8/16/2019 8 Motor Stirling
1/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
2/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
3/76
Regenerador
Vmàx F Vmàx CVmín F Vmín C Vint CVint F
1
2
3
4
1
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
4/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
5/76
Vint
Vmàx
Vint
Vmàx
C
F
3-4
2
1
2
3-4
1
2
3
1-2
4
3
4
Vmin
Vmin
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
6/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
7/76
IsoterAdiabática(1pa
Adiabática (4
P
V
TH
1
2
T
S
TH
TADIAB
1 2
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
8/76
2
1
4
V
P
3
2
1
4
V
P
3
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
9/76
≥
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
10/76
ε
)()(
>máx
mín1
−=≤ η η
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
11/76
V min =Cilindrada
Relación de compresión – 1
V min =Cilindrada
Relación de compresión – 1
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
12/76
n =
Pmax Vmin
R T2
n =
Pmax Vmin
R T2
1 TC nRT1’ /P1’ P4’
2 TC Vmín NRT2 /V22’ TC +regeneración (TH- TC) Vmín nRT2’ /V2’
3’ TH nRT3’ /P3’ P2’4 TH Vmáx nRT4 /V44’ TH -regeneración (TH- TC) Vmáx nRT4’ /V4’
)V
V·ln(·VPQ
1’
2
1’1’1’2=
)V
V·ln(·VPQ
3’
43’3’3’4 =
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
13/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
14/76
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
isotérmico
adiabático
R e n
d i m i e n t o ( % )
Relación de compresión
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
isotérmico
adiabático
T r a b
a j o ( J )
Relación de compresión
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
15/76
)()( >
máx
mín1
−== η η
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8/16/2019 8 Motor Stirling
16/76
1compresióndeRelación
CilindradaVmín −
=
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
17/76
máx
mínmáx
T·R
·VPn =
1 TC Vmá x nR T1 /V1
2 TC Vmí n nR T2 /V2
2’ TC +regeneración (TH- T C) Vmí n nR T2’ /V2’
3 TH Vmí n nR T3 /V3
4 TH Vmá x nR T4 /V4
4’ TH -regeneración (TH- T C) Vmá x nR T4’ /V4’
)V
V·ln(·VPQ
1
2
1112 =
)V
V·ln(·VPQ
3
4
3334 =
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
18/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
19/76
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
helio
helio (ADIAB)
0
100
200
300
400
500
600
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
helio
helio (ADIAB)
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
20/76
)()(
>
máx
mín
1
−==η η
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8/16/2019 8 Motor Stirling
21/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
22/76
1compresiódeRelación
CilindradaVmín −
=
2’
mínmáx
T·R
·VPn =
1 TC Vmáx nRT 1 /V1
2 TC Vmín nRT 2 /V2
2’ TC +regeneración (TH- TC) Vmín nRT 2’ /V2’
3’ TH nRT 3’ /P3’ P2’
4 TH Vmáx nRT 4 /V4
4’ TH -regeneración (TH- TC) Vmáx nRT 4’ /V4’
)V
V·ln(·VPQ
1
2
1112=
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
23/76
)V
V·ln(·VPQ
3’
4
3’3’3’4 =
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
24/76
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
helio
helio (ADIAB)
Relación de compresión
R e n
d i m i e n t o ( % )
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
25/76
Relación de compresión
T r a b a j o ( J )
0
20
40
60
80
100
120
140
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
helio
helio (ADIAB)
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
26/76
P
Pmax
Tc Tn
V / nmin V / nmax V/n
ciclo Stirling
ciclo mixto Stirling-Rallis
ciclo Rallis
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
27/76
R e n d i m i e n t o ( % )
Relación de compresión
Relación de compresión
T r a b a j o ( J )
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
28/76
Salto térmico
R e n d i i e n t o
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
29/76
T r a b a j o ( J )
Salto térmico
Salto térmico
R
e n d i m i e n t o ( % )
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
30/76
Temperatura fría (K)
T r a b a j o ( J )
T r a b a j o ( J )
Temperatura fría (K)
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
31/76
Variable
↑ Pmáx
↑ Cilindrada
↑ Régimen de giro
↑ Rel. Compresión
↑ Cap. Ca lorífica molar
↓ TH
↑ TC
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
32/76
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Volumen
frío
Volumen
caliente
VolumenTotal
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
33/76
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 50 100 150 200 250 300 350 400
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
caliente
fría
Diferencia
Porcentaje
=
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
34/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
35/76
1·Cvm
·Cm
TT·Cvm
·Cm
T
f f
RR
HR1
f f
RR
R2
+
+=
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
36/76
∆
∆
100xTT
TT
ónRegeneraci CH
EH
−
−
=
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
37/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
38/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
39/76
Pistón Gran ∆P Pequeño ∆Τ
Desplazador Pequño ∆P Gran ∆Τ
Mixto Gran ∆P Gran ∆Τ
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
40/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
41/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
42/76
°
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
43/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
44/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
45/76
desplazador
pistón
muelles de gas
desplazador
pistón
muelles de gas
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
46/76
∆
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
47/76
Calentador Enfriador Absorvidor Absorve calor del exterior y la cede alfluido de trabajo. Es la salida de la
cámara de expansión
Enfriador Disipador Calentador Absorve calor del fluido de trabajo y la
cede al exterior. Es la salida de la cámarade compresión
Regenerador Regenerador Regenerador Absorve calor del fluido de trabajocuando lo atraviesa e un sentido y lo
guarda para devolvérselo cuando pasa en
sentido contrario
Precalentador Precalentador Precalentador En motores calentados por combustión,
calienta, con los humos, el airecomburente. En bombas de calor,
calienta o enfría el aire entrante medianteel aire residual
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
48/76
Humos
Aire
Aire
pre-calentado
Combustible
Agua
refrigerada
Aguacaliente
Humos
Aire
Aire
pre-calentado
Combustible
Agua
refrigerada
Aguacaliente
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
49/76
Aire de entrada 280K
Aire precalentado 1500K
Productos de la combustión 2500K
Humos antes del precalentador 1600K
Humos a la salida 500K
Gas de trabajo al salir del calentador 900K
Gas de trabajo al salir del enfriador 330K
Circuito de agua de refrigeración (T media) 295K
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
50/76
Humos Pérdidas térmicas
Energía de
combustión
Pre-
calentador
Calentador
Pérdidas mecán icas Refrige ració
Trabajo
mecánico
Enfriador
R e g e n e r a d o r
Humos Pérdidas térmicas
Energía de
combustión
Pre-
calentador
Calentador
Pérdidas mecán icas Refrige ració
Trabajo
mecánico
Enfriador
R e g e n e r a d o r
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
51/76
∆
∆
aletas
exteriores
aletas
interiores
cabecera
tubos
aletas
quemador
tubo
aletas
exteriores
aletas
interiores
cabecera
tubos
aletas
quemador
tubo
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
52/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
53/76
∆
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
54/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
55/76
mono-
componenteMono-fase gas H, He, Ar, CO2, H2O(v), ...
líquidoH
2O, Hg, aceites, alcoholes,
CO2 (l), gasolina, ...
Multi-fase fluido condensante H2O(l) + H2O(v), ...
mezcla de gases Aire, ...
multi-
componente
Mono-fase líquido multi-
componentH2O + solutos, mezclas, ...
[gas portador] + gas
disociante
multi-fase
gas portador + fluido
condensante Aire + H2O(l) + H2O(v), ...
[gas portador] + fluido
condensante-
disociante
[Helio] + N2O4 (l)] N2O4 (v) ] NO
] NO ] O2, ...
mono-
componenteMono-fase gas H, He, Ar, CO2, H2O(v), ...
líquidoH
2O, Hg, aceites, alcoholes,
CO2 (l), gasolina, ...
Multi-fase fluido condensante H2O(l) + H2O(v), ...
mezcla de gases Aire, ...
multi-
componente
Mono-fase líquido multi-
componentH2O + solutos, mezclas, ...
[gas portador] + gas
disociante
multi-fase
gas portador + fluido
condensante Aire + H2O(l) + H2O(v), ...
[gas portador] + fluido
condensante-
disociante
[Helio] + N2O4 (l)] N2O4 (v) ] NO
] NO ] O2, ...
η η η
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
56/76
8/16/2019 8 Motor Stirling
57/76
Relación de compresión
R e n d i i e n t o
(
)
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
58/76
Relación de compresión
T r a b a j o ( J )
Relación de compresión
R e n d i
i e n t o (
)
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
hidrogen
heli
argó
aire
hidrogen (ADIAB)
heli (ADIAB)argó (ADIAB)
aire (ADIAB)
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
59/76
T r a b a j o ( J )
Relación de compresión
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
hidrogen
heli
argó
aire
hidrogen (ADIAB)
heli (ADIAB)
argó (ADIAB)
aire (ADIAB)
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
60/76
R e n d i m i e
n t o ( % )
Relación de compresión
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
hidrogen
heli
argó
aire
hidrogen (ADIAB)
heli (ADIAB)
argó (ADIAB)
aire (ADIAB)
T r a
b a j o ( J )
Relación de compresión
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
61/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
62/76
β
β β
β β
β
β
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
63/76
β
β
β
∆
R e l a c i ó n d e p o t e n c i a s
Relación de masas
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
64/76
β
β
β
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
65/76
Temperatura del
calentador600 K 800 K 1000 K 1200 K
NºBeale (motor bien
diseñado)0'008 0'017 0'025 0'030
NºBeale(motor poco
optimizado)0'002 0'006 0'009 0'010
η
÷ η
÷
η
η
η
η η
η
η
η
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
66/76
η
η
Tmax y Tmin
constantes
Tmax y Tmin
constantes
Velocidad, n Presión media, ̄p
Temperatua
de calentamiento
Temperatua
de refrigeración
Tmax y Tmin
constantes
Tmax y Tmin
constantes
Velocidad, n Presión media, ̄p
Temperatua
de calentamiento
Temperatua
de refrigeración
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
67/76
α α α
τ
τ τ
α
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
68/76
Velocidad del motor, n (r.p.m.)
P a r T ( N * m )
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
69/76
η,
Potencia
Velocidad o Presión Velocidad o Presión
RendimientoPotencia
Velocidad o Presión Velocidad o Presión
Rendimiento
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
70/76
: reduce la amplitud
de la excursión de la presión del cicloProporcional Nulo
: el
movimiento continuo (senoidal) de los
pistones y las inercias del fluido hacen
que la distribución ya no sea la ideal.
Proporcional NuloPérdidas del ciclo
modificado
: La elevada velocidad
con la que se repite el ciclo no permite
intercambios de calor isotérmicos.
Proporcional Constante
: a través y a lo largo de las
paredes.
Constante Regresivo
: hacia el
ambiente.
": los émbolos en
movimiento absorben calor por el
extremo caliente de los cilindros y la
pierden por el extremo frío.
: cuando la fuente de calor es por
combustión, parte de la energía se
pierde por el escape.Proporcional Constante
Pérdidas
térmicas
: debido a la
diferencia de temperatura entre
extremos de los intercambiadores
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
71/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
72/76
Velocidad, n (r.p.m.)
Par, T (N.m)
Tresistente
Velocidad, n (r.p.m.)
Par, T (N.m)
Tresistente
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
73/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
74/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
75/76
© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.
8/16/2019 8 Motor Stirling
76/76
ángulode fase
P o t e n c i a