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martes, 11 de junio de 2013

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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63 comentarios:

  1. Lo primero saludar y decirte que sigo tus videos desde hace bastante,me encanta como haces que algunas cosas parezcan hasta mas faciles de lo que puedan ser.

    Y una sugerencia para tu proximo documental/tutorial, ese cacharrete que usas como variador de velocidad, me ha llamado mucho la atencion XD si te apetece y puedes me encantaria ver como lo haces ^-^.
    Saludos y sigue asi, haces que algunos nos lo pasemos muy bien con tus videos

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    1. Gracias por la sugerencia. Este circuito es muy útil y tiene muchos usos.

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    2. Buenas noches.. que uso se le puede dar en la ing industrial y que principios de la termodinamica cumple??

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    3. donde puedo comprar el piston de fuerza? o conseguirlo

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    4. lo puedes conseguir en cualquier ferretería electrica.

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  2. hola para el piston desplazador serviria una lata de refresco

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    1. Si. De hecho, es una lata de bebida energética, sólo que recortada a la longitud correcta.

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  3. ¡¡ Te he encontrado !!! Muchas felicidades por tu trabajo. Muchas gracias

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  4. hola genial el motor solo que no se por que, se me quiebran los frascos, que pasa si se le agrega un poco de agua?? llevo mas de 3 intentos pero el vidrio se quiebra, ayuda por favor!!!!!

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    1. El vaso que utilizo y que es resistente al calor es el de una cafetera de émbolo, la venden en los chinos.

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  5. he seguido todos los pasos al pie de la letra y no funciona en q pude haber fallado???

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    1. pueden ser tantas cosas...
      cualquier pieza que no tenga una medida correcta,
      que el vaso no esté herméticamente sellado
      que haya exceso de roce por no estar bien centrado todo
      mal equilibrado
      poca masa en el volante de inercia (yo le puse dos imanes pesados)

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  6. Lo felicito señor José. Quisiera pedirle si puede mostrar o mostrarme las medidas de las maderas que empleó.

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  7. Hola maestro
    Consulta, yo construí un motor Stirling pero no me funciona. Los cilindros están hechos de latón, el pistón del cilindro donde va el calor (cilindro desplazador verdad?), es de aluminio. El otro pistón es de acero, mas chico que el que le ponemos temperatura. La rueda de aluminio.
    Después de que no me funcionó, volví a entrar en internet e investigar. Y vi que el pistón donde va la temperatura debe tener huelgo, yo lo hice justo. Entonces le hice una canaletas al pistón.
    Me podrás ayudar?
    Muchas gracias

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  8. me resulta dificil conseguir el cilindro y piston de potencia podrias decirme que otros materiales sencillos podria usar es solo para mostrarlo en clase no importa que disminuya la eficiencia te agradeceria mucho tu ayuda

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  9. hola josé, necesito que me digas las medidas del soporte de madera x favor me haria muxa falta. Contestame promto xfaa¡¡

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  10. Hola! Ante todo, agradezco tu tutorial, pues es el mejor que he encontrado. Tengo par dudas para compartirte y son las siguientes:
    1. Cómo saber la carrera del cilidro desplazador para calcular medidas de cigueñal?
    2. Si estoy trabajando con un beaker de diametro 120 mm, aparte del diametro del pistón, debo modificar algo mas?
    Sería de mucha ayuda tu respuesta, gracias de antemano desde Colombia.

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    1. para saber la carrera de un piston en este caso si la muñequilla del siguañal esta bdesplazada 20mm del centro del eje esta sera 40mm porque si giramos el cigueñal media vuelta obtendremos 20mm de desplazamiento con un coeficiente angular de desplazamiento el gual en un motor los absorve el pie de biela en el bulon del piston y la cabeza de viela en la muñequilla del cigueñal y si giramos media vuelta mas obtenemos 20mm de desplazamiento mas pero el coeficiente angular de desplazamiento es nulo . espero que te sirva

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  11. que realacion debe existin entre el cilindro de potencia y el de desplazamiento asi como el largo del piston son 2/3 del largo muchas garcias desde uruguay

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  12. Saludo amigo , agradecido con tus vídeos que son didácticos 100% Espero que siga dando aportes.

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  13. Muy interesante y le felicito me ha dado una vista nueva de la ciencia pero quisiera darle un uso

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  14. como se llama el pegamento negro que usas?

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  15. de que otra forma puedo hacer el piston de fuerza profa responde. muchas gracias

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  16. Hola existe alguna forma de que el motor no funcione correctamente?
    y se es posible hacer en un lapso de 4 dias??

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  17. Hola aproximadamente ¿cuantas rpm dan los discos?

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  18. Hola Jose, disculpa bueno en mi materia de Termodinámica me pidieron, explicar el funcionamiento de este motor y tu motor me parece perfecto, lo único que no se es cuales son las medidas de las tablas de la "U"

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  19. Hola jose, las medidas de las piezas "u" pueden ser cualquieras o son medidas que no se pueden variar, a ser asin me podria facilitar cuales son. Gracias y un saludo!

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  20. Hola Jose , estoy hacien el mismo diseño que el tuyo pero no me funciona ya mire si tenia fugas no es y todo esta en orden no sabria que seria por cierto esta Genial el motor

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  21. Excelente en proceso de construcción saludos desde Ecuador.

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  22. yo apenas lo voy hacer espero y me salga

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  23. Que calculos se realizan cuando yo tengo una botella de altura 130 cms diametro interno 95 cms para el piston de fuerza y buje de fuerza'

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  24. que puedo hacer para poner el CILINDRO DE POTENCIA (CILINDRO DE FUERZA) pero de forma casera?

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  25. Lo arme pero no gira no se que puede ser.

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  26. Hola Jose favor indicar las medidas de la tabla de en forma de U

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  27. como encontrar el vaso de la cafetera es que no encuentro ese vaso alguien me puede ayudar yo le compro ese vaso si alguine tiene pues avisame en mi correo electronica que es germancaty@gmail.com

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  28. Primero que nada, le dejo mis sinceras felicitaciones. Le paso a pedir su venia para que mi hijo presente este proyecto en su escuela, para lo cual, me atrevo a pedirle una información extra, como: ¿La orientación del cigueñal (90ª hacia uno u otro lado) es lo que le da el sentido de giro?, ¿Se puede regular la velocidad, o es uniforme?, ¿Cuál es aprox. la temperatura que debo alcanzar? (a fin de usar fuentes alternativas, como solar x ej.). Muchas gracias, y mis sinceras felicitaciones

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  29. Hola, que genial blog, estoy haciendo mi motor y quisiera q me ayudaras con un detalle, como le hiciste para saber la carrera del pistón de potencia ya que eso es necesario para el cigueñal por favor ayudame, lo digo porque en el mio el cilindro desplazador tiene otra medida, y quisiera saber si eso afecta gracias

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  30. hola me podrias decir que principios de la fisica se utiliza... y como se puede emplear en la vida diaria

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  31. Me ha encantado tu video.

    Este tipo de motores que ha estado en desuso tanto tiempo, en la actualidad se están utilizando por su alto rendimiento junto a recuperadores de calor, bombas de calor...para microgeneracion y microtrigeneracion. Y lo mas eficaz es usar gas natural como energia primaria.

    En Tabernas se lleva experimentando desde hace tiempo con concentradores solares y este tipo de motores para produccion electrica para zonas aisladas.

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  32. como puedo demostrar el proceso diesel por favor

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  33. Hola, primero que nada excelente el tutorial, debo hacer el proyecto para la universidad y es el unico video completo que hay disponible,, pero necesito saber ¿cual es la temperatura que alcanza interiormente? Aproximadamente,, y si es posible fasilitar las medidas de la madera por favor,, muchas gracias.
    :-)

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  34. Disculpa, crees que el cilindro de potencia lo pueda sustituir por tubería de pvc , las dimensiones serian las mismas, para solo maquinar el pistón.

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  35. muy bien explicaste amigo gracias estoy utilizando los informaciones que escribiste! tours estambul

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  36. hola, estoy muy interesado en hacer un motor stirling para generar corriente eléctrica con un dinamo, recibo sugerencias para esto, cualquier cosa que me pueda decir, gracias

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  37. Buenas, quiero empezar a construir un motor stirling y tengo algunas dudas, espero que pueda responderme pronto
    1.Me podria decir que medidas tienen las maderas del soporte del cigÜeñal
    2.¿El piston de fuerza que material puedo usar?

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  38. Hola. Enhorabuena de verdad. ¿Serías capaz de diseñar/construir un motor stirling de 500watios de potencia? He estado viendo tus entradas de blog y tienes ya hechos todos los elementos necesarios para un sistema autónomo de abastecimiento de electricidad a una casa a partir de biomasa renovable.
    Éste sería un proyecto genial (y que casi tienes hecho ya).
    Un abrazo,
    Javier

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  39. alguien sabe las medidas del soporte de madera? porfa

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  40. alguien sabe las medidas del soporte de madera? porfa

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  41. Excelente video y muy completas todas las explicaciones. Intento construir un modelo lo mas parecido al descrito. Tengo una pregunta: el vaso debe ser del tipo " pirex " o puede funcionar cualquier tipo de vidrio?. Gracias por el aporte del blog y su atención.

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  42. Excelente video y muy completas todas las explicaciones. Intento construir un modelo lo mas parecido al descrito. Tengo una pregunta: el vaso debe ser del tipo " pirex " o puede funcionar cualquier tipo de vidrio?. Gracias por el aporte del blog y su atención.

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  43. La didáctica elevada a la enesima potencia. Serias un gran apoyo para mis alumnos de Tecnología. Felicidades por tu capacidad de comunicación.

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  44. Hola.
    Excelente video, me ha servido de mucho. Pero tengo una pregunta: ¿Cual seria la potencia del motor?
    Gracias !

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  45. Hola, una colsulta, tendras como construir una cafetera de piston? tipo la pavoni europiccola.
    Gracias

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  46. Hola, una pregunta. ¿Cómo consigo el pistón de fuerza, el que es de teflón? , o ¿cómo podría hacer uno?
    Gracias

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  47. Hola Maestro, soy de Colombia y sigo tus enseñanzas son super utilies para entender cosas del comùn y tu lo haces entender muy facil, estoy trabajando con mis aprendices los conceptos de termodinamica con el motor Stirling y me ha gustado los dos modelo que desarrollaste con latas, tanto el horizontal como vertical, quisiera poder contar con su ayuda para construir un paso a paso de los 2; si te es facil mis alumnos lo agradecerían. Mi correo fmendoza06gmail.com. Un abrazo y Felicitaciones desde Cali Colombia.

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  50. ¿Como sabes que tiene la temperatura adecuada para funcionar?

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  51. Que tal, exelente tutorial, estoy haciendo este motor stirling, y quisiera que me comentara si tendré problemas con el tipo de vidrio que uso, ya que conseguí un vaso con las mismas dimensiones que el de la cafetera?

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