TUTORIAL. Cómo construir un motor stirling

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Mis tres primeros vídeos en mi canal de YT son motores stirling, pero en ellos no se dice apenas nada sobre su construcción, excepto en la descripción del vídeo y los comentarios. Con este tutorial doy por quitada una espina que tenía clavada por no haber contado antes cómo construir uno de estos motores.

Este motor es muy fácil de construir, y los materiales elegidos son bastante corrientes, para que reunirlos no sea una odisea, ni tampoco gastarnos mucho dinero.

tipo de motor:Gamma
Orientación: Vertical

El procedimiento y orden de montaje los vas a encontrar en el vídeo, aquí prefiero poner, como siempre, esquemas, planos y notas adicionales.


PARTES DEL MOTOR STIRLING:

Partes del motor stirling

Cilindro desplazador
Pistón desplazador
Eje pistón desplazador
Guía del eje desplazador
Cilindro de potencia (o de fuerza)
Pistón de potencia (fuerza)
Tapa (del cilindro desplazador)
Bielas y articulaciones
Cigüeñal
Soporte cigüeñal
Rodamientos cigüeñal
Soporte volantes inercia
Volantes de inercia
Contrapesos
Soporte stirling


Voy a describir y comentar cada una de esas partes, en una especie de FAQ:



CILINDRO DESPLAZADOR

Es el vaso de cristal de una cafetera de émbolo. Hay al menos dos tamaños, vamos a elegir el menor. Al parecer, todas estas cafeteras tienen las mismas medidas vayas a la tienda que vayas. Supongo que esto es porque se trata de un producto importado a un único y gran fabricante. Retiramos el émbolo y la abrazadera con el asa y nos quedamos con el vaso de cristal que es lo que nos interesa. La abrazadera con el asa la reservamos: Servirá como soporte para el motor.

Cilindro desplazador (vaso de cafetera de émbolo)

medidas del vaso (mm):
Alto: 135 
diámetro: 68
Dónde conseguirlo: En un chino
Precio aprox: 5 €


PISTÓN DESPLAZADOR

Lo haremos a partir de una lata de bebida energéticas. De los dos tamaños que hay, elegiremos el pequeño. Son todas de aluminio y esto nos viene bien porque pesa menos que la chapa de hierro. Irá alojado dentro del cilindro desplazador. Un detalle importante es que, a diferencia de un motor de explosión, este pistón no comprime el aire, sino que lo desplaza, de un extremo a otro según este pistón sube y baja. Por eso no debe entrar ajustado a las paredes del cilindro, y se deja un espacio de pocos milímetros: Por ahí pasará el aire de un extremo a otro del cilindro.

Estas medidas son críticas en el diseño de un stirling: El tamaño del cilindro impone qué tamaño deberá tener el pistón, típicamente 2/3 de la longitud del cilindro. Para esa cafetera, una lata de refresco de bebida energética tiene un grosor bastante adecuado, no así el largo que hay que recortarlo.

A esta lata hay que hacerle varios mecanizados:

1. Taladro a 2 mm en el centro en ambos extremos para pasar el eje
2. Recortar la lata para dejarla con una longitud de 80mm (2/3 partes de la longitud del cilindro que es de 135 mm).
3. Cerrar (sellar) la unión de ambas mitades, y también la abertura de beber.
4. Insertar el eje en la lata. Fijarlo con pegamento en ambos extremos

Pistón desplazador terminado

Medidas pistón terminado (mm)
Largo: 80
Diámetro: 53



EJE PISTÓN DESPLAZADOR

Sirve cualquier alambre rígido y recto con un diámetro de 2 mm. Un radio de bicicleta es muy adecuado para esto. Suelen tener 30 cms de largo. Habrá que recortarlo después a la medida, y doblar el extremo a 90º para insertar una articulación de la biela.


GUÍA DEL EJE DESPLAZADOR

No podemos hacer pasar el eje del desplazador a través de un simple taladro en la tapa, con esto tendríamos dos problemas:

1) El cilindro debe ser lo más hermético posible, y a través de un simple taladro no conseguiriamos un sellado decente.

2) El pistón desplazador subiría y bajaría inclinado, rozando las paredes del cilindro. Este tubito de cobre obliga, es decir: guía al pistón.

Estos dos problemas los evitamos haciendo pasar el eje a través de un tubito de cobre que uniremos a la tapa, soldado o pegado (yo elegí opción pegamento).

Guía eje desplazador. Pequeño tubo de cobre

Medidas de este tubo (mm)
Largo: 35
Diámetro externo: 3
Diámetro interno: 2
Dónde conseguirlo: En una tienda de material de modelismo, maquetas...



CILINDRO DE POTENCIA (CILINDRO DE FUERZA)

Este es el cilindro (con su correspondiente pistón) que realmente hace el trabajo útil en el motor stirling. Cilindro y pistón desplazador no producen trabajo, sino que reproducen las condiciones de funcionamiento de forma sincronizada.

Este cilindro está hecho en acero, las paredes son lisas tanto por fuera como por dentro, y no lleva la típica costura de soldadura. También puede hacerse en cobre, aluminio, etc. Yo elegí el acero inox porque al no oxidarse no tiene variaciones dimensionales ni sus paredes se vuelven rugosas.

Tanto este cilindro como su pistón (lo veremos a continuación) me lo hicieron en un taller de torneros, a la medida, con gran precisión. Es la opción mas cómoda...pero no la más económica. Esto también se puede hacer con medios caseros, aunque perderemos precisión y por tanto, prestaciones.

Medidas de este tubo (mm):
Largo: 55
Diámetro interno: 20
Diámetro externo: 23
Grosor pared: 1.5

Cilindro (y pistón) de fuerza, en acero y teflón respectivamente

PISTÓN DE POTENCIA (PISTÓN DE FUERZA)

Alojado en el cilindro de fuerza, es el que realiza el trabajo útil en el motor gracias a las cíclicas variaciones de +presión y -presión que ocurren dentro del cilindro desplazador, según el pistón desplazador esté arriba (el aire abajo estará +caliente= +presión) o el pistón desplazador esté abajo (el aire arriba estará -caliente = -presión)

Está hecho en teflón, un tipo de plástico anti-fricción que aguanta altas temperaturas y tiene muy buenas cualidades mecánicas. También se puede hacer en nylon, en plástico e incluso en madera. También hay quienes hacen este pistón con adhesivo epoxi, usando un molde.

Ver en la foto anterior, junto al cilindro.

Medidas de este pistón (mm):
Largo: 19
Diámetro: 20


TAPA (DEL CILINDRO DESPLAZADOR)

Es una tapa de bote de conserva, por supuesto, metálica. Debe tener un diámetro tal que pueda cerrar completamente la boca del vaso de la cafetera (cilindro desplazador).

Se le hacen dos taladros:

- Uno en el centro, a 3 mm para fijar el tubito de cobre (guía eje desplazador)

- Otro mas bien en la periferia, para poner el cilindro de fuerza, a 10 mm de diámetro (pueden ser 6-15 mm) esto no es preciso, pero recomiendo hacer este taladro a un diámetro menor que el pistón de fuerza para evitar que se pueda colar al frasco. Yo hice el taladro a 10 mm de diámetro.

Esta tapa, llegado el momento, se unirá al vaso de cristal (cilindro desplazador) mediante unos puntos de pegamento, y lo sellaremos con silicona de alta temperatura.

Tapa del cilindro desplazador

BIELAS Y ARTICULACIONES

Para unir mecánicamente cada uno de los dos pistones con el cigüeñal vamos a construir dos bielas partiendo de un palillo de hacer brochetas. Elegiremos uno que esté bien recto y mediante cortes sucesivos ajustaremos la longitud, de modo que cada uno de los pistones pueda hacer su carrera completa pero sin llegar a sobrepasarla.

Excelente material para hacer las bielas

A cada una de estas dos bielas y en cada uno de sus extremos, fijaremos una articulación para permitir a la biela girar. En total necesitaremos cuatro articulaciones.

Estas articulaciones son terminales utilizados en electrónica y se ajustan muy bien a este uso. Hay de diferentes tamaños, lo mas recomendable es usar uno que permita que los palillos entren sin holgura. Con una gota de pegamento dejaremos esas articulaciones firmemente pegadas a su biela.

Terminales para electrónica aptos como articulaciones

Las medidas de las bielas no tiene mucho sentido que las muestre, ya que las tolerancias, pequeños errores o diferencias en el montaje harán que tu montaje difiera ligeramente del mío, pero aún así las diré:

medidas de las bielas (sin contar la articulación, solo la madera):
Biela pistón desplazador: Largo (mm): 30
Biela pistón de fuerza: Largo (mm): 50

Estas medidas deben determinarse de forma individual, para cada motor, haciendo girar el cigüeñal y comprobando la medida correcta. De todos modos, la diferencia será muy poca respecto a las medidas anteriores si estás usando los mismos materiales.




CIGÜEÑAL

Lo haremos con un radio de bicicleta, tiene rigidez más que suficiente y se puede trabajar con unos simples alicates.

Le vamos a hacer dos codos: Uno para el pistón desplazador, y otro -desfasado 90º- para el pistón de fuerza. El pistón de fuerza va retrasado 90º con respecto al pistón desplazador.

Las medidas se toman con el escalímetro o regla sobre el propio motor stirling y a continuación sólo hay que ir doblando cada uno de los codos. Tres son las medidas importantes en el cigüeñal:

1) Largo del cigüeñal. Hay que dejar unos mm sobresalir para poner los soportes de CD que servirán de sujeción a los CD.

2) Distancia entre los codos: Equivale a la distancia entre los dos cilindros. Cada codo debe estar encima de su biela.

3) Altura de cada codo: debe ser la mitad de la carrera de cada uno de los dos cilindros. El cilindro desplazador tiene una carrera de 50 mm, pero vamos a dejar 5mm libres en el tope superior e inferior. Quedan pues, 40 mm. Así que daremos la mitad -20mm- como longitud del codo.

Lo mismo para el pistón de fuerza, excepto que la carrera es de 32mm así que el codo tendrá 16 mm de longitud.

Croquis del cigüeñal y cigüeñal terminado

Como en la foto anterior no se aprecian las medidas, añado esta:

Medidas del cigüeñal

SOPORTE DEL CIGÜEÑAL

Nos sirve cualquier cosa que permita sujetar el cigüeñal. En este montaje he hecho una especie de "U" con maderas, pegadas entre sí. Y a su vez, este soporte se fija a la tapa del cilindro desplazador mediante unos puntos de pegamento.

Las 3 maderas que conformarán el soporte del cigüeñal

La madera central tiene una ventana para permitir pasar el eje del desplazador y el cilindro de fuerza.


RODAMIENTOS DEL CIGÜEÑAL

El peso y esfuerzo a que es sometido el cigüeñal en esta máquina es de poca entidad, así que servirá como "rodamiento" una simple tuerca de diámetro interno 3mm. Estas tuercas se embuten en la madera, tal y como se aprecia en la foto de arriba. Es conveniente ponerles una minúscula gota de pegamento para que no se muevan. Cuidado con manchar de pegamento el interior de la tuerca: sería un freno para el motor por el rozamiento.


SOPORTE VOLANTES DE INERCIA

A cada uno de los extremos del cigüeñal le acoplaremos cualquier pieza que sirva para fijar después un CD. Precisamente, las piezas mas indicadas para esto son los soportes de cd que podemos obtener de viejas mecánicas ya inservibles.

Además de sujetar los CD, estas dos piezas fijan horizontalmente el cigüeñal evitando que se desplace a derecha-izquierda.

Soporte CD

VOLANTES DE INERCIA

Para que un stirling pueda funcionar regularmente, debe mover cierta masa, debe haber cierta inercia. Esto lo vamos a conseguir fijando a los soportes anteriores un CD o DVD inservible (uno por cada lado) con pegamento. En realidad, la masa representada por uno (o dos) CD no es suficiente, pero el propio CD nos permitirá añadir masa pegando a ellos alguna pieza (yo he puesto dos imanes), pero valdría cualquier cosa que pesara al menos 100 gramos, por ejemplo, dos tuercas grandes.

También los CD nos servirán para equilibrar el motor, cosa muy importante. De no hacerlo, no funcionará debido al peso del pistón desplazador. Y en caso de funcionar, lo haría dando saltos por la gran excentricidad que supondría el no estar equilibrado.


CONTRAPESOS

A cada CD, antes de pegarlo a su soporte, le haremos un taladro mas o menos a 10mm de diámetro, cerca del borde, para ponerles un tornillo y tuerca, cuyo peso equilibrará al motor.

CD como volantes de inercia, con un imán acoplado para
aumentar la masa, y también se aprecia el tornillo y
tuerca como contrapeso.

SOPORTE STIRLING

La cafetera viene con un herraje que sirve de asa. Viene muy bien como soporte: Tiene la altura justa, el diámetro justo, y un gran orificio central para que pase la llama. El inconveniente es que hay que retirar el asa, que viene soldada. El asa, además de no servir, molesta. Yo utilicé la taladradora miniatura con la herramienta disco de corte, y con algo de paciencia, el asa sale.


CÓMO PONERLO EN MARCHA

1. Ponemos un tapón metálico con un poco de alcohol y lo prendemos. 

2. Colocamos el soporte metálico de la cafetera (boca abajo) sobre la llama, y sobre ese soporte, colocamos el motor. Hay que esperar un par de minutos para que el alcohol comience a arder bien, y daremos tiempo a que el stirling se caliente también.

3. Dar un leve impulso a un volante de inercia. Si la temperatura es correcta y el calor suficiente, el motor comenzará a girar y no parará hasta que el fuego se extinga o nosotros lo apartemos del calor.

Tener en cuenta la eventualidad de que el tapón con alcohol pueda derramarse con su contenido ya encendido. No hacer funcionar el motor donde podamos ocasionar un fuego.


VÍDEO DEL TUTORIAL:

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