UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TÁCHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TÁCHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA DIMENSIONAMIENTO, CONSTRUCCION Y EVALUACIÓN DE UN NUEVO MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA AUTOR: CARDOZA, JEAN RAFAEL San Cristóbal, Noviembre del 2006

2 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TÁCHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA DIMENSIONAMIENTO, CONSTRUCCION Y EVALUACIÓN DE UN NUEVO MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA REALIZADO POR: AUTOR: T.S.U. CARDOZA, JEAN RAFAEL TUTOR: Ing. COLMENARES, JUAN CARLOS San Cristóbal, Noviembre del 2006

3 Señores: Miembros de la Comisión Asesora Departamento de Ingeniería Mecánica Presente. Nos dirigimos a ustedes muy respetuosamente con la finalidad de solicitarles la aprobación del ante-proyecto del Trabajo de Grado titulado: DIMENSIONAMIENTO, CONSTRUCCION Y EVALUACIÓN DE UN NUEVO MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA, el cual será presentado por el TSU: Cardoza, Jean Rafael, portador de la C.I , estudiante regular de la carrera Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional Experimental Del Táchira, bajo la tutoría del Ingeniero Colmenares Juan Carlos portador de la C.I Agradeciendo la atención que puedan brindar a este proyecto, y en espera de una respuesta favorable se despiden. Atentamente: Ing. Colmenares Juan Carlos TSU Cardoza, Jean Rafael San Cristóbal, Noviembre del 2006

4 Señores: Miembros de la Comisión Asesora Departamento de Ingeniería Mecánica Presente. Me dirijo a ustedes con la finalidad de comunicarles que a partir de la presente fecha acepto ser Tutor Académico Del Trabajo De Grado que lleva como titulo: DIMENSIONAMIENTO, CONSTRUCCION Y EVALUACIÓN DE UN NUEVO MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA, este trabajo será realizado por el TSU: Cardoza, Jean Rafael, portador de la C.I , estudiante de Ingeniería Mecánica. Me comprometo a brindar todo el apoyo necesario para la realización de este Trabajo de Grado. Atentamente. Ing. Colmenares Juan Carlos San Cristóbal, Noviembre del 2006

5 Señores: Miembros de la Comisión Asesora Departamento de Ingeniería Mecánica Presente. Me dirijo a ustedes muy respetuosamente con la finalidad de comunicarles que de acuerdo a conversaciones sostenidas con el TSU. Cardoza, Jean Rafael C.I.: , me comprometo a apoyarlo técnica y económicamente en la realización del trabajo de grado que lleva como titulo DIMENSIONAMIENTO, CONSTRUCCION Y EVALUACIÓN DE UN NUEVO MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA. Agradeciendo los buenos oficios en pro del presente trabajo, se despide quedando a sus órdenes para cualquier asunto. Atentamente. Ing. Colmenares Juan Carlos San Cristóbal, Noviembre del 2006

6 I INDICE GENERAL CONTENIDO Página INTRODUCCION 1 CAPITULO I: PRESENTACION DEL TEMA Planteamiento del Problema Formulación del Problema Justificación Alcance Objetivos Objetivo General Objetivos Específicos 7 CAPITULO II: MARCO TEORICO Alternativa Energética Energía Solar Radiación Solar Aplicaciones de la Energía Solar Generación de Electricidad Aplicaciones Térmicas Captadores Solares de Energía Térmica Colectores de Placa Plana Captadores de Tubos de Vacío Colectores de Concentración Tipos de Concentradores Motores Térmicos en Aplicaciones Solares Tipos de Motores Térmicos El Motor Stirling Etapas del Ciclo Stirling Eficiencias en los Motores Stirling Aplicaciones y Ejemplos de Motores Stirling El Ciclo Otto en Motores de Combustión Externa 29

7 II CAPITIULO III: DIMENSIONAMIENTO DE LAS PARTES DEL MOTOR El Diseño El Motor El Pistón Partes Del Pistón El Cilindro Partes del Cilindro Tapa Seguidor Volante Bancada 43 CAPITULO IV: RESULTADOS DEL DISEÑO Y CONSTRUCCION 46 CAPITULO V: EVALUACION TEORICA DEL MOTOR Evaluación Teórica Consideraciones para la Evaluación Calentamiento Isocórico Expansión Isotérmica Escape Admisión Eficiencia Teórica del Motor 61 CAPITULO VI: ENSAMBLE Y FUNCIONAMIENTO Ensamble Funcionamiento 72 CONCLUSIONES 76 RECOMENDACIONES 78 BIBLIOGRAFIA 81 ANEXOS 84

8 III ÍNDICE DE FIGURAS FIGURAS Página CAPITULO II 8 2.1: Paneles Fotovoltaicos : Central Solar para producción eléctrica : Esquema de Colector Plano (IDAE) : Tubo de Vacío con calentamiento directo del agua : Estado 1. Partes principales del motor Stirling : Estado 2. Posición de los pistones al finalizar la Compresión Isotérmica : Estado 3: Posición del pistón desplazador al finalizar la etapa de calentamiento Isocórico : Estado 4. Posición de los pistones al finalizar la Expansión Isotérmica : Retorno al Estado inicial del Ciclo Stirling (4-1) : Esquema de funcionamiento de un disco parabólico con motor Stirling en el foco : Ciclo Otto Ideal. 30 CAPITULO III Pistón de Potencia Aleta de Potencia Prisioneros y Rosca de Soporte Cilindro del Motor Rosca Externa del Cilindro Ranuras de Admisión Ranuras de Desplazamiento Tapa del Motor Tapa de Cobre Seguidor del Motor Volante del Motor Bancada del Motor Guías del Motor. 44

9 IV CAPITULO IV : Tapa de Aluminio para prueba con Aire comprimido 50 CAPITULO V : Volumen de Aire Estado 1 y 2 del motor : Volumen Expandido del Motor. 58 CAPITULO VI : Explosión de Partes del Motor : Ensamble del Buje : Ensamble de Guías : Ensamble del Pistón de Potencia : Ensamble de Volante : Ensamble de Volante : Ensamble del Cilindro : Ensamble Lamina de Cobre : Ensamble Final del Motor : Zona de Calentamiento : Posición Inicial del Motor : Elevación inicial del Cilindro : Admisión de Aire del Motor. 75

10 V ÍNDICE DE DIAGRAMAS DIAGRAMA Página CAPITULO II 8 2.1: Variación de la presión y el volumen durante la Compresión Isotérmica : Variación de la presión y volumen durante el Calentamiento Isocórico (2-3) Variación de la presión y el volumen durante la expansión Isotérmica (3-4) : Variación de la presión y volumen durante el Enfriamiento Isocórico (4-1) : Comparación del ciclo real y teórico del motor : Gráfico Temperatura-Entropía del ciclo Stirling) : Ciclo Otto Ideal. 31 CAPITULO III Gráfico del Programa de Movimiento de la Leva. 38 CAPITULO V : Proceso Isocórico : Proceso Isotérmico : Proceso de Admisión Escape : Calores del ciclo termodinámico del motor : Curva de Eficiencia Teórica para el Motor. Fuente. 64

11 VI ÍNDICE DE TABLAS TABLAS Página CAPITULO II 8 2.1: Tipos de Concentradores Solares. 17 CAPITULO IV : Lista de Materiales Utilizados y Justificación de su uso : Holguras Radiales : Masa de Partes Principales del Motor. 51 CAPITULO V : Variación de la eficiencia con la temperatura. 63 CAPITULO VI : Descripción de Partes. 66

12 San Cristóbal 17 de Noviembre de 2006 RESUMEN El trabajo de grado titulado: DIMENSIONAMIENTO, CONSTRUCCION Y EVALUACIÓN DE UN NUEVO MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA consiste en una propuesta hecha por el Profesor Msc. Nelson Fumo (Docente Titular de la Universidad del Táchira) en cuanto a la posibilidad de lograr que el motor de combustión externa, cumplimiento con los movimientos relativos necesarios para el funcionamiento, avale un estudio teórico que conduzca a resultados satisfactorios. Al igual que el motor Stirling el nuevo motor será de aplicación solar, sin embargo, será valido utilizar otras fuentes de energía para evaluar su funcionamiento. REALIZADO POR: Autor: T.S.U. Cardoza, Jean Rafael Tutor: Ing. Colmenares, Juan Carlos

13 1 Introducción INTRODUCCION Los recursos energéticos han sido usados por el hombre para satisfacer sus necesidades básicas en forma de calor y trabajo. Para producirlos, el hombre ha utilizado, a lo largo de su historia, una gran variedad de formas. Sin embargo los avances tecnológicos alcanzados para satisfacer las necesidades, trajo consecuencias como la explotación exagerada de los recursos naturales a una velocidad superior a la velocidad natural de regeneración o sustitución y de procesamiento de los contaminantes por parte de la naturaleza, perjudicando enormemente el equilibrio del ambiente. Esto ha llevado a la búsqueda de nuevas formas de obtener los recursos que le proporciona la naturaleza de una manera más amplia y limpia, siendo una de estas es la generación y conversión de la energía a través del aprovechamiento de la energía solar. Hoy en día existen estudios y mecanismos para la transformación de la energía, como el motor Stirling. El trabajo de grado que a continuación se presenta, busca incentivar y profundizar el estudio de la energía solar, planteando la construcción y evaluación teórica de un nuevo modelo de motor de aplicación solar. Para ello fue necesario realizar estudios del tema con el que se estaba tratando, como se podrá observar en el Capitulo II, en el cual se recopiló información que facilitaría la comprensión de variables importantes. Para la construcción se realizan consideraciones de diseño, selección de procesos de fabricación y planos que permitieran visualizar el diseño elegido, todo esto se aprecia en el Capitulo III. Una vez que se construye el motor se efectúan las pruebas de funcionamiento (Capitulo IV), realizando las adaptaciones y modificaciones que se ameritaban para optimizar el diseño propuesto inicialmente.

14 2 Introducción Para afianzar el funcionamiento mecánico se debía sustentar con un cumplimiento termodinámico teórico, asumiendo comportamientos y condiciones que permitirán obtener mejores eficiencias para el diseño propuesto (Capitulo V). Por último, como todo mecanismo y con mayor razón por tratarse de un nuevo diseño de motor, se realizan acotaciones para su ensamblado y la descripción del funcionamiento.