mantiene constante el volumen), veámoslo en detalle: Gráfico 2.10 (Ciclo Stirling)
Fuente: Scribd. www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Manuel Cantoral Cortázar 25
Si partimos por ejemplo de la situación en la que el pistón desplazador se encuentra en la posición más baja, el aire se encontrará por competo en la cámara fría del cilindro, supongamos pues que esas condiciones son de temperatura T 1, volumen V1 y presión P 1. Ahora el pistón desplazador comienza subir y en consecuencia el aire comienza a ser enviado a la parte caliente del cilindro [trazo A, isócoros], se supone que este proceso se hacía volumen constante y por lo tanto cuando ya está todo el aire en la parte caliente las condiciones son de volumen V 1, de temperatura T 2 (mayor queT 1) y de presión P 2 (mayor que P1). El aire, al estar más caliente y con mayor presión comienza a expansionarse generando trabajo mecánico[trazo B, isoterma], al expandirse su volumen pasa a ser V 2 (mayor que V1)y su presión desciende a P 3 sin embargo mantiene su temperatura T2.Llegado este punto el pistón desplazador comienza de nuevo su recorrido descendente y envía de nuevo todo el aire a la parte fría del cilindro sin cambiar el volumen V 2 [trazo C, isócoros], la temperatura baja a T 1 y la presión a P 4. Por último volvemos al punto de partida del ciclo al comprimirse el aire manteniendo su temperatura T 1 y reduciendo su Volumen a V1 y con presión P 1 [trazo D, isoterma]. De esta manera comienza el ciclo de nuevo. Gráfico 2.11 (Diagrama Presión-Volumen)
Fuente: Scribd. www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Manuel Cantoral Cortázar El diagrama Presión-Volumen aporta la ventaja de poder “ver” gráficamente el trabajo externo desarrollado por la máquina pues coincide con el área encerrada en el ciclo 26
(al multiplicar presión por volumen las unidades físicas resultantes son de trabajo).Cuanto mayor sea el área del ciclo mayor es la potencia del motor de lo que se puede deducir que a mayor diferencia de temperaturas entre los focos mayor es la distancia éntrelas dos isotermas y por lo tanto mayor es la potencia del motor, esto es precisamente lo que queremos demostrar en nuestro experimento que posteriormente describiremos. El rendimiento de un motor térmico es la porción de energía calorífica que es transformada en energía mecánica. Entendiendo que el calor es la energía que fluye entre dos focos a distinta temperatura podemos poner pues que:
n W
(2:1)
Donde W es el trabajo obtenido y Qc el calor que fluye del foco caliente al frío (en el gráfico Qf es la parte del calor que llega al foco frío y que no puede ser transformada en trabajo).Lo ideal, evidentemente sería un motor con rendimiento 1 (esto es, del100%) de manera que todo el calor se transformase en trabajo y nada se “desperdiciase , sin embargo existe un principio físico que demuestra que esto es no sólo prácticamente sino también teóricamente imposible y a lo máximo que se puede llegar en teoría es a tener un rendimiento de que sigue esta expresión:
n 1 f
(2:2)
Donde y son las temperatura del foco frío y caliente respectivamente (omitimos demostración de ello por escaparse a nuestro nivel de física y matemáticas). Como es obvio deducir, para que el rendimiento sea lo más próximo a 1necesitaríamos llevar al infinito la temperatura del foco caliente, lo cual es imposible. Por lo tanto nos tenemos que conformar con rendimientos menores del 100% siempre. El motor Stirling, al menos en teoría, es capaz de alcanzar este rendimiento máximo y es ahí donde radica su verdadero valor de aplicación. 14 Una meta importante de la ingeniería es la de desarrollar dispositivos que permitan convertir el calor en trabajo. Mientras que la conversión del trabajo en calor se puede conseguir con un rendimiento del 100 %, la conversión de calor en trabajo viene limitada 14
Baños, R. (2010). El Motor Stirling. de http://www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyecto-stirling-
2010-ies-leonardo-da-vinci.pdf
27
por el Segundo principio de la Termodinámica: No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conversión íntegra de este calor en trabajo, sin producir ningún otro efecto. En general, un motor térmico es un dispositivo mediante el cual un sistema realiza un ciclo en el que absorbe calor de un foco de temperatura alta, cede una cantidad de calor a un foco de temperatura inferior, y realiza un trabajo sobre el exterior. En 1 816, Stirling diseñó un motor de aire caliente que podía convertir en trabajo parte de la energía liberada al quemar combustible. Tenía la ventaja de trabajar a más bajas presiones y ofrecer, por tanto, menor riesgo de explosión que la máquina de vapor. Posteriormente, el motor Stirling fue abandonado al desarrollarse el motor de combustión interna. En la actualidad, el motor Stirling está en una nueva fase de desarrollo debido a sus muchas ventajas. Por ejemplo, constituye un sistema cerrado, trabaja muy suavemente y puede funcionar con diferentes combustibles, lo cual permite investigar también los aspectos ambientales en nuestra sociedad. Nosotros vamos a utilizar el motor Stirling para estudiar el principio de las máquinas térmicas, porque, en este caso, el proceso de conversión de la energía térmica en energía mecánica es particularmente claro y relativamente fácil de entender. El reverendo Robert Stirling inventó el motor que lleva su nombre y lo patentó en 1816. Es un motor de combustión externa frente a los tradicionales motores gasolina o diésel de combustión interna que mueven los vehículos. El motor opera con una fuente de calor externa que puede ser incluso solar o nuclear y un sumidero de calor, la diferencia de temperaturas entre ambas fuentes debe ser grande. En el proceso de conversión del calor en trabajo el motor de Stirling alcanza un rendimiento superior a cualquier otro motor real, acercándose hasta el máximo posible del motor ideal de Carnot. En la práctica está limitado, porque el gas con el que trabaja es no ideal, es inevitable el rozamiento en los distintos componentes que se mueven, etc. En la fotografía se muestra un motor Stirling activado por energía solar.
28
El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. El ciclo teórico Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto, además el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos, mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales, conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión. Su
ciclo
de
trabajo
se
conforma
mediante
2
transformaciones isocóricas calentamiento y enfriamiento a volumen constante y dos isotermas compresión y expansión a temperatura constante. Existe un elemento adicional al motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. El regenerador es un intercambiador de calor interno que tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El
regenerador
consiste
en
un
medio
poroso
con conductividad
térmica despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones. El motor Stirling ideal es un motor térmico cuya sustancia de trabajo es aire caliente al que consideramos gas perfecto y sigue los siguientes procesos: - Proceso I: Expansión isoterma a la temperatura T del foco caliente, del cual se absorbe la cantidad de calor Q :
∆ 0 → ln(/) > 0 29
(2:3)
-Proceso II: enfriamiento isócoro desde T a Tf . En este proceso, el regenerador absorbe del aire el calor Qó :
0 → ∆ ( ) < 0
(2:4)
-Proceso III: Compresión isoterma a la temperatura Tf del foco frío, al cual se cede la cantidad de calor Qf : ) < 0 ∆ 0 → ln(
(2:5)
-Proceso IV: Calentamiento isócoro desde Tf a T . Para ello, el regenerador cede al aire la misma cantidad de calor Q que absorbió en el proceso II:
0 → ∆ ( ) > 0
(2:6)
Es importante resaltar que, en el ciclo Stirling, la energía térmica cedida por el aire durante el enfriamiento isócoro, se almacena en un dispositivo denominado regenerador, y posteriormente es devuelta al gas, de forma íntegra, en el calentamiento isócoro principio de regeneración. Es decir, el calentamiento isócoro, experimentado en el proceso IV, es un calentamiento regenerativo, el calor Q es un calor cedido por el mismo sistema, no por el exterior. El ciclo descrito supone una serie de idealizaciones del motor: el aire es considerado como gas ideal y sin fugas, las paredes de los cilindros están térmicamente aisladas, en el regenerador no hay conducción de calor, no hay rozamientos, etc. El diagrama de un ciclo Stirling real, se asemeja mucho más al de la figura de la derecha, y de hecho es la que vamos a ver en el osciloscopio. -El rendimiento η del ciclo Stirling ideal se calcula atendiendo al concepto de rendimiento de un motor térmico:
1 ()
(2:7)
-Si consideramos que el motor térmico es ideal, entonces:
1 30
(2:8)
-En general, de acuerdo con el segundo principio de la Termodinámica, tendremos que:
< < 1
(2:9)
El regenerador: El motor de Stirling dispone de un dispositivo denominado regenerador. Actúa como un sistema que almacena energía en cada ciclo. El calor se deposita en el regenerador cuando el gas se desplaza desde el foco caliente hacia el foco frío disminuyendo su temperatura. Cuando el gas se desplaza desde el foco frío hacia el foco caliente el regenerador suministra energía al gas aumentado su temperatura. En el proceso 2→3, se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco frío, el gas deposita el calor en el regenerador, disminuyendo su temperatura. En el proceso 4→1, se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco caliente, el gas retira el calor depositado en el regenerador, aumentando su temperatura. A medida que la temperatura se incrementa la presión del gas se incrementa, y el sistema vuelve a su estado inicial. Por tanto, debido al papel del regenerador, el calor absorbido en el ciclo completo no es:
+ + ( )
(2:10)
Sino
(2:11)
Como se ha mencionado el regenerador conduce internamente el calor cedido en el proceso 2→3 para que se absorba en el proceso 4→1, tal como se muestra en la figura: El rendimiento del ciclo es:
− 1
31
(2:12)
Gráfico 2.12 (Diagrama Presión-Volumen)
Fuente: Scribd www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Manuel Cantoral Cortázar Que es el mismo que obtuvimos para el motor ideal de Carnot. 15
2.2.11. CICLOS TERMODINAMICOS Los ciclos termodinámicos son la aplicación más técnica de la termodinámica, ya que reproducen el comportamiento cíclico del fluido de trabajo de una máquina térmica durante el funcionamiento de ésta. En los apartados siguientes se estudiarán los ciclos termodinámicos
más
característicos
por
su
carácter
didáctico,
por
sus
especiales propiedades o por su aplicabilidad a máquinas térmicas de utilización en la industria o en el transporte. Es necesario indicar que los ciclos termodinámicos constituyen una referencia teórica, que a menudo no se corresponde con exactitud con la evolución real de un fluido en el interior de una máquina térmica, debido a muchas razones como son: las irreversibilidades de los procesos, las pérdidas de calor, las fugas másicas, las pérdidas de
15
Departamento de Física Aplicada. Motor Stirling . de http://es.scribd.com/doc/74844412/Motor-Stirling.
32
carga en los conductos, la heterogeneidad de los fluidos circulantes, y debido igualmente a otros fenómenos de compleja simulación. En este sentido puede afirmarse que los ciclos termodinámicos son los modelos matemáticos más sencillos, dentro del amplio espectro de modelos que pretenden simular el comportamiento de las máquinas térmicas. Los ciclos termodinámicos puede clasificarse de las siguientes formas: Ciclos directos y ciclos inversos. Los primeros son los de aplicación a máquinas térmicas, y recorren los diagramas típicos de representación ( p-v, T s, h-s)
en sentido horario. Los ciclos inversos son de aplicación a máquinas frigoríficas y
recorren los diagramas típicos ( p-h, h-s) en sentido anti horario. Ciclos para sistemas abiertos y ciclos para sistemas cerrados. Los primeros son de aplicación a máquinas de flujo continuo. Cada una de las máquinas que componen la instalación tiene una permanente renovación del fluido, aunque en su conjunto el sistema puede recircular el flujo por completo. Su representación gráfica más habitual son los diagramas T-s o h-s y p-h si son inversos. Los ciclos para sistemas cerrados son de aplicación a máquinas de desplazamiento positivo, en las que el volumen de control se modifica a lo largo del propio ciclo. Suelen renovar el fluido en una etapa determinada del ciclo, y no de forma continua. Su representación más común es el diagrama p-v. Ciclos de fluido condensable y ciclos de fluido no condensable. En los primeros el fluido cambia de fase durante su evolución, de modo que durante un tramo del ciclo el fluido es líquido y en el otro es vapor. Debido a las características del fluido, suele recircularse éste por completo, y se aplican siempre a máquinas de flujo continuo. En los ciclos de fluido no condensable, el fluido (gaseoso) no cambia de fase. Pueden ser de ciclo cerrado o de ciclo abierto. Esta última condición paradójica refiere a que el gas, por haber sufrido una transformación química (proceso de combustión) se expulsa al final del ciclo al mismo tiempo que se renueva la carga con gas fresco. El ciclo, pues, se cierra de forma imaginaria para retornar a las condiciones termodinámicas iniciales. 33
Los ciclos de fluido no condensable son de aplicación tanto en máquinas de flujo continuo como en máquinas de desplazamiento positivo. Ciclos directos para sistemas abiertos con fluido condensable Estos ciclos, como todos los que pueden definirse para sistemas abiertos, suelen trabajar entre dos niveles de presión claramente definidos, que se mantienen prácticamente constantes durante la circulación del flujo salvo ligeras pérdidas de presión provocadas por el rozamiento de éste con las paredes de los conductos, necesarios para conectar los distintos elementos de una máquina térmica de flujo continuo. Por eso se maneja como parámetro característico del ciclo la relación de compresión, rp, definida como el cociente entre las presiones extremas del ciclo. Ciclo de Rankine simple Propuesto por el ingeniero escocés W.J.M. Rankine hacia 1 860, el ciclo Rankine constituye el ciclo básico de funcionamiento de las turbinas de vapor, empleadas actualmente como grandes plantas de generación de potencia. Tal como se aprecia en la gráfico 2.11, se diferencia del ciclo de Carnot en que la condensación termina en condiciones de líquido saturado, por lo que la compresión puede realizarse por medio de una bomba hidráulica. Como consecuencia, el líquido saliente de ésta debe ser precalentado hasta su temperatura de ebullición antes de evaporarse. GRÁFICO 2.13 CICLO DE RANKINE SIMPLE
Fuente: Scribd www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Manuel Cantoral Cortázar 34
El rendimiento de este ciclo, además de poder expresarse en función exclusivamente de las temperaturas de absorción y cesión de calor , puede expresarse en función de entalpías, ya que se identifican con incrementos de en tal pía tanto los intercambios de calor por ocurrir a presión constante, como los trabajos realizado o recibido por compresor o turbina por ser usualmente los procesos adiabáticos y despreciables las variaciones de energía cinética: | ( − )−( − ) ( − )−( − ) || |||−| || − − |
(2,13)
El ciclo de Carnot presenta varios inconvenientes a la hora de llevarlo a la práctica, como son las grandes irreversibilidades que durante tanto al final de la expansión como al principio de la compresión provocaría la presencia de un flujo bifásico, o la dificultad de controlar una condensación parcial hasta la entropía
de saturación del líquido a alta
presión. Además, la necesidad de recibir calor en condiciones suscriticas condiciona los rangos de presión y temperatura del ciclo, lo que para algunas sustancias como el agua, cuya temperatura crítica es de 374.15 ºC, constituye una limitación importante. Por estas razones suelen utilizarse en instalaciones de potencia otros ciclos derivados del de Carnot, como los que se exponen a continuación. Ciclo de Rankine simple: Propuesto por el ingeniero escocés W.J.M. Rankine hacia 1 860, el ciclo Rankine constituye el ciclo básico de funcionamiento de las turbinas de vapor, empleadas actualmente como grandes plantas de generación de potencia. Tal como se aprecia en la gráfico 2.12, se diferencia del ciclo de Carnot en que la condensación termina en condiciones de líquido saturado, por lo que la compresión puede realizarse por medio de una bomba hidráulica. Como consecuencia, el líquido saliente de ésta debe ser precalentado hasta su temperatura de ebullición antes de evaporarse.
35
El rendimiento de este ciclo es algo inferior al de Carnot, tal como puede apreciarse en el diagrama
, pero la etapa de compresión es mucho más fácil de realizar. El
trabajo recibido por la bomba puede calcularse asumiendo el flujo como incompresible, es decir tomando el volumen específico del líquido constante. GRÁFICO 2.14 (CICLO DE RANKINE SIMPLE)
Fuente: Manuel Cantoral Cortázar. Scribd.www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Manuel Cantoral Cortázar | ( − )−( − ) ( − )−(− ) | |−|| |||−| || − − |
(2:14)
|| ℎ ℎ ( )
(2:15)
Este ciclo comparte con el de Carnot las desventajas antes comentadas de irreversibilidades durante la expansión y de limitación de temperaturas máximas, y por tanto de rendimiento. Ciclo de Rankine con recalentamiento El recalentamiento consiste en prolongar la etapa de absorción de calor para producir un sobrecalentamiento del vapor saturado elevando su temperatura. En la práctica esto puede conseguirse en la misma caldera o en un sobre calentador específico. El esquema más simple de una instalación con recalentamiento sería el de la gráfica 2.13. De esta forma, las limitaciones de temperatura máxima ya no son de tipo termodinámico sino que vienen impuestas por la resistencia térmica del material en contacto con el vapor en su punto de máxima temperatura, es decir, a la entrada de la turbina. El rendimiento de este 36
ciclo es superior al del de Rankine simple, pues si se descompone el nuevo ciclo en ciclos diferenciales de Carnot, las temperaturas de los focos calientes de los ciclos añadidos son mayores, por lo que éstos contribuyen a incrementar el rendimiento. El rendimiento del ciclo en este caso vale: − ) (−)−( −
(2,16)
GRÁFICA 2.15 (CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO)
Fuente: Manuel Cantoral Cortázar. Scribd.www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Manuel Cantoral Cortázar
GRÁFICA 2.16 (ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN CON CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO)
Fuente: Manuel Cantoral Cortázar. Scribd. www.tecmotor.wordpress.com Elaborado por: Manuel Cantoral Cortázar Además el rendimiento isotrópico de la turbina se incrementa por encontrarse el vapor a la salida de la misma más seco. 16
16
Cortázar, M. Ciclos Térmicos. de http://es.scribd.com/doc/15905540/Ciclos-termodinamicos. p 75-78.
37
2.2.12. EJERCICIOS DE APLICACIÓN. A continuación tenemos los respectivos ejercicios resueltos que sustentan el tema de Física en el que se basa este proyecto:
1. Los alambres del alumbrado eléctrico son de cobre, suponiendo que los postes están separados 25m y que los alambres están tensos un día de invierno cuando la temperatura es 0ºC. ¿Cuál será la longitud de cada alambre un día de verano cuando la temperatura es de 30ºC? DATOS:
PLANTEAMIENTO:
(+) (25)[1 + (16,6.10−℃− )(30℃)] (25)(1+0.000498) 25,01245, ℎ 1,245.
25 30° − − 16,6. 10 ℃
2. ¿Cuál será la longitud a 80 ℃ de una cinta de aluminio que a -30 ℃ tiene 78cm?
DATOS:
78 30℃ 80℃ 25.10−℃− ∆ T ∆T80 (30) ∆T110℃
PLANTEAMIENTO
[1 + ( )] (78)[1+10,000024℃−(110℃)] (78)(1+0,00264) 78,20592
3. En el comparador de la figura se mide la dilatación de una barra de hierro, de 1m de longitud a 0℃, obteniéndose para los 50 ℃ una dilatación de 0,06cm. 38
Calcular:
a) El coeficiente de dilatación lineal del hierro. b) Si tiene una sección de 10a 0℃.¿Cuáles son su sección y su volumen a
100℃?
GRÁFICO:
DATOS:
1 0° 50° 0,06 )∝? ) 10 0° ? 100°
PLANTEAMIENTO:
) ∝ −∆ , . ∝ 12.10−℃− ) 2 ∝ 24.10−℃− ′ (1+∆) ′ 10(1+24.10−.100) ′ 10,024 ′ (1+∆);336.10− ′ 10.100(1+36.10−.100) V′ 1003,6cm. ′
4. Un recipiente de cobre de 0,1 kg contiene 0,16kg de agua y 0,018nkg de hielo en equilibrio térmico a presión atmosférica. Si se introduce un trozo de plomo de 0,75kg de masa a 255 ℃, ¿qué temperatura final de equilibrio se alcanza?
39
DATOS:
GRÁFICO:
0,1 0,16 0,018 130 ⁄ 390 ⁄ 4190 ⁄ ó 334.10 ⁄ 0,75 255℃ ?
0ºC
225ºC
PLANTEAMIENTO:
( mc + mc + mc)∆T Qdisponible. ( 0,178.4190+0.1.390+0,75.130)∆T 18850,5 . 18850,5 ∆ (745,82+39+97,5 ) ∆ 18850,5 882,32 ∆ 21,36℃ 21,36℃ 5. Un trozo de hierro se deja caer en agua tal como se muestra en la figura. Determine la temperatura y fase del agua en equilibrio. En caso de no existir 2 fases de agua determine las masas finales en cada base. DATOS:
GRÁFICO:
4° 200. = 15℃
Hierro 600g -15℃.
4℃
PLANTEAMIENTO:
40
Agua=200g
4℃ 0℃. 1 200.1 .4 800. Hierro de 15℃ a 0℃. 600.0,107.15 963 .
963 800 163 m 163 80 2,04g. Tqu 0℃ 2,04 ℎ 197.6 .
6. Un calorímetro de 55 de cobre contiene
250 de agua a 18℃. Se introducen en él 75 de una aleación a una temperatura de 100℃, y la temperatura resultante es de 20,4℃. Hallar el calor específico de la aleación. El calor específico del cobre vale. 0,093 /℃. GRÁFICO:
DATOS E INCOGNITAS:
55 0,093 /℃ 18℃ 250 1 /℃ 18℃
75 100℃ 20,4℃ ?
3 1 + 2 33(3 ) 11( 1) + 22( 2) 3 11( 31()+3 2) 2( 2) ) +(250)(1) (20,418) 3 55(0,093)(20,418 75 (100 20,4)
3 12,276+600 5970 3 612,276 5970 3 0,102 /℃ 41
7. Hallar la temperatura de la mezcla de
1 de hielo a 0℃ con 9 de agua a 50℃.
DATOS E INCOGNITAS:
+ 2( ) 1 + 11( 1) (9)(1)(501) 1,80+1,1( 0) 450980 91+80450 10 370
? 1 1 1 1 /℃ 1 6℃ 2 1 /℃ 2 50℃
8. Calcular la cantidad de calor necesario para transformar
10 de hielo a 0 ℃ en vapor a
100℃. DATOS E INCOGNITAS:
+ ∆ + (10)(80) + (10)(1)(100) +5400
? 1 1 1 1 /℃ 1 6℃ 2 1 /℃ 2 50℃
7200
.
Q=7,2 Kcal
9. Un bloque de metal, de masa 125g, calentado a 100 ºC, se introduce en un calorímetro que contiene 200g de agua a 12 ºC.
[200(12)] 100(0,2 )( 100) 200+2400202000 4400 220 20℃
DATOS E INCOGNITAS:
? 1 125 0,16 /℃ 1 100℃ 2 200 2 12℃
10. Dos placas metálicas idénticas tienen diferentes tiempos; la primera es 20 ℃ y la otra es
90℃. Si son colocadas y hacen un buen cortado térmico, ¿Cuál será su temperatura final? 42
∆ ∆ ; 2 + 110 2 T=55℃
DATOS E INCOGNITAS:
20℃ 90℃ ?
2.3.PROPUESTA 2.3.1. TEMA:
“CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR STIRLING APLICANDO LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA"
2.3.2. JUSTIFICACIÓN Es muy importante que cada día nos interesemos más por este tipo de energía más limpia, aunque en la actualidad la energía es sustraída en su mayoría del petróleo, que a pesar de ser muy contaminante se sigue usando ya que las multinacionales no lo dejaran de extraer y vender. Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica. Este motor tiene la gran ventaja de que puede representar una fuente de energía, una vez que se le conecte a una maquina eléctrica – alternador dinamo-, totalmente autónoma cuyo rendimiento es muy elevado. Si se dispone de una superficie colectora de los rayos solares en forma de espejo orientable o parábola, será muy fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y este se pondrá a funcionar.
43
Estos ingenios tienen la ventaja de tener el más alto rendimiento en conversión de la energía calorífica del sol en electricidad en las plantas solares termoeléctricas. Teniendo en cuenta que al no haber combustión de ningún tipo el efecto contaminante de la instalación es prácticamente cero.
2.3.3. FUNDAMENTACIÓN Hemos decidido hacer este proyecto puesto que es innovador, se ve la aplicación de las leyes de la rama de la Física llamada Termodinámica dándonos asi un mayor conocimiento de la misma; además no ah sido investigado hasta el momento en el Colegio Fiscal “Simón Bolívar" y se busca dar a conocer la tecnología Stirling, creando conciencia de lo importante que es utilizar fuentes alternativas de energía en estos momentos de crisis en que se encuentra el planeta con todo esto de la contaminación ambiental. Al desarrollar nuestro proyecto en nuestro Colegio se busca dar el inicio a este tipo de aplicaciones para asi empezar a ponerlo ya en práctica en sectores donde no es posible satisfacer las necesidades de energía eléctrica.
2.3.4. OBJETIVOS 2.3.4.1.Objetivo General: Mostrar el funcionamiento de un motor Stirling demostrando las leyes de la Termodinámica que fueron aplicadas.
2.3.4.2.Objetivos Específicos
Diseñar, la construcción y el análisis experimental de una máquina térmica
Stirling.
Diagnosticar las ventajas y desventajas del motor Stirling.
Dar a conocer los beneficios de la utilización del motor Stirling que junto a otros dispositivos s a grandes escalas será capaz de producir energía eléctrica pura.
2.3.5. IMPORTANCIA 44
La importancia de este proyecto radica en crear conciencia de que existen dispositivos que a pesar de haber sido tirados al olvido en la actualidad con un buen empleo de los mismos y junto a herramientas especializadas a grandes escalas se puede generar energía eléctrica pura reduciendo asi la contaminación latente que se puede observar a diario en nuestro vivir a causa de fuentes generadoras de energía eléctrica que cada día contribuyen al deterioro de nuestro medio. Además las mismas no son capaces de llegar a lugares de difícil acceso puesto que sería demasiado costoso aquí es donde entra en escena esta propuesta ya que si se la toma en consideración se construirán los dispositivos antes mencionados a grandes escalas lo suficientemente potentes para llegar a los lugares necesitados de energía. Además sin ir más lejos, en nuestro País, este nuevo gobierno habla acerca de la producción de energía eléctrica en el país a través de las hidroeléctricas . El vicepresidente de la República el Ing. Jorge Glas menciona su compromiso: que no solo se cubrirá la demanda energética interna sino que se exportará energía renovable a países de la región. Señaló que se desarrollará una nueva economía basada en el conocimiento. "Lo mejor está por venir en el Ecuador... el momento para crecer es ahora... Trabajaremos con los jóvenes ", destacó. Es por ello que nuestra propuesta incluso le daría una visión para asi no solo querer avanzar mediante las actuales fuentes de energía sino también empezar a estudiar y buscar la aplicación de las fuentes alternativas de producción de energía haciendo uso de útiles máquinas como lo es el motor Stirling
2.3.6. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA La construcción del motor Stirling mediante el cual indicaremos su funcionamiento incluye los siguientes pasos: El cigüeñal se construirá con el alambre fuerte, para que no se doble durante el funcionamiento del motor, y descansará sobre dos placas de aluminio que sirven de cojinetes. 45
En cada placa se taladran orificios; en el borde superior se cortará sendas entallas donde apoyar el cigüeñal, para luego atornillarlas. El volante es disco con un surco pensado para montar una correa. Se fabricará una utilizando plástico duro reforzado con baños de cola blanca aguada y papel y poliespán. En el centro se realizará un pequeño agujero para acomodar el cigüeñal con la ayuda del pegamento. El alambre del cigüeñal tiene que sobresalir de los cojinetes de tal manera que sus extremos puedan cortarse y doblarse dejando sendos tramos de unos 5centímetros perpendiculares al eje del cigüeñal. Estos tramos finales tienen que quedar perpendiculares uno al otro vistos de costado. Con una sierra se cortarán las tapas de dos latas de refresco. Se pondrán boca abajo y encolaran las varillas de madera en sus tapas del fondo. En el montaje final del motor, se encolarán los extremos superiores de estas bielas a una placa de aluminio cada una. A su vez cada placa va montada con tuercas y arandelas a un perno largo. Este perno atraviesa otras dos bandas de aluminio que están unidas a los extremos exteriores de las manivelas con un perno corto y una tuerca. El conjunto completo es denominado muñequilla del cigüeñal. Hay que fijar cada lata de conservas a un trozo de tubería de cobre. En el fondo de cada lata se practicarán cortes radiales con una navaja, forzando hacia el interior el trozo de tubo, que se abre paso por las aletas que hicieron los cortes. Dejando fuera de la lata unos dos centímetros de tubo. Se soldará la junta del tubo con la lata. Una vez colocados los dos botes, se colocarán sobre sus extremos abiertos. A continuación se soldarán los codos a cada uno da los tubos, en su posición correcta. Se tomará el tercer trozo de tubería y se abrirá un orificio por la mitad.
46
Se suavizará los cantos y luego se los cerrará con varias vueltas de cinta de vinilo. Ese agujero sirve como drenaje. Se soldará este tubo al codo correspondiente al depósito caliente. Asegurándose que el codo del depósito frío con unas vueltas bien prietas de cinta de vinilo, de modo que el sistema pudiera posteriormente desmontarse. Montaje de tubos y latas. Se construirá un chasis sobre el que instalar los depósitos y que permitiera un fácil acceso al drenaje. Después de pasar las bielas por las armellas atornilladas al pie que soporta el aparato, se fijará a las bandas metálicas externas de las muñequillas con el pegamento o con cinta adhesiva. Para que el volante tuviera una masa suficiente que le permitiera completar la vuelta cuando el motor se pusiera en marcha, se tendrá que añadir peso. Por último se engrasará los cojinetes y se comprobará si el volante y las latas se mueven sin dificultad. Sería mejor utilizar un trozo de tubo con drenaje. De esta forma se puede añadir un regenerador o cambiarlo si se desea. Sujetar tornillos o pernos o trozos de madera, etc. con cinta adhesivo.
2.3.7. RESULTADOS ESPERADOS: Demostrar que el motor Stirling al desarrollarlo en escalas más grande es decir ya no como prototipo sino como un motor real, ya que al desarrollarlo podría generar energía eléctrica que sea útil para el ser humano. Darle a conocer a la sociedad el de un nuevo motor para que este sea estudiado mas fondo y pueda buscar una solución para subir más su volumen ya que es demasiado bajo su potencial para poder generar energía y darle buen uso. El motor no función por si sola sin regenerador, por lo que es imprescindible su uso para que el motor funcione. La máquina funciona mejor cuando mayor es la diferencia de temperatura y mayor es la del depósito caliente. El ángulo de 90° que forman las manivelas es importante porque de esta forma la biela fría es arrastrada por la caliente y es obligada a girar, cosa que con otra disposición no se conseguiría.
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Este tipo de motor es rentable, ya que realiza más trabajo del que necesita para ponerse en marcha.
2.3.8. NOVEDAD E IMPACTO La novedad e impactó es que el motor Stirling evita la contaminación ambiental ya que es silencioso y por el mismo hecho de que funciona con cualquier otra energía alterna, este evita la contaminación del auditiva. El motor Stirling, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica. Los motores Stirling, a diferencia de los motores de combustión interna, tienen su gran ventaja en este aspecto pues la contaminación que producen es muy reducida, en el caso de que las fuentes térmicas sean de la quema de algún combustible, y algunos casos es nula, en caso de que se usen fuentes de calor con energía renovable como concentradores parabólicos de luz solar o paneles solares. En cuanto a la contaminación sonora que pueden producir son muy ventajosos porque a diferencia de los motores de combustión interna no producen casi ruidos ni vibraciones que alteren el entorno en que trabaja. Para la determinación del impacto ambiental de un motor Stirling se deberá tomar en cuenta la forma en que se logrará ceder calor (para combustión, controlar la emisión de gases y para energía renovable, el espacio necesario para obtener suficiente calor), el medio en el que se instalará la máquina (que tan viable es la instalación de equipos y de qué tamaño es posible realizarla) y los ruidos que produce la máquina.
48
2.3.9. EVALUACION Para evaluar la propuesta que se realizó del Motor Stirling se demostrara todas las leyes de la termodinámica a través de una pequeña demostración en la cual se visualizara como este motor puede elaborar energía eléctrica, pero esta será de intensidad muy baja ya que la potencia del prototipo no es a gran escala y será presentada para ser sometida a un proceso de revisión y de juzgamiento de su correcto funcionamiento.
2.4. DEFINICION DE TERMINOS RELEVANTES
1. Acuciante.- Que urge o exige rápidamente solución.(WordReference.com) 2. Alternador.- Máquina eléctrica generadora de corriente alterna. (DRAE. 2009) 3. Ciclo.- Período de tiempo o cierto número de años que, acabados, se vuelven a contar de nuevo. (DRAE. 2009) 4. Ciclo Carnot.- El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. (DRAE. 2009) 5. Coeficiente.- Expresión numérica de una propiedad o característica de un cuerpo, que generalmente se presenta como una relación entre dos magnitudes. (DRAE. 2009) 6. Combustible.- Leña, carbón, petróleo, etc., que se usa en las cocinas, chimeneas, hornos, fraguas y máquinas cuyo agente es el fuego. (DRAE. 2009) 7. Concéntrico.- Dicho de figuras y de sólidos: Que tienen un mismo centro. (DRAE. 2009) 8. Contracción.- Acción y efecto de contraer o contraerse. (DRAE. 2009) 9. Dinamo.- Máquina destinada a transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por inducción electromagnética, debida a la rotación de cuerpos conductores en un campo magnético. (DRAE. 2009) 49
10. Electricidad.- Conjunto de fenómenos físicos derivados del efecto producido por el movimiento y la interacción entre cargas eléctricas positivas y negativas. (WordReference.com). 11. Energía.- Es la capacidad para realizar un trabajo. (Wikcionario) 12. Enfriamiento.- Acción y efecto de enfriar o enfriarse (Poner o hacer que se ponga frío algo). (DRAE. 2009) 13. Expansión.- Acción y efecto de extenderse o dilatarse. (DRAE. 2009) 14. Fase.- Valor de la fuerza electromotriz o intensidad de una corriente eléctrica alterna en un momento determinado. (DRAE. 2009) 15. Gas.- Fluido que tiende a expandirse indefinidamente y que se caracteriza por su pequeña densidad, como el aire. (DRAE. 2009) 16. Generador.- En las máquinas, parte que produce la fuerza o energía, como en las de vapor, la caldera, y en la electricidad, una dinamo. (DRAE. 2009) 17. Máquina Térmica.- Es un sistema y/o mecanismo que realiza un ciclo convirtiendo el calor en trabajo. (Vivas, A. p2) 18. Plataforma.- Tablero horizontal, descubierto y elevado sobre el suelo, donde se colocan personas o cosas. (DRAE. 2009) 19. Presión.- Es una magnitud física que mide como la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea.( Giancoli, G. 2004) 20. Proceso.- Conjunto de las fases sucesivas de un fenómeno natural o de una operación artificial. (DRAE. 2009) 50
21. Regenerador.- Es un tipo de repetidor (dispositivo eléctrico) diseñado para las transmisiones digitales, que obtiene a la salida del mismo impulsos idénticos a los del emisor de la fuente, aunque en su entrada los impulsos estén distorsionados y contaminados por el ruido.( Herrerra.2011) 22. Rendimiento.- Producto o utilidad que rinde o da alguien o algo. (DRAE. 2009) 23. Resurgimiento.- Acción y efecto de resurgir (Surgir de nuevo, volver a aparecer). (DRAE. 2009) 24. Termodinámica.- Campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energía. (Roronoa.2009, 09) 25. Volumen.- Es una magnitud escalar 2 definida como el espacio ocupado por un objeto. Es una función derivada de longitud, ya que se halla multiplicando las tres dimensiones. (Carlos Mosquera, Magnitudes escalares y vectoriales, p1.)
2.5. FUNDAMENTACION LEGAL CONSTITUCIÓN DEL ECUADOR Capítulo Segundo Derechos del Buen Vivir Sección Cuarta Cultura y Ciencia Art. 22.- Las personas tienen derecho a desarrollar su capacidad creativa, al ejercicio digno y sostenido de las actividades culturales y artísticas, y a beneficiarse de la protección de los derechos morales y patrimoniales que les correspondan por las producciones científicas, literarias o artísticas de su autoría. Art. 23.- Las personas tienen derecho a acceder y participar del espacio público como ámbito de deliberación, intercambio cultural, cohesión social y promoción de la igualdad en la diversidad. El derecho a difundir en el espacio público las propias expresiones culturales se ejercerá sin más limitaciones que las que establezca la ley, con sujeción a los principios constitucionales. 51
Sección Quinta Educación Artículo 26.- De la Constitución de la República reconoce a la educación como un derecho que las personas lo ejercen a largo de su vida y un deber ineludible e inexcusable del Estado. Constituye un área prioritaria de la política pública y de la inversión estatal, garantía de la igualdad e inclusión social y condición indispensable para el buen vivir. Las personas, las familias y la sociedad tienen el derecho y la responsabilidad de participar en el proceso educativo.17 Art. 27.- La educación se centrará en el ser humano y garantizará su desarrollo holístico, en el marco del respeto a los derechos humanos, al medio ambiente sustentable y a la democracia; será participativa, obligatoria, intercultural, democrática, incluyente y diversa, de calidad y calidez; impulsará la equidad de género, la justicia, la solidaridad y la paz; estimulará el sentido crítico, el arte y la cultura física, la iniciativa individual y comunitaria, y el desarrollo de competencias y capacidades para crear y trabajar. La educación es indispensable para el conocimiento, el ejercicio de los derechos y la construcción de un país soberano, y constituye un eje estratégico para el desarrollo nacional.18 Art. 28.- La educación responderá al interés público y no estará al servicio de intereses individuales y corporativos. Se garantizará el acceso universal, permanencia, movilidad y egreso sin discriminación alguna y la obligatoriedad en el nivel inicial, básico y bachillerato o su equivalente. Es derecho de toda persona y comunidad interactuar entre culturas y participar en una sociedad que aprende. El Estado promoverá el diálogo intercultural en sus múltiples dimensiones. El aprendizaje se desarrollará de forma escolarizada y no escolarizada. La educación pública será universal y laica en todos sus niveles, y gratuita hasta el tercer nivel de educación superior inclusive. 19 17
Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Derechos (Cultura y Ciencia). Constitución 2008. p. 24
18
Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Derechos (Cultura y Ciencia). Constitución 2008. p. 27 Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Derechos (Cultura y Ciencia). Constitución 2008. p. 28
19
52
Sección Segunda Jóvenes Art. 39.-El Estado garantizará los derechos de las jóvenes y los jóvenes, y promoverá su efectivo ejercicio a través de políticas y programas, instituciones y recursos que aseguren y mantengan de modo permanente su participación e inclusión en todos los ámbitos, en particular en los espacios del poder público. El Estado reconocerá a las jóvenes y los jóvenes como actores estratégicos del desarrollo del país, y les garantizará la educación, salud, vivienda, recreación, deporte, tiempo libre, libertad de expresión y asociación. El Estado fomentará su incorporación al trabajo en condiciones justas y dignas, con énfasis en la capacitación, la garantía de acceso al primer empleo y la promoción de sus habilidades de emprendimiento. 20 TITULO VII Régimen del Buen Vivir Sección primera Educación Art. 343.- El sistema nacional de educación tendrá como finalidad el desarrollo de capacidades y potencialidades individuales y colectivas de la población, que posibiliten el aprendizaje, y la generación y utilización de conocimientos, técnicas, saberes, artes y cultura. El sistema tendrá como centro al sujeto que aprende, y funcionará de manera flexible y dinámica, incluyente, eficaz y eficiente. El sistema nacional de educación integrará una visión intercultural acorde con la diversidad geográfica, cultural y lingüística del país, y el respeto a los derechos de las comunidades, pueblos y nacionalidades. 21
20
Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Derechos (Jóvenes). Constitución 2008. p. 29
21
Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Régimen del Buen Vivir (Educación). Constitución 2008. p. 156
53
Art. 347.- Será responsabilidad del Estado: 1. Fortalecer la educación pública y la coeducación; asegurar el mejoramiento permanente de la calidad, la ampliación de la cobertura, la infraestructura física y el equipamiento necesario de las instituciones educativas públicas. 2. Garantizar que los centros educativos sean espacios democráticos de ejercicio de derechos y convivencia pacífica. Los centros educativos serán espacios de detección temprana de requerimientos especiales. 3. Garantizar modalidades formales y no formales de educación. 4. Asegurar que todas las entidades educativas impartan una educación en ciudadanía, sexualidad y ambiente, desde el enfoque de derechos. 5. Garantizar el respeto del desarrollo psico-evolutivo de los niños, niñas y adolescentes, en todo el proceso educativo. 6. Erradicar todas las formas de violencia en el sistema educativo y velar por la integridad física, psicológica y sexual de las estudiantes y los estudiantes. 7. Erradicar el analfabetismo puro, funcional y digital, y apoyar los procesos de post-alfabetización y educación permanente para personas adultas, y la superación del rezago educativo. 8. Incorporar las tecnologías de la información y comunicación en el proceso educativo y propiciar el enlace de la enseñanza con las actividades productivas o sociales. 9. Garantizar el sistema de educación intercultural bilingüe, en el cual se utilizará como lengua principal de educación la de la nacionalidad respectiva y el castellano como idioma de relación intercultural, bajo la rectoría de las políticas públicas del Estado y con total respeto a los derechos de las comunidades, pueblos y nacionalidades. 10. Asegurar que se incluya en los currículos de estudio, de manera progresiva, la enseñanza de al menos una lengua ancestral. 11. Garantizar la participación activa de estudiantes, familias y docentes en los procesos educativos. 12. Garantizar, bajo los principios de equidad social, territorial y regional que todas las personas tengan acceso a la educación pública. 22
22
Constitución del Ecuador; Título VII; Capitulo Primero, Sección Primera, art 347; p. 160
54
Art. 350.- El sistema de educación superior tiene como finalidad la formación académica y profesional con visión científica y humanista; la investigación científica y tecnológica; la innovación, promoción, desarrollo y difusión de los saberes y las culturas; la construcción de soluciones para los problemas del país, en relación con los objetivos del régimen de desarrollo. Este artículo es demasiado importante para la realización de proyectos ya que se debe recalcar la solución de problemas en relación del país, es decir, la innovación de ideas nuevas para el desarrollo de proyectos educativos. Tener en claro los objetivos con la finalidad de aportar hacia la formación académica y profesional. Art. 351.- El sistema de educación superior estará articulado al sistema nacional de educación y al Plan Nacional de Desarrollo; la ley establecerá los mecanismos de coordinación del sistema de educación superior con la Función Ejecutiva. Este sistema se regirá por los principios de autonomía responsable, cogobierno, igualdad de oportunidades, calidad, pertinencia, integralidad, autodeterminación para la producción del pensamiento y conocimiento, en el marco del diálogo de saberes, pensamiento universal y producción científica tecnológica global. 23 Art. 357.- El Estado garantizará el financiamiento de las instituciones públicas de educación superior. Las universidades y escuelas politécnicas públicas podrán crear fuentes complementarias de ingresos para mejorar su capacidad académica, invertir en la investigación y en el otorgamiento de becas y créditos, que no implicarán costo o gravamen alguno para quienes estudian en el tercer nivel. La distribución de estos recursos deberá basarse fundamentalmente en la calidad y otros criterios definidos en la ley. La ley regulará los servicios de asesoría técnica, consultoría y aquellos que involucren fuentes alternativas de ingresos para las universidades y escuelas politécnicas, públicas y particulares.24
23 24
Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Régimen del Buen Vivir (Educación). Constitución 2008. p. 159 Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Régimen del Buen Vivir (Educación). Constitución 2008. p. 161
55
Sección octava Ciencia, tecnología, innovación y saberes ancestrales Art. 385.- El sistema nacional de ciencia, tecnología, innovación y saberes ancestrales, en el marco del respeto al ambiente, la naturaleza, la vida, las culturas y la soberanía, tendrá como finalidad: 1. Generar, adaptar y difundir conocimientos científicos y tecnológicos. 2. Recuperar, fortalecer y potenciar los saberes ancestrales. 3. Desarrollar tecnologías e innovaciones que impulsen la producción nacional, eleven la eficiencia y productividad, mejoren la calidad de vida y contribuyan a la realización del buen vivir. Art. 386.- El sistema comprenderá programas, políticas, recursos, acciones, e incorporará a instituciones del Estado, universidades y escuelas politécnicas, institutos de investigación públicos y particulares, empresas públicas y privadas, organismos no gubernamentales y personas naturales o jurídicas, en tanto realizan actividades de investigación, desarrollo tecnológico, innovación y aquellas ligadas a los saberes ancestrales. El Estado, a través del organismo competente, coordinará el sistema, establecerá los objetivos y políticas, de conformidad con el Plan Nacional de Desarrollo, con la participación de los actores que lo conforman. Art. 387.- Será responsabilidad del Estado: Facilitar e impulsar la incorporación a la sociedad del conocimiento para alcanzar los objetivos del régimen de desarrollo. Promover la generación y producción de conocimiento, fomentar la investigación científica y tecnológica, y potenciar los saberes ancestrales, para así contribuir a la realización del buen vivir, al sumak kawsay. Asegurar la difusión y el acceso a los conocimientos científicos y tecnológicos, el usufructo de sus descubrimientos y hallazgos en el marco de lo establecido en la Constitución y la Ley. 56
Garantizar la libertad de creación e investigación en el marco del respeto a la ética, la naturaleza, el ambiente, y el rescate de los conocimientos ancestrales. Reconocer la condición de investigador de acuerdo con la Ley. 25 EL REGLAMENTO GENERAL A LA LEY ORGÁNICA DE EDUCACIÓN INTERCULTURAL. Art. 41.- Labor educativa fuera de clase.- Son las actividades profesionales que se desarrollan fuera de los períodos de clase y que constituyen parte integral del trabajo que realizan los docentes en el establecimiento educativo, a fin de garantizar la calidad del servicio que ofertan. 1.”planificar actividades educativas; revisar tareas estudiantiles, evaluarlas y redactar informes de retroalimentación; diseñar materiales pedagógicos; conducir investigaciones relacionadas a su labor”… 26 Art. 200.- Monografía de grado. La monografía de grado es un trabajo académico escrito que resulta de una acción investigativa realizada por los estudiantes durante el tercer año de Bachillerato en Ciencias; en ella se desarrolla la argumentación sobre una determinada temática. Debe tener un lenguaje preciso y claro, estar redactada correctamente y cumplir con las normas de probidad académica determinadas en el presente reglamento. 27 Art. 201.- Proyecto de grado. El proyecto de grado es un trabajo prácticoacadémico, con el que se demuestra el nivel de logro alcanzado en las competencias laborales previstas en el currículo del Bachillerato Técnico. 28
25
Ministerio de Gobierno, Política y Cultos: Régimen del Buen Vivir ( Ciencia, tecnología, innovación y saberes ancestrales ).
Constitución 2008. pp. 170-171 26
Alumno Billgates: Reglamento de la Loei. http://es.slideshare.net/alumnobillgates/reglamento-loei-ecuador. p. 11
27
Alumno Billgates: Reglamento de la Loei. http://es.slideshare.net/alumnobillgates/reglamento-loei-ecuador. p. 51
28
Alumno Billgates: Reglamento de la Loei. http://es.slideshare.net/alumnobillgates/reglamento-loei-ecuador. p. 52
57
CAPITULO 3 3. METODOLOGÍA 3.1. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN El estudio planteado se adecuó a los propósitos de la investigación experimental, en función de los objetivos definidos, donde se planteó la construcción de un equipo generador de energía alternativa libre de efectos contaminantes. La gestión de energía pura a través de un motor Stirling como tema de investigación será estudiado mediante un enfoque cuali-cuantitativo, ya que se basará en mediciones y observaciones controladas, empleando la investigación documental y experimental a un nivel de profundidad explicativo estudiando su eficacia, y su desarrollo ya mencionado con anterioridad en la fundamentación teórica de manera metodológica.
3.2. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES Dentro de las variables se presenta: 3.2.1. Variable independiente: Fuentes eléctricas actuales. 3.2.2. Variable dependiente: Equipo generador de energía alternativa debido a esto su operacionalización se podrá hacer utilizando los elementos de la siguiente tabla:
58
Tabla 3.1 (Operalización de las Variables) Conceptos
Categorías
Variables
Indicadores
Índice
Fuentes eléctricas actuales: Son una forma de energía fácilmente
Fuentes eléctricas
-Conocer las
utilizable, pueden utilizarse varias formas,
contaminantes.
nuevas fuentes
- Peligro latente de contaminación
-
eléctricas
basadas en energías primarias, pero su uso
indirecta: - Abastecimiento
trae consigo una evidente contaminación
Observación Registro.
insuficiente.
para con el medio ambiente.
Equipo generador de energía alternativa: Motor Stirling
Funcionamiento de
-Construir un
Es un motor térmico mediante el cual un
un motor Stirling
equipo generador
sistema realiza un ciclo en el que absorbe
-
Fuente de calor fija
de energía alterna
calor de un foco de temperatura alta, cede
Construcción del
una cantidad de calor a un foco de
motor.
Variación de la presión
sobre el exterior. Fuente: Guía para la elaboración de un proyecto Elaborado por: Andrea Granda 59
Observación directa.
-
temperatura inferior, y realiza un trabajo
-
3.3. INSTRUMENTOS Para el desarrollo de esta investigación fue necesario utilizar herramientas que permitieron recolectar el mayor número de información necesaria, con el fin de obtener un conocimiento más amplio de la realidad de la problemática. Por la naturaleza del estudio se requirió la recopilación documental, que se trata del acopio de los antecedentes relacionados con la investigación. Para tal finalidad se consultaron documentos escritos, formales e informales. Así como también de manera indirecta pues como investigadoras es necesario entrar en conocimiento del hecho a partir de las observaciones realizadas anteriormente por otra persona. De la misma forma ocurre cuando se realiza investigaciones de libros, revistas, informes, grabaciones, fotografías, etc., relacionadas con lo que se está analizando, los cuales han sido conseguidos o elaborados por personas que observaron antes lo mismo con su respectivo instrumento como son los registros. En el presente proyecto se utiliza técnicas documentales y de campo, puesto que en las técnicas documentales la investigación se basa en las lecturas científicas y análisis de contenidos; mientras que en las técnicas de campo se utiliza la observación indirecta pues el equipo de investigación se requiere estar enterados del estudio a través de las investigaciones realizadas anteriormente por otras personas.
3.3.1. TECNICAS DOCUMENTALES
Lecturas científicas
Análisis de contenidos
60
3.3.2. . TECNICAS DE CAMPO
La observación indirecta
INSTRUMENTOS Registro de observaciones
3.4. PROCEDIMIENTO PARA LA EJECUCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. El proyecto tendrá la siguiente secuencia: 1. Realización y presentación del proyecto. 2. Revisión bibliográfica. 3. Aprobación del proyecto. 4. Selección y diseño de los instrumentos y recolección de datos de información. 5. Procesamiento de la información. 6. Entrega del informe final. 7. Corrección del informe final. 8. Sustentación de la tesis. 9. Construcción del motor: Este proyecto se inicio en el mes de abril y finaliza en el mes de junio del presente año.
CAPITULO 4 4. MARCO ADMINISTRATIVO 4.1. CRONOGRÁMA
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TIEMPO MARZO
ABRIL
ACTIVIDADES
Entrevista con el Director del proyecto Reuniones con el Director del proyecto Recopilación de material bibliográfico y documental Lectura y análisis de diversas obras de Física sobre Termodinámica Elaboración del Capítulo 1. El Problema. Revisión del Capítulo 1. El Problema. Entrega del Capítulo 1. El Problema. Corregido Consulta a personas expertas sobre el tema Elaboración del Capítulo 2. Marco Teórico. Revisión del Capítulo 2. Marco Teórico. Entrega de los capítulos 1 y 2 Sistematización del material consultado Selección y elaboración de técnicas para la investigación Aplicación de los instrumentos de investigación Elaboración del presupuesto Elaboración de conclusiones y recomendaciones Entrega de todos los capítulos Revisión de todos los capítulos Elaboración de todos los capítulos. Corregidos Elaboración de la propuesta
62
MAYO
JUNIO
Presentación de todo el proyecto a limpio Defensa del proyecto
63
4.2. PRESUPUESTO PRESUPUESTO
INGRESO PERSONAL:
$ 81,00
EGRESOS:
$
81,00
SALDO:
$
0,00
Tabla 4.1 (Presupuesto)
RUBROS DE LOS EGRESOS
COSTO UNITARIO
Nº- DE UNIDADES
COSTO TOTAL
SERVICIOS PERSONALES Director de Tesis Digitador Auxiliar de Investigación
_ _ _
_ _ _
_ _ _
0,03 0,95 2,50 1,50 3,00 0,75 0.75 15,00 0,03 7,00 10,00
50 10 1 1 2 1 1 2 150 2
1,50 9,50 2,50 1,50 6,00 0,75 0,75 30,00 4,50 14,00 10,00
SERVICIOS GENERALES Fotocopias de libros Encuadernación de libros Contenedor plástico CD Válvulas Alambres Esponja Original de tesis Copias de Tesis Empastado de Tesis Varios EQUIPOS: Laptops, Retroproyector, Videos
TOTAL
$ 81,00
Elaborado por: Andrea Granda
63
4.3. RECURSOS 4.3.1. RECURSOS HUMANOS Para la realización de la presente investigación se ha designado al equipo de investigación conformado por la Srta. Andrea Granda y la Srta. Fernanda Jaramillo estudiantes del tercer año de bachillerato, especialidad Físico Matemático Paralelo "A", bajo la guía y asesoramiento del Licenciado de Física el Dr. Jofre A. Robles P. quien sabrá dirigir la realización de esta importante investigación. 4.3.2. RECURSOS MATERIALES Se utilizará materiales de escritorio como, lápices, borradores, bolígrafos, folders, hojas de papel bond, equipos tecnológicos: como laptop, proyectores, libros con información respecto al Motor Stirling, copias, servicio de internet, anillados entre otros. En la construcción del motor Stirling se necesitará:
Alambre fuerte è Para construir el cigüeñal
8 Placas de aluminio de 3 milímetros de grosor para construir los cojinetes
2 Brazos de madera para apoyar el cigüeñal
1 Polea de 20 centímetros de diámetro para el volante
2 Latas de refresco para los pistones
2 Varillas de madera de 5 milímetros de diámetro por 90 centímetros de largo para las bielas, pegamento de secado lento para unir las diferentes piezas,
2 Latas de conservas para los depósitos
3 Trozos de tubería de cobre de 20 milímetros de diámetro por 15 centímetros de longitud para el conducto que une ambos depósitos
2 Codos de tubería de cobre para unir los trozos de tuberías y construir un conductor con forma de U
Estaño de plata para soldar el conductor a los depósitos y unir el conductor
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Cinta de vinilo para el trozo de tubería que no se suelda, y asi poder unirlo sin que sufra pérdidas de fluido y tapar el agujero del drenaje
2 Armellas para que las bielas no se desvíen de su camino
Pie de madera de 50 milímetros por 75 milímetros por 120 centímetros para montar todo el motor sobre él
Tiras metálicas enrolladas que actúen como regenerador
12 arandelas
6 tuercas
2 pernos largos y 2 pernos cortos para unir el cigüeñal a las bielas
tornillos
taladro
sierra
soplete
termómetro
Cronómetro
CAPÍTULO 5 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. CONCLUSIONES El estudio realizado en este proyecto muestra que el análisis termodinámico clásico, es adecuado para evaluar el comportamiento de un motor Stirling con regeneración imperfecta y volumen muerto. El análisis presentado proporciona un método analítico próximo a la realidad para estudiar y evaluar el comportamiento y las mejoras de un motor Stirling, en comparación con otros modelos que no conjugan al mismo tiempo ambos factores. Por tanto, puede concluirse que: 1.
Un motor Stirling con un volumen muerto dado no verá afectado su trabajo neto por
colocar un regenerador más o menos efectivo, si se toma la temperatura efectiva de
63
regenerador como la media aritmética entre la temperatura del calentador y del enfriador. Sin embargo, un motor con un regenerador ineficiente precisa de mayor entrega de calor al motor (calor absorbido) y también mejor enfriamiento que otro motor similar con un regenerador más eficiente. 2.
El volumen muerto hace decrecer el trabajo neto y el rendimiento térmico del
motor, y hace que aumente el calor que es necesario absorber para el trabajo del ciclo. No obstante, en todo motor real es inevitable la presencia de un volumen muerto. Para motores con grandes volúmenes muertos sólo se podrá esperar pequeños valores del trabajo entregado. Al alcanzar un alto rendimiento térmico del motor es indispensable un regenerador con alta efectividad. Un motor sin regenerador está predestinado a poseer un rendimiento muy bajo, independientemente de su volumen muerto. 3.
Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas que son por
medio de calentamiento y enfriamiento a volumen constante y dos isotermas por compresión y expansión a temperatura constante. La presión interna del motor son claves para tener un mejor desempeño, este se basa en la cantidad del ciclo y por ende la capacidad que tiene este para elevar la presión. Con este tipo de motores se contamina menos la atmósfera ya que este es silencioso y así se evita la contaminación acústica. Estos deberán ser usados más en empresas petroleras ya que serán de mucha utilidad para las grandes pérdidas de energía.
5.2. RECOMENDACIONES 1.
Se debe prever que la construcción de este motor es un prototipo que nos muestra
su funcionamiento en si ya una construcción más sofisticada junto con otros dispositivos igual avanzados serán los que produzcan energía eléctrica a partir de energía solar. 2.
Es importante que se tome conciencia del daño perjudicial de las actuales fuentes
de energía. Considerando que la aplicación de dispositivos generadores de energía alternativa es muy importante para eliminar las fuentes contaminantes.
63
3.
Concientizar que mediante proyectos como el nuestro se busca que las autoridades
de nuestro país sepan apoyar en la construcción de modernos y eficaces equipos generadores de energía pura y asi conseguir abastecer a los lugares alejados y sobre todo cumplir con el Sumak kawsay establecido en nuestra actual constitución.
BIBLIOGRAFÍA
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63
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EJERCICIOS PLANTEADOS Y RESUELTOS:
ROJO. M, ACOSTA V. (1992). Termodinámica. Introducción a la Física.(PP:189212).Colombia.
ZITVEWITZ P, NEFT R (1995). EnergíaTérmica. Física 1. (pp:297-257). McGrawHillInt.S.A.Colombia.
63
BIOGRAFÌA
Andrea Elizabeth Granda Robalino nació en Quito el 27 de Enero de 1996. Sus padres son el señor Walter Freddy Granda Torres y la señora Martha Isabel Robalino Casa. Su padre formo parte de las Fuerzas Armadas del Ecuador obtuvo el grado de Sargento Segundo, su madre se desempeña con el título de Lic. En Administración de empresas, en la empresa Productos Paraíso del Ecuador S.A. Realizo sus estudios primarios en la Escuela Fiscal Mixta “Aurelio Bayas”. Está realizando sus estudios secundarios en el Colegio Fiscal “Simón Bolívar”. Su pasa tiempo favorito es hacer deporte solo o acompañado de sus dos mascotas.
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ANEXO A REPÚBLICA DEL ECUADOR COLEGIO FISCAL “SIMÓN BOLÍVAR” PRESENTACIÓN Estimado docente: El presente cuestionario tiene como finalidad recopilar información con respecto a una investigación que se está realizando sobre el tema “CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR STIRLING APLICANDO LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA" como parte de la física, de las estudiantes del tercer año de bachillerato del Colegio Fiscal “Simón Bolívar” de la ciudad de Quito. Por lo expuesto, solicito muy comedidamente contestar las siguientes preguntas, con la mayor objetividad y sinceridad posible, tomando en cuenta que sus respuestas van a ser utilizadas en beneficio de las estudiantes y de la institución. Los datos que usted proporcione son son confidenciales y de uso exclusivo exclusivo para esta investigación. investigación. Aprovecho la oportunidad para reiterarle el testimonio de mí más distinguida consideración y estima.
GRACIAS POR SU COLABORACIÓN
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Encuesta a Docentes Datos informativos: Institución:__________________ Institución:_____________________________ ______________________ ______________________ ______________________ ___________ Fecha de aplicación:__________________ aplicación:_____________________________ ______________________ ______________________ _______________ ____ Responsable de aplicación: Fernanda Jaramillo Objetivo: Determinar la incidencia de las actuales fuentes energéticas en la construcción de un equipo generador de energía alternativa libre de efectos contaminantes mejorando la producción de de energía.
Indicaciones Lea detenidamente cada pregunta que se le presentara a continuación Conteste cada cada pregunta con honestidad i criticidad criticidad Sujétese a la escala que ha sido empleada en el desarrollo de este cuestionario S= siempre CS=casi siempre A=a veces CN=casi nunca N=nunca Limítese a contestar lo pedido
PREGUNTAS S CS A 1. ¿Qué tiempo cree prudente que una estudiante del Colegio Simón Bolívar deben utilizar el motor Stirling para las prácticas de laboratorio? 2. ¿Cuán a menudo ha utilizado o escuchado de los diferentes aparatos aparatos son utilizados en los laboratorios de física? 3. ¿Cree usted que la incorporación del motor Stirling es de mucha importancia para los laboratorios de física del Colegio Simón Bolívar? 4. ¿Qué tan importante cree usted que es la utilización utili zación de aparatos ecológicos en los laboratorios de física? 5. ¿Cuántas maquinas ecológicas conoce usted que funcionen de una manera correcta y con las seguridades necesarias para la enseñanza en los colegios? GRACIAS POR SU COLABORACIÓN
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CN N
ANEXO B REPÚBLICA DEL ECUADOR COLEGIO FISCAL “SIMÓN BOLÍVAR” PRESENTACIÓN Estimada compañera: El presente cuestionario tiene como finalidad recopilar información con respecto a una investigación que se está realizando sobre el “CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR STIRLING APLICANDO LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA" como parte de la física, de las estudiantes del tercer año de bachillerato del Colegio Fiscal “Simón Bolívar” de la ciudad de Quito. Por lo expuesto, solicito muy comedidamente contestar las siguientes preguntas, con la mayor objetividad y sinceridad posible, tomando en cuenta que sus respuestas van a ser utilizadas en beneficio de las estudiantes y de la institución. Los datos que usted proporcione son son confidenciales y de uso exclusivo exclusivo para esta investigación. investigación. Aprovecho la oportunidad para reiterarle el testimonio de mí más distinguida consideración y estima.
GRACIAS POR SU COLABORACIÓN
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Encuesta a Estudiantes Datos informativos: Institución: _____________________ ________________________________ ______________________ ______________________ ___________________ ________ Fecha de aplicación: _______________________________________________________ Responsable de aplicación: Fernanda Jaramillo Objetivo: Determinar la incidencia de las actuales fuentes energéticas en la construcción de un equipo generador de energía alternativa libre de efectos contaminantes mejorando la producción de de energía.
Indicaciones Lea detenidamente cada pregunta que se le presentara a continuación Conteste cada cada pregunta con honestidad i criticidad criticidad Sujétese a la escala que ha sido empleada en el desarrollo de este cuestionario S= siempre CS=casi siempre A=a veces CN=casi nunca N=nunca Limítese a contestar lo pedido
PREGUNTAS S CS A 6. ¿Qué tiempo cree prudente que una estudiante del Colegio Simón Bolívar deben utilizar el motor Stirling para las prácticas de laboratorio? 7. ¿Cuán a menudo ha utilizado o escuchado escuchado de los diferentes aparatos aparatos son utilizados en los laboratorios de física? 8. ¿Cree usted que la incorporación del motor Stirling es de mucha importancia para los laboratorios de física del Colegio Simón Bolívar? 9. ¿Qué tan importante cree usted que es la utilización utili zación de aparatos ecológicos en los laboratorios de física? 10. ¿Cuántas maquinas ecológicas conoce usted que funcionen de una manera correcta y con las seguridades necesarias para la enseñanza en los colegios? GRACIAS POR SU COLABORACIÓN
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CN N
ANEXO C
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