Sistemas de cogeneracion con motor Stirling

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Sistemas de cogeneración con motor Stirling
Esta tecnología no está aún completamente desarrollada y no tiene amplio espectro de aplicación,
sin embargo hay un interés creciente debido a ciertas ventajas:

Perpectivas de altos rendimientos
 Buenas performances a cargas parciales
 Flexibilidad de coimbustibles
 Bajo nivel de vibraciones y ruidos
 Bajo nivel de emisiones
Quizás esta tecnología no sea ampliamente conocida, en consecuencia es útil presentar los
principios básicos de funcionamiento.
Principios básicos de los motores Stirling:
La primer patente se debe a Robert Stirling, un ministro escocés, en 1816.
El ciclo Stirling ideal, que es reversible, puede describirse con referencia a la figura siguiente. Se
muestran las posiciones de los pistones en los cuatro puntos de estado extremos del ciclo. El
proceso 1-2 es un proceso de compresión isotérmica, durante el cual se extrae calor del motor a
la temperaura de la fuente fría. El proceso 3-4 es un proceso de expansión isotérmica, durante el
cual se le adiciona calor al ciclo a la temperatura de la fuente caliente. Los proceso 2-3 y 4-1 son
procesos de desplazamiento a volumen constante, en los cuales el fluido de trabajo (usualmente
aire o una mezcla de helio y aire) pasa a través de un regenerador. Durante el proceso 4-1, el gas
cede calor al regenerador, para ser recuperado posteriormente durante el proceso 2-3. El
regenerador mejora substancialmente la eficiencia del ciclo. Comprende una matriz de finos
alambres, metal pororso o algunas veces, las superficies de la pared metálica que encierran un
espacio anular.
La combustión externa permite el uso de una variedad de combustibles: líquidos, gaseosos,
carbón, productos de liquefacción o gasificación del carbón, biomasa, deshechos urbanos, etc. Es
posible cambiar combustibles durante la operación sin necesidad de parar el motor o hacer
ajustes en el. También se puede usar energía nuclear o solar como fuente de calor.
Configuraciones de motores Stirling:
Se dividen en tres grupos, conocidos como disposiciones alfa, beta y gama ver figura siguiente:
Los motores alfa tienen dos pistones en cilindros separados, conectados en serie por un
calentador, un regenerador y un enfriador. Tanto los motores beta y gama usan disposiciones de
pistón desplazable. El motor beta tiene tanto el desplazador como el pistón en el mismo cilindro,
mientras que el motor gama usa cilindros separados.
En la siguiente figura se ilustra un motor de tipo alfa en una vista de sección transversal.
Los métodos de accionamiento pueden dividirse en forma amplia en dos grupos: el
cinemático el accionamiento de pistón libre.
El accionamiento cinemática puede definirse como una serie de elementos mecánicos tales como
cigüeñal, ruedas de conexión y ruedas locas que se mueven juntos de modo de variar los espacios
de trabajo de una manera prescripta. Ellos son considerados como de diseño convencional.
Por otra parte, los accionamientos de pistón libre usan las variaciones de la presión del gas de
trabajo para mover elementos alternativos, el trabajo es obtenido mediante un dispositivo tal
como un alternador lineal.
Las configuraciones alfa han sido pensadas principalmente para aplicaciones automotrices. Su
principal ventaja esl el modo simple en el cual pueden componerse configuraciones
multicilíndricas compactas, permitiendo una extremadamente alta potencia específica.
La configuración beta es la clásica configuración del motor Stirling y es la disposición original
de este motor. Los motores de pistón libre, inventado y desarrollado por William Beale en la
Universidad de Ohio a fines de los años 60, son del tipo beta.
Los motores gama tienden a tener volúmenes muertos algo mayores que los de los motores alfa y
beta. Esto conduce frecuentemente a una reducción de su potencia específica. En consecuencia,
se usan cuando las ventajas de tener cilindros separados contrarrestan la desventaja de potencia.
Desarrollos en la tecnología del motor Stirling:
Inicialmente, la investigación y desarrollo apuntó a los motores de automóvil de potencias entre
3 y 100 Kw. Entonces, el esfuerzo se reorientó hacia motores de 1 a 1,5 Mw con una vida útil
esperada de 20 años. Dado que la tecnología se encuentra aún en fase de desarrollo, no hay datos
estadísticos de confiabilidad y disponibilidad, pero se espera que sea comparable a la de los
motores Diesel. El gas de trabajo opera en paso cerrado y no participa en la combustión. Así, las
partes en movimiento del motor no están expuestas a los productos de la combustión, como
resultado, el desgaste producido es comparado con un motor de combustión interna. Sin embargo
son necesarios sellados especiales para evitar pérdidas de gas de trabajo a alta presión y su
pérdida al medio ambiente, así como del lubricante que pasa del cigüeñal al lado interior del
cilindro. Una de las dificultades técnicas encontradas hasta ahora es la construcción de sellos
efectivos de larga vida.
El motor de pistón libre mencionado más arriba ha evolucionado como una solución a los
problemas de sellado. El pistón libre con un alternador lineal adosado puede ser sellado
herméticamente de modo de contener el gas de trabajo durante extensos períodos, y el gas de
trabajo mismo sirve de lubricante. El pistón realiza una oscilación armónica, que produce la
compresión y expansión del gas, mientras que un desplazador sirve para mover el gas entre los
intercambiadores frío y caliente. En la actualidad, la potencia de estos motores está restringida a
unas decenas de Kw. Su característica es la buena adaptación a aplicaciones de micro
cogeneración.
Performance de sistemas de cogeneración con motor Stirling:
El ciclo Stirling tiene la capacidad de tener más altas eficiencias que la de los ciclos Ranking y
Joule, debido a que se aproxima más al ciclo de Carnot. Habitualmente, el rendimiento eléctrico
es del orden del 40 % y se espera un incremento al nivel del 50 %. En particular, los motores de
pistón libre para micro cogeneración tienen rendimientos eléctricos del 30 al 35%. La eficiencia
total de sistemas de cogeneración con motores Stirling está en el rango del 65 al 85% y la
relación Sk es de 1,2 a 1,7.
Adecuadamente diseñados, los motores Stirling tienen dos carreras de potencia por revolución,
en suma, la combustión es continua. Esta característica lo hace de marcha muy suave, con
niveles de vibración menores que los del motor de combustión interna. La combustión continua
produce menores niveles de ruido y emisiones
En la tabla siguiente se pueden comparar las tecnologías:
Sistema
Potencia
eléctrica
Disponibilidad
anual media
Mw
%
Turbina de
vapor
Turbina de gas
en ciclo abierto
Turbina de gas
en
ciclo cerrado
Ciclo
combinado
Joule-Rankine
Motor Diesel
0,5 - 100
Motor de
combustión
Interna
compacto
Celdas de
combustible
Motor Stirling
Eficiencia
eléctrica
Eficiencia
total
Sk
Carga
50 %
12 - 28
%
-
90 - 95
Carga
100%
14 - 35
60 - 85
0,1 - 100
90 - 95
25 - 40
18 - 30
60 - 80
0,5 - 100
90 - 95
30 - 35
30 - 35
60 - 80
0,1 –
0,5
0,5 –
0,8
0,5 –
0,8
4 - 100
77 - 85
35 - 50
25 - 35
70 - 88
0,6 –
2,0
0,07 - 50
80 - 90
35 - 45
32 - 40
60 - 85
0,015_2,0
80 - 85
27 - 40
25 - 35
60 - 80
0,8 –
2,4
0,5 –
0,7
0,04 - 50
90 - 92
37 - 45
37 - 45
85 - 90
0,003-1,5
85 - 90
35 - 50
...
0,8 –
1,0
Plik z chomika:
sy_sk
Inne pliki z tego folderu:
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REGENERATIVE ROTARY DISPLACER STIRLING ENGINE.pdf (685 KB)
 Refrigeration-licuefaccion con stirling.pdf (522 KB)
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