Cómo hacer un motor Stirling de lata de Coca-Cola

Si tiene algunas latas de refresco y algunos otros accesorios fáciles de encontrar, puede recrear uno de los primeros motores comercialmente viables jamás fabricados. Aunque de tamaño pequeño, el motor Stirling de una lata de Coca-Cola todavía le habla a nuestra alma mecánica colectiva mientras resopla y se deshace en un estante, gira un volante, hace girar algunas aspas de ventilador o incluso genera unos pocos vatios.

Su misma sencillez evoca una época diferente. Y ya sea que se vea como una prueba de concepto, un modelo interesante, un tema de conversación o una pieza de escultura cinética, hacer un motor Stirling de lata de refresco es una excelente manera de viajar al pasado.

El motor Stirling fue una creación de Robert Stirling, quien inventó el concepto en 1816. La idea detrás de su motor era usar aire para impulsar un motor, en lugar de la tecnología emergente en ese momento: el vapor.

Lo que diferenció al motor de Stirling de los demás fue el uso de un "economizador", que mejoró la economía de combustible. Esto ahora se conoce como un regenerador. Entre 1816 y 1843, Stirling y su hermano, James, refinaron el diseño y la eficiencia del motor. A mediados del siglo XIX, sus motores impulsaban industrias importantes, incluidas las fundiciones. Sin embargo, su motor, así como la mayoría de los motores de aire caliente, era más adecuado para aplicaciones de baja potencia. Su deseo de crear una alternativa más segura a las máquinas de vapor que explotaban con frecuencia se vio frustrado por la necesidad de más energía para operar industrias en crecimiento.

Lo primero que debe saber sobre un motor Stirling es cómo se unen las piezas y cómo funcionan.

1. Suministros para la construcción de un motor Stirling de lata de Coca-Cola
2. Preparativos para la construcción de un motor Stirling de lata de Coca-Cola
3. Montaje de un motor Stirling de lata de Coca-Cola

Quite el regenerador de Stirling y tendrá un motor de aire caliente. El funcionamiento de un motor de aire caliente es simple. El aire se convierte en lo que se denomina el "fluido de trabajo". Una fuente de calor, en el caso de la mayoría de los motores Stirling de latas de refresco , esta es una vela de té, calienta el aire y hace que se expanda. Luego, el aire se enfría, lo que hace que se contraiga. La expansión y contracción del aire, o fluido de trabajo, es un ciclo termodinámico. Ahora, use este ciclo termodinámico para mover un pistón y habrá permitido efectivamente que el ciclo termodinámico produzca un trabajo mecánico útil. Cuando conecta un cigüeñal al pistón y agrega un volante, tiene los conceptos básicos de un motor.

Consiga construir un motor Stirling y aprenderá más de unas pocas lecciones sobre ingeniería casera. Sobre todo, construir uno es muy divertido y te da la oportunidad de ser creativo con lo que la mayoría de la gente considera chatarra. Y verlo funcionar lo lleva a un nivel completamente nuevo.

¿Suena simple? Lo es, pero todavía queda un tiempo antes de que se construya el motor . Necesitará más componentes, algunos materiales y una comprensión de cómo encajan todos juntos antes de que su motor se estropee.

Esto es lo que necesitará:

Hagamos un recorrido por los componentes que construirá, veamos cómo funcionan, qué hacen y cómo encaja todo.

Historia de Stirling

Robert Stirling no fue el primero en intentar un motor de aire, pero fue el primero en crear un producto comercial viable, y el diseño de su motor se puso en uso en 1818 para impulsar una bomba de agua en una cantera.

"Tienes que pensar como un relojero", dice Jim Larsen, un constructor, autor y educador de motores Stirling desde hace mucho tiempo. "Tienes que prestar atención a los detalles. Si prestas atención a los detalles, tienes más posibilidades de éxito".

Los componentes principales de un motor Stirling son relativamente simples y directos. Si bien nos enfocamos en un motor de lata de refresco, los motores se han construido utilizando materiales que van desde latas de pintura hasta bidones de aceite. Larsen dijo que durante un desafío de Acción de Gracias mientras visitaba a los suegros, construyó un motor Stirling con una variedad de materiales de ferretería, incluidas ollas y sartenes.

Las latas de refresco de aluminio ofrecen formas prefabricadas listas para usar, perfectas para los motores. También son fáciles de trabajar y, por supuesto, muy baratos. Y aunque no son lo suficientemente robustos para un uso serio, resistirán los microcaballos de fuerza producidos por la mayoría de los planes de motores.

La cámara de presión es un recipiente que contiene el aire cautivo, o fluido de trabajo, dentro del sistema cerrado. Es aquí donde el aire se calienta y se enfría durante el ciclo termodinámico. Si bien las fugas de aire y presión pueden ser la ruina de muchos motores, la cámara de presión en realidad necesita una pequeña fuga controlada. Sin esta fuga, la cámara se convertiría simplemente en un barómetro y solo reaccionaría a los cambios en la presión barométrica del aire que la rodea.

Larsen dijo que muchos constructores de Stirling optan por cambiar el fluido de trabajo en la cámara de presión de aire a helio, que reacciona mejor durante el ciclo termodinámico.

El mecanismo de accionamiento utiliza la expansión y contracción del aire dentro de la cámara de presión para impulsar un cigüeñal. El mecanismo de accionamiento puede acoplarse al lateral del motor o integrarse en la estructura del motor.

Para Larsen, el cigüeñal es la parte más crítica del motor e influye en cada parte del conjunto, desde la sincronización hasta el recorrido del desplazador, la velocidad del volante y el equilibrio del conjunto. "Esta es una parte en la que quieres pasar tiempo para hacerlo bien", dijo Larsen.

El volante sirve como algo más que una indicación de que el motor está funcionando. Actúa como una especie de dispositivo de almacenamiento de energía. Un volante bien equilibrado toma la energía creada durante la carrera de potencia del motor y la almacena. Cuando se necesita energía para empujar el desplazador hacia abajo, el volante proporciona su energía almacenada para superar la fricción y otras fuerzas. Sin un buen volante, el desplazador simplemente se elevaría hasta la parte superior de la cámara y permanecería allí.

Larsen dijo que tener un volante de inercia bien equilibrado es clave para la eficiencia. Si la rueda no está equilibrada, el motor tiene que trabajar más para moverla. "No quieres que el motor haga más trabajo del que tiene que hacer", dijo.

El desplazador en un motor de aire caliente sirve para desplazar el aire dentro de la cámara de presión. Recuerde, el motor no puede funcionar sin el ciclo termodinámico en el que el aire se calienta y se enfría, provocando la expansión y la contracción. Si la cámara de presión simplemente se calentara, sin nada dentro para desplazar el aire, el aire del interior se calentaría y se expandiría, pero nunca se contraería.

Con la fuente de calor en la parte inferior, el motor de aire caliente también utiliza refrigeración en la parte superior, generalmente hielo o agua fría, para enfriar el aire. A medida que el aire se calienta, se expande moviendo el desplazador cerca de la parte superior de la cámara de presión. En la parte superior de la cámara, el aire se enfría, se contrae y mueve el desplazador hacia abajo. Todo esto sucede con la ayuda del mecanismo de accionamiento, el cigüeñal y el volante.

El desplazador es más comúnmente una pieza enrollada de lana de acero con un cable ligero que pasa por el centro. ¿Recuerdas cuando Larsen habló sobre la necesidad de pensar como un relojero? Éste es uno de esos momentos. El desplazador debe poder deslizarse libremente dentro de la cámara de presión, mientras que al mismo tiempo llena la mayor parte de ella. Debe permitir el flujo libre de aire, mientras restringe parte del flujo. La idea es minimizar la fricción y maximizar la efectividad. Este tema es una constante a lo largo de la construcción del motor.

La caja de calor es simplemente un soporte en el que se asienta el motor. La fuente de calor se coloca debajo del motor.

Esto parece mucho trabajo para no mucho retorno. Pero hay una sensación tangible cuando terminas el motor, solucionas los problemas para ponerlo en marcha y lo ves funcionando solo. Para Larsen, su fascinación comenzó hace más de media década, mientras que la tuya podría comenzar en tan solo unos días a partir de ahora.

Video

Para ver el motor Stirling de una lata de refresco en acción, vea este video y varios otros en línea.

Fuentes