“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
“ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGIA DE
MOTORES STIRLING “
MONOGRAFIA
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTA:
VICTOR RODRIGUEZ SANCHEZ
DIRECTOR:
DR. JORGE ARTURO DEL ANGEL RAMOS
XALAPA, VER.
AGOSTO 2011
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos que me brindaron su apoyo, consejos y en los
momentos mas difíciles me alentaron a seguir adelante, anhelando que siempre
me preparara para enfrentarme a la vida, hoy se ven cumplidos nuestros
esfuerzos y mis deseos iniciándose una etapa de mi vida en la que siempre
estarán en mi corazón.
A mi tía Concepción que fue uno de mis grandes alientos para seguir adelante en
la vida y que siempre me brindo su apoyo y orientación para ser una mejor
persona.
Por ello a dios y a ustedes gracias.
AGRADECIMIENTOS
Agradezco de antemano al Dr. Jorge Arturo del Ángel Ramos por haber dirigido
este trabajo recepcional y por su apoyo y orientación en la realización del mismo.
INDICE
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………1
JUSTIFICACIÓN………………………………………………………………………….1
CAPITULO 1: ANTECEDENTES DE LOS MOTORES STIRLING
1.1 Motor Stirling…………………………………………………………………………4
1.2 Los primeros motores de aire caliente…………………………………………….4
1.2.1 Motor de aire caliente de Sir George Cayley………………………………8
1.2.3 El motor de Ericsson………………………………………………………….9
1.3 Clasificación de los motores de aire caliente según Dr. T. Finkelstein……….14
1.4 Los sistemas de disco Stirling…………………………………………………….15
1.5 Renacimiento de los motores Stirling…………………………………………….18
1.5.1 La Philips y el motor Stirling…………………………………………….......18
1.6 Partes constitutivas del motor Stirling……………………………………………..25
1.6.1 Fuente de calor de alta temperatura……………………………………….25
1.6.2 Sumidero de calor de baja temperatura……………………………………25
1.6.3 Pistón desplazador…………………………………………………………..26
1.6.4 Pistón de potencia……………………………………………………….......27
1.6.5 Rueda de inercia……………………………………………………………..27
CAPITULO 2: PRINCIPIOS TERMODINAMICOS DE FUNCIONAMIENTO
2.1 Generalidades………………………………………………………………………29
2.2 Funcionamiento del motor Stirling………………………………………………..30
2.3 Descripción termodinámica del ciclo Stirling…………………………………….33
2.3.1 Procesos del ciclo Stirling teórico………………………………………….34
2.4 Rendimiento del motor Stirling……………………………………………………37
2.5 Regenerador………………………………………………………………………..41
2.6 Análisis termodinámico del ciclo Stirling con regenerador…………………….42
2.6.1 Volúmenes muertos………………………………………………………….44
2.6.2 Regenerador imperfecto…………………………………………………….45
2.6.3 Ecuación de estrado…………………………………………………………46
2.6.4 Proceso de comprensión isotérmica……………………………………….47
2.6.5 Proceso de calentamiento isocorico……………………………………….47
2.6.6 Proceso de expansión isotérmica………………………………………….48
2.6.7 Proceso de enfriamiento isocorico…………………………………………49
2.6.8 Calor suministrado y rechazado……………………………………………49
2.6.9 Trabajo y eficiencia…………………………………………………………..51
CAPITULO 3: TIPOS DE MOTORES STIRLING
3.1 Generalidades……………………………………………………………………….54
3.2 Motor Stirling tipo alfa…………………………………………………………........54
3.2.1 Motor Stirling tipo alfa para generación eléctrica solar…………………..55
3.2.2 Fases de funcionamiento……………………………………………………56
3.3 Motor Stirling tipo beta……………………………………………………………...57
3.3.1 Fases de funcionamiento………………………………………………........57
3.3.2 Motor Stirling tipo beta para sistemas de refrigeración criogénicos…….58
3.4 Motor Stirling tipo gama…………………………………………………………….60
3.5 Principales variantes del motor Stirling……………………………………………61
3.5.1 Motor Ringbom………………………………………………………………..61
3.5.2 Motor de pistón liquido……………………………………………………….63
3.5.3 Motor Stirling termoacústico…………………………………………………63
3.5.4 Motor Stirling rómbico………………………………………………………64
3.5.5 Motor Stirling de piston-libre (Beale)………………………………….......64
CAPITULO 4: PERSPECTIVAS DE APLICACIÓN
4.1 Generalidades………………………………………………………………………68
4.2 Coches híbridos…………………………………………………………………….68
4.3 Aplicaciones energéticas…………………………………………………………..70
4.3.1 Descripción del sistema disco Stirling……………………………………..70
4.3.2 Cogeneración…………………………………………………………………72
4.4 Aplicaciones aeronáuticas…………………………………………………………73
4.5 Aplicaciones en submarinos……………………………………………………….74
4.6 Motores Stirling en el espacio……………………………………………………..76
4.7 Ciclo inverso…………………………………………………………………………78
4.8 Algunas ventajas y desventajas de los motores Stirling………………………..79
CONCLUSIONES………………………………………………………………………..83
RECOMENDACIONES………………………………………………………………….83
BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………..85
ANEXOS………………………………………………………………………………….87
INTRODUCCIÓN
El acelerado avance científico y tecnológico que tuvo lugar en los últimos siglos,
provocó un cambio abismal en la calidad de vida de la humanidad, con la aparición
de una gran cantidad de artefactos que permitieron solucionar problemas de forma
sencilla brindando comodidad a quienes puedan obtenerlos, esto trajo consigo que
el consumo mundial de energía aumentara de manera espectacular.
Uno de los grandes problemas a nivel mundial, tanto en la actualidad como a
mediano y largo plazo, es la explotación de los recursos energéticos y el uso
eficiente de estos. Entonces nace la necesidad de crear nuevas formas de
producir energía o descubrir nuevas fuentes que nos permitan suplir el consumo
de hidrocarburos y que además sean favorables con el entorno. A este problema
debemos añadir las emisiones de gases de efecto invernadero, ya que en su
mayor parte, derivan de la quema de combustibles fósiles para la producción de
energía. En la actualidad, la opinión pública mundial ha centrado el debate en el
problema del cambio climático.
JUSTIFICACIÓN
Los motores Stirling, creados por el reverendo Stirling en 1816, presentan
características que podrían ser utilizados en la búsqueda de hacer más eficiente el
consumo de energía. Esto se debe a que los motores Stirling utilizan el ciclo de
Stirling, uno de los más eficientes ideados por el ser humano. Además es un motor
de alta aplicabilidad social, al ser barato y utilizable con casi cualquier tipo de
energía. Estas y otras bondades nos motivan a investigarlo para generar
conocimiento y avance en torno a este tipo de motor. Por otro lado la información
bibliográfica disponible en este tema es escasa y se encuentra de forma dispersa,
lo que limita las posibles investigaciones y aplicaciones de esta tecnología.
El presente trabajo recepcional tiene como principal objetivo mostrar la tecnología
de motores Stirling, como una alternativa para la generación de energía de
manera limpia y eficiente. Para lo cual se hace un estudio detallado del desarrollo
de este tipo de motores desde su aparición hasta el estado actual en el que se
1
encuentra. La cantidad de información investigada, contribuirá a promover y
despertar el interés en la investigación acerca de combustibles y fuentes de
energía amigables con el medio ambiente.
Debido a la investigación y recopilación bibliográfica constituirá una fuente
específica de consulta, que facilitará el acceso a la información especializada en
este tema.
Teniendo en cuenta lo anterior y para alcanzar estos objetivos este trabajo se
divide en los siguientes capítulos.
En el capitulo uno se da una breve descripción de lo aspectos mas relevantes de
la historia del motor de ciclo Stirling, que va desde poco antes de su nacimiento en
1816 hasta las investigaciones realizadas por la NASA, Philips Co., General
Motors Co., entre otras, así mismo se describen las partes de un motor Stirling de
acción simple y algunas de sus principales ocupaciones.
En el capitulo dos se describen los procesos termodinámicos de los motores
Stirling y su influencia en el regenerador, además se establecen las ecuaciones
básicas que rigen el comportamiento de este tipo de motores.
En el capitulo tres se trata los principales tipos de motores Stirling de acuerdo a su
configuración. Se muestran algunos de los principales Stirling que se manejan a
nivel comercial y además se describe algunos otros modelos que han surgido por
la constante investigación de este tipo de motores y que son variantes de los
principales.
En este ultimo capitulo se muestra el estado actual en el que se encuentra el
desarrollo de los motores Stirling, así como las perspectivas de aplicación a
mediano y largo plazo que se tienen a nivel mundial.
Para finalizar, se presentan las conclusiones obtenidas de este trabajo y las
recomendaciones para mejorar y continuar este estudio.
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
CAPITULO 1
ANTECEDENTES DE LOS MOTORES
STIRLING
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
1.1 Motor Stirling
Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o
viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con comprensión y
expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos
temperaturas, la del foco caliente y la del foco frio.
Cuando la maquina opera de modo volumétrico recibe el nombre de maquina
Stirling, mientras que si opera mediante flujo permanente continuo se denomina
maquina de Ericsson.
1.2 Los primeros motores de aire caliente
A mediados del siglo XIX fueron apareciendo otro tipo de maquinas térmicas,
distintas a las maquinas de vapor, que constituyeron otra rama tecnológica: los
llamados motores de aire caliente llamados así porque solo empleaban aire como
fluido de trabajo. Posteriormente con el uso de otros gases provoco que fueran
llamados de diferentes maneras, como motores de gas caliente, o bien, motores
Stirling en honor a Robert Stirling.
La primera experiencia conocida de los motores Stirling se remonta al 1699, con
un rudimentario artefacto que aprovechaba la expansión de aire caliente para
hacer girar un volante, realizada por Amontons, en Francia, solo un año después
de que Savery fabricase la primera maquina de vapor para bombear agua. De
hecho el desarrollo de los motores Stirling ha transcurrido a la par de la maquina
de vapor. [1]
En 1759 Henry Wood modifico para aire caliente la maquina de vapor de
Newcomen, Glazebrook, en 1801 introdujo el ciclo cerrado y ya en el 1816 los
hermanos Robert y James Stirling dieron un gran impulso al ciclo cerrado
regenerativo. [1]
Robert Stirling (1790-1878) fue un sacerdote escoses, a la edad de 26 años
obtuvo una patente sobre una “maquina de vapor y ahorro de combustible” en el
año de 1816. La patente de este motor era el glamoroso final de una serie de
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
intentos por simplificar las máquinas a vapor. Stirling consideraba demasiado
complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, expandirlo en un motor,
condensarlo y mediante una bomba introducir de nuevo el agua en la caldera. El
objetivo principal de este dispositivo era reducir el consumo de combustible en
hornos, destilerías y otras factorías, gracias a la transmisión de calor mediante un
dispositivo que el llamo “economizador de calor” hoy en día llamado regenerador.
Así como también reducir los accidentes que causaban frecuentemente las
explosiones de calderas de vapor, dando como resultado lesiones y en algunos
casos hasta la muerte de las personas que estaban cerca del área de operación.
El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de calentamiento y
enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor y el gas era aire en vez de
vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba caldera. El motor de Stirling
estaba basado en un ciclo cerrado de aire con combustión externa, que consta de
un cilindro abierto en su parte inferior, en el que evolucionaban dos pistones. Uno
de estos pistones, encargado de desplazar al otro, se encuentra en la parte
superior del cilindro y tenia un diámetro menor que el pistón inferior, ubicado a
cierta distancia del primero y encargado de proporcionarle fuerza. El pistón
superior estaba cubierto por el llamado regenerador, que básicamente era un
envoltorio constituido por capas superpuestas de hilo metálico, formando las
diversas capas consecutivas ángulos rectos entre si. [4]
Figura 1.1 La patente británica de Stirling de 1816 (TPOUK, Newport) [F]
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
La idea básica del ciclo consistía en transferir calor de una fuente externa (un
horno o similar) hacia la parte superior del cilindro, siendo este calor absorbido por
el aire que se encontraba en el interior del cilindro (en su extremo superior) y
sobre el pistón encargado de desplazar, haciendo que este pistón empujase al
pistón de fuerza hasta alcanzar el punto muerto inferior, al llegar a ese punto , un
volante de inercia impulsaba al pistón fuerza hacia un movimiento ascendente, lo
que hacia comprimir el aire existente entre los dos pistones, consiguiendo así
volver a las condiciones iníciales y que repitiese el ciclo.[4]
A mediados del siglo XIX gran parte de la comunidad científica sostenía la errónea
teoría “calórica” del calor. Bajo la teoría de que el motor Stirling era considerado
como una maquina de movimiento perpetuo, y gran parte de las primeras
investigaciones fueron hechas con el fin de mejorar esta maquina.
Los planos del motor, en la patente de Stirling, muestran un excelente diseño,
particularmente la colocación del pistón de trabajo y el pistón desplazador en el
mismo cilindro, permitiendo un alto cociente de compresión; es un diseño incluso
muy aceptado actualmente.
Con la patente de Stirling se construyo un motor para el bombeo de agua en una
mina de Ayrshire, Escocia, en 1818. Dicho motor tenia las mismas dimensiones de
la patente original: una altura del cilindro de casi de 10 pies, un diámetro de 2 pies
aproximadamente y una potencia de salida estimada en 2 caballos de fuerza. [6]
El hecho de que las partes calientes del motor operaran a altas temperaturas era
una de las principales preocupaciones de Stirling, ya que los materiales
disponibles en ese entonces (por ejemplo, el hierro fundido) eran poco resistentes
cuando operaban a temperaturas muy altas. Tiempo después, Robert Stirling
comento que de haber estado disponible el acero Bessemer, cuando todavía
trabajaba en sus motores, su éxito habría sido total.
Parece que Stirling intentó realizar un desarrollo posterior de su dispositivo
ayudado de su hermano menor, un ingeniero civil de Edimburgo con reconocido
prestigio. Aunque el primer motor tuvo aparentemente éxito, Stirling reconoció que
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
no tenia suficiente potencia para satisfacer las demandas energéticas de su
época. En 1824 James su hermano menor le sugirió elevar la presión en la
maquina como una forma de obtener mayor potencia.
Entre 1824 y 1840 los hermanos Stirling trabajaron en forma conjunta llevando a
cabo diversas innovaciones al diseño original. Entre las principales innovaciones
se encuentra el uso de un nivel de presión, el cual incremento considerablemente
la eficiencia. [6]
Realizando algunos experimentos en su maquina, Stirling observo que esta
funcionaba mejor sin enfriamiento al arranque, pero la eficiencia tendía a bajar a
medida que las etapas de los cilindros desplazadores se calentaban. Esto sugirió
el uso de un enfriador separado; el regenerador estacionario permitía la provisión
de un enfriador eficiente en el espacio frio, con agua circulando a su alrededor. Un
modelo basado en este principio fue construido en 1840 como se muestra en la
figura.
Figura 1.2 Mejoras hechas al motor de doble efecto patentado en 1840. [6]
En este modelo el cilindro era mas largo para evitar que se calentaran las tapas y
había un dispositivo donde se coloco el regenerador y el enfriador fuera del
cilindro.
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
En 1843, los hermanos Stirling convirtieron una maquina de vapor en fundición
Dundee para que operara de acuerdo a su principio, esta maquina tuvo una
potencia de salida de 37 caballos de fuerza, con una presión interna que vario de
160 a 240 libras por pulgada cuadrada. Operando como motor de aire consumía
menos carbón y era mucho mas segura, debido a que la caldera no estaba sujeta
a explosión, lo cual era muy común en las maquinas de vapor; al parecer los
resultados fueron satisfactorios con el inconveniente de que las porciones
calientes se quemaban después de 6 o 7 meses de uso por las altas
temperaturas. [6]
Muchas aportaciones a lo largo de todo el siglo XIX (Ericsson, Cayley…) afinaron
los conocimientos teóricos sobre el tema, e inventaron nuevos mecanismos para
los motores Stirling.
1.2.1 Motor de aire caliente de Sir George Cayley
También cita otros ingenios anteriores al de Stirling, como el motor de aire caliente
de Sir George Cayley (1773-1857) considerado el inventor de los motores de ciclo
abierto y con calentamiento por medio de horno. Aunque Cayley solicitó la patente
de su invención en 1837, indica que existe una publicación de 1807 en la que
Cayley ya proponía su invención. Ésta constaba de una cámara de combustión
(tipo horno) alimentada por carbón, a la que se le insuflaba una carga de aire
fresco, normalmente presurizado mediante una bomba. El aire caliente se
mezclaba con productos de combustión y era conducido a un cilindro con émbolo
donde se expansionaba y producía trabajo, su funcionamiento era muy parecido al
de la maquina de vapor; sin embargo, se presentaba una gran problemática con
las cenizas de la combustión que llegaban al cilindro y al pistón. [3]
En la imagen se muestra el motor de aire caliente de Sir George Cayley de 1807,
pero construido en el 1880 para propulsar una bomba de agua.
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Figura 1.3 El motor de Sir George Cayley de 1807 se llamaban: "Gradual Combustion
Engine". [G]
Cummins también señala que estas máquinas fueron comercializadas en los
Estados Unidos a principios de la década de 1860 por The Roper Caloric Engine
Company, y en Inglaterra en 1880 por la misma compañía. [3]
1.2.2 El motor de Ericsson
El ingeniero sueco John Ericsson (1803-1889), que vivió buena parte de su vida
en los Estados Unidos después de una estancia de trece años en Inglaterra,
solicitó un privilegio real en España el 16 de junio de 1859; el título de su invención
era «Nueva máquina para producir fuerza motriz por medio del aire calentado».
Esta misma invención fue patentada el 14 de diciembre de 1858 en los Estados
Unidos, con el número de patente US 22 281. Tanto el documento español como
el americano se basan en el mismo concepto, si bien el primero es un
perfeccionamiento del segundo. [4]
Las figuras 1.3 y 1.4 muestran diversos dibujos del dispositivo de Ericsson. La
máquina constaba de un calentador e, como puede verse en la zona izquierda de
la figura 1.3, donde se quemaba el combustible en el fogón f. En el interior de un
cilindro A se disponían dos pistones a y c; el primero de ellos es el llamado pistón
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
de trabajo, mientras que el segundo es el denominado pistón de suministro. El
pistón a puede verse debajo del «volante de inercia» en la figura 1.3, mientras que
el pistón c se encuentra a la izquierda del a. Realmente el objeto que tiene el
pistón c es permitir el suministro de aire caliente que, al expandirse, mueve al
cilindro a; a su vez, retira el aire enfriado una vez que se ha expandido.
Figura 1.4 Dibujo de la patente estadounidense US 22 281 sobre la máquina de Ericsson,
presentada el 14 de diciembre de 1858 (USPTO, Washington)
Figura 1.5 Imagen de la máquina de Ericsson según aparece en un librillo adjunto al
privilegio real ES 1 907 PR, presentado el 16 de junio de 1859. Este librillo está editado,
en español, en los Estados Unidos por John B. Kitching, agente de Ericsson para la venta
de Máquinas de Calórico. En el librillo se mencionan algunos usuarios americanos que
empleaban esta máquina. (OEPM, Madrid)
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
El funcionamiento de la máquina es el siguiente: se introduce aire atmosférico en
el calentador e, que a continuación pasa a unos canales laterales en los extremos
del cilindro A, donde hace un recorrido semilaberíntico hasta encontrarse con el
pistón c; existen unos topes que impiden que el aire salga de ese recorrido hasta
que c llegue a una posición determinada, que viene impuesta por el pistón a, ya
que ambos pistones a y c están unidos por un vástago d. Una vez que c permite el
paso del aire caliente al espacio limitado entre ambos pistones, se produce la
expansión de a debido al efecto del aire caliente, efecto que finaliza
aproximadamente cuando el pistón a llega al extremo derecho del cilindro A. En
ese momento, el aire del interior del cilindro se ha enfriado y debe evacuarse; ello
se consigue por el efecto del volante de inercia, accionado mediante las bielas m’
y o que giran alrededor del cigüeñal m. Mediante ese movimiento, el pistón a se
desplaza hacia la izquierda, lo que a su vez hace que el aire frío recorra el camino
inverso al realizado cuando estaba caliente, hasta que se expulsa de la máquina
mediante la válvula de desahogo h, ubicada encima del calentador e. [4]
Existe una ligera diferencia entre la invención descrita, que es la que aparece en el
documento americano, y la que figura en el privilegio real español. En el caso del
documento español, Ericsson aplicó un balancín para accionar la válvula de
descarga h; este balancín era accionado por el movimiento del cigüeñal m.
Ericsson pagó las anualidades de su privilegio real español, aunque no hay
constancia de su puesta en práctica en España ni de la fecha de caducidad. [4]
Ericsson realizó nuevas mejoras en su máquina, que se reflejaron en el privilegio
real ES 2 181 PR, titulado «Máquina de Calórico de Ericsson mejorada» y
solicitado el 26 de noviembre de 1860 por
Ericsson y la Compañía Pesant
Hermanos.
La figura 1.6 muestra el dibujo de este privilegio real, en cuya memoria descriptiva
se explica su modo de funcionamiento:
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Figura 1.6 Dibujo del privilegio real ES 2 181 PR sobre la máquina mejorada de Ericsson
(OEPM, Madrid)
Se coloco dos cilindros en línea recta a cierta distancia uno de otro. A estos
cilindros les dio el nombre de cilindro de equilibrio. Junto o cerca de ellos se
coloco una o varias cajas o recipientes de hierro muy fuertes y a prueba de aire a
las cuales se aplico calor; y otra caja o serie de cajas de hierro o recipientes,
fuertes y a prueba de aire, las cuales se mantienen frías por medio de agua fría o
de corrientes de aire atmosférico. Dentro de cada uno de los cilindros de equilibrio
está colocado un pistón hueco, el cual se llamo pistón de equilibrio, lleno de polvo
de carbón de leña u otra sustancia no conductora para impedir el paso del calor.
Estos dos pistones juegan libremente por dentro de los cilindros, y están
conectados uno con otro por medio de un tercer pistón más largo y de menor
diámetro que se parece al ariete de una prensa hidráulica. Este pistón al que
llamamos pistón motor, pasa muy ajustado a través de unas cajas de empaque
colocadas en el centro de las cabezas de ambos cilindros y tiene a los dos
pistones de equilibrio afianzados uno en cada una de sus cabezas, de manera que
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
los tres tienen que moverse simultáneamente en una misma dirección. Este pistón
tiene atravesada en medio una fuerte flecha o perno, que forma con él una cruz, y
en cuyos dos extremos están insertadas dos varas de conexión, cuyos extremos
opuestos están insertados en el manubrio del eje principal o motor de la máquina.
La máquina se carga con aire comprimido por el tubo g por medio de la bomba de
aire r, movida por una potencia auxiliar. Examinando con atención el plano, se
verá que el aire comprimido entrará primeramente al calentador i, y de allí pasará
a la caja regeneradora K y al depósito de calor h, así como al cilindro de equilibrio
a por las válvulas 3 y 5. Como el cilindro de equilibrio b está mientras tanto en
comunicación con el enfriador n, por las válvulas 2 y 6 y los varios tubos antes
descritos, es evidente que la presión en a forzará el pistón motor C dentro del
cilindro de equilibrio b hasta llegar a la terminación del golpe. Al llegar allí, la
posición de las válvulas se cambia... lo cual hace que el pistón C se mueva en
dirección opuesta, es decir entrando en el cilindro de equilibrio a, que se ha puesto
en
comunicación
con
el
enfriador n y
por
lo
mismo
ha
disminuido
considerablemente su presión mientras que el cilindro b habiéndose puesto en
comunicación con el calentador ha aumentado considerablemente la suya. De
este modo se produce y sostiene un movimiento recíproco continuo, como en la
máquina de vapor. [4]
Debe aquí advertirse, que el aire calentado al ser expelido de los cilindros de
equilibrio por las válvulas 5 y 6, el tubo h’ y la recámara m, a su paso por el
interior de los muchos y estrechos tubos que corren a todo lo largo de la caja
regeneradora K, va depositando en ellos su calor. Por otra parte el aire frío
expelido de los extremos opuestos de los cilindros de equilibrio, después de pasar
por h y p’ entra en la caja regeneradora K y pasando por los espacios que median
entre los tubos y en contacto con todos ellos recibe el calor que en ellos va
depositando el aire caliente; y al entrar en el calentador por el tubo i’’ ha recibido
ya una elevada temperatura, la cual produce un gran ahorro de combustible y
facilita mucho la acción del calentador. Del mismo modo el calor que va perdiendo
el aire caliente que pasa por dentro de los tubos de la caja regeneradora K, facilita
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
mucho la acción del enfriador en enfriar completamente el aire antes de que entre
en los cilindros de equilibrio por las válvulas 1 y 2. [4]
Llama la atención el hecho de usar la caja regeneradora como cambiador de calor
para ir aumentando la temperatura del aire antes de entrar al calentador e iniciar
así un nuevo ciclo, práctica tan habitual en las instalaciones térmicas de hoy en
día. La caducidad de este privilegio real ocurrió el 22 de enero de 1862 tras
abonar los pagos de mantenimiento pero sin acreditar la puesta en práctica de la
invención. Ericsson construyo muchos de estos motores de aire caliente para
barcos, minas y faros marítimos.
1.3 Clasificación de los motores de aire caliente según Dr. T. Finkelstein
1.- Los motores con el ciclo abierto y con el calentamiento por medio del interior
del hogar (horno) donde el gas de trabajo era el producto de la combustión,
producido fuera del cilindro dentro del horno, situado al lado del cilindro de trabajo.
El combustible era o carbón mineral, o vegetal, o, bien, leña. El aire para
combustión entraba al horno, impulsado por el pistón de la máquina y,
previamente, era aspirado por el mismo [8]. Uno de los primeros motores de este
tipo es el de Sir George Cayley.
2.- Los motores con el ciclo abierto, pero con el calentamiento externo, sin
mezclarse los gases de combustión con el aire de interior de los cilindros. Se
calentaba el aire por medio de intercambiadores entre el humo de combustión y el
aire de trabajo. El intercambio calorífico, se realizaba a través de la pared de los
cilindros, en algunas ocasiones por medio de unos intercambiadores. El gas de
trabajo era el aire, que entraba en los cilindros, se comprimía, se calentaba,
realizaba la expansión con producción del trabajo mecánico, y se expulsaba al
exterior para repetir el ciclo de trabajo [8]. El motor de Ericsson de aire caliente
empleaba este tipo de principio para su funcionamiento.
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.- Los motores con el ciclo cerrado y calentamiento externo. La sustancia de
trabajo, o gas de trabajo, es el mismo en cada uno de los procesos. Los espacios
internos de los cilindros son herméticos, lo que ha permitido, mas tarde, subir la
presión inicial y, gracias a esto, la potencia [8]. Un ejemplo claro de este tipo de
motores de aire caliente son los motores Stirling.
El gran desarrollo de los motores de combustión interna a partir de la mitad del
siglo XIX y la mejora en el refinamiento de los derivados del petróleo (gasolinas,
gasóleos) coloco los motores alternativos al frente de los motores térmicos. Este
hecho, acompañado de la invención de los motores eléctricos, origino que, desde
principios de siglo XIX, la maquina de vapor y los motores de Stirling y Ericsson
fueran desplazados de la carrera por la industrialización.
1.4 Los sistemas disco Stirling
La tecnología de los sistemas disco-motor es la más antigua de las tecnologías
solares y se remonta a 1800, cuando varias empresas demostraron la posibilidad
de desarrollar sistemas solares basados en los ciclos de Rankine y de Stirling. La
tecnología moderna fue desarrollada en la década de 1970 y a principios de 1980
por las compañías United Stirling AB, Advanco Corporation, McDonnell Douglas
Aerospace Corporation (MDA), NASA’s Jet Propulsion Laboratory, y el DOE. Esta
tecnología se basaba en la utilización de tubos de iluminación directa y en
pesadas estructuras de elevado coste.
En las últimas décadas, los sistemas disco parabólico han evolucionado tanto en
Europa como en EE.UU. hacia la construcción de unidades autónomas
conectadas a motores Stirling situados en el foco, con potencias de 7-25 kW. Los
sistemas disco Stirling presentan una alta eficiencia en la conversión de la
radiación solar en energía eléctrica, entre 25-30%, en condiciones nominales de
operación. Además, se pueden conseguir relaciones de concentración superiores
a 3,000, lo que permite alcanzar temperaturas entre 650 y 800°C y eficiencias
nominales en los motores Stirling entre 30-40%. [5]
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“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
La experiencia operacional con sistemas disco Stirling se circunscribe a unas
pocas unidades ensayadas fundamentalmente en EE.UU., Europa y Australia, y
en España en la Plataforma Solar de Almería. La primera generación de discos
estuvo formada por configuraciones de vidrio/metal, que se caracterizaron por
unas altas concentraciones (C=3,000) y excelentes resultados, pero a precios muy
elevados (estimaciones por encima de 300 Euro/m2 para grandes producciones) y
estructuras muy pesadas. El disco Vanguard fue operado en Rancho Mairage
(California) en el desierto de Mojave durante un periodo de 18 meses (Febrero
1984-Julio 1985) y llevaba un motor/generador de 25 kW de United Stirling AB. El
gas de trabajo era hidrógeno y la temperatura de 720°C. Posteriormente, entre
1984-1988, McDonnell Douglas desarrolló un disco con la misma tecnología pero
con algunas mejoras. Se construyeron seis unidades de 25 kW que operaron
varias compañías eléctricas. Transferida a Boeing, la licencia de la tecnología la
posee el consorcio SES, que desde 1988 está relanzando su aplicación con la
denominación de disco SES/Boeing. El nuevo prototipo ha acumulado más de
8,000 horas de operación. [7]
A principios de 2006, se aprobó en California el proyecto Stirling Energy Systems
of Arizona 2 (SES 2). Este proyecto podría tratarse de la primera instalación de
envergadura de discos Stirling en el mundo. La planta de 300 MW y un total de
12000 discos reflectores con receptores de hidrógeno, se ubicará en el desierto de
Imperial Valley. Cabe esperar que este proyecto marque el despegue del mercado
para las turbinas Stirling. Además, hay que reseñar otros desarrollos en EE.UU.
involucrando a empresas como LaJet, Solar Kinetics, SAIC, Acurex y WG. [5]
En Europa, los principales desarrollos se han llevado a cabo por empresas
alemanas (Steinmüller; SBP y SOLO Kleinmotoren). Éstas desarrollaron seis
unidades de 9-10 Kw, tres de ellas ensayadas en la Plataforma Solar de Almería,
con más de 30.000 horas de operación. Se trata de sistemas que conllevan una
significativa reducción de costes, aunque a cambio de menores rendimientos. El
motor trabaja con helio a 630°C y presenta rendimientos del 20 %, sensiblemente
inferior a los planteados por Boeing/SES. El proyecto europeo EURODISH (199816
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
2001), con participación de empresas españolas (Inabensa, CIEMAT-PSA),
mejoró los prototipos anteriores (rediseño del concentrador y motor, revisión y
simplificación del sistema de seguimiento y control, utilización de hidrógeno como
fluido termo portador, etc.). Se construyeron tres unidades EURODISH ensayadas
en Vellore (India), Milán (Italia) y la Plataforma Solar de Almería. Posteriormente,
el proyecto alemán ENVIRODISH (2002-2005), además de incorporar mejoras de
los componentes del prototipo EURODISH, comenzó a preparar su introducción en
el mercado. Así, en el año 2004 se construyeron tres unidades de referencia en
Odeillo (Francia), Sevilla y Würzung (Alemania). La potencia generada por las dos
últimas se vende a tarifa de las redes eléctricas española y alemana. [7]
En Australia, ya en el año 1978, el Energy Research Center (ERC) de la
Universidad de Camberra construyó en White Cliffs una de las primeras centrales
termoeléctricas del mundo, constituida por 14 discos parabólicos de 20 m2 que
funcionaron durante varios años. Solar Systems convirtió la planta termoeléctrica
en fotovoltaica. Posteriormente, ERC construyó y ensayó un disco parabólico de
400 m2 y 50 kW. Solar Systems también ha construido desde entonces varios
prototipos de discos parabólicos.
Los logros que se están alcanzando (hibridación, optimización de procedimientos
de arranque y control, etc.) hacen prever unos costos de generación inferiores a
0.12-0.17 Euro/kWh a corto plazo. No obstante, pese al enorme potencial a largo
plazo de esta tecnología, debido a sus elevadas eficiencias y su modularidad, la
limitación en cuanto a su potencia unitaria (inferior a 25 kW) obstaculiza muchas
aplicaciones que pretenden la producción eléctrica a gran escala. Así, tienen su
aplicación más obvia en la producción de electricidad para autoconsumo en
lugares aislados donde no llegue la red eléctrica (bombeo de agua en pozos,
suministro de electricidad a núcleos de viviendas rurales, etc.), donde cabe
esperar que puedan competir con sistemas ya comerciales como los fotovoltaicos
o los generadores diesel.
17
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Este tipo de implementación de los motores Stirling se explicara con más
detenimiento en capítulos posteriores y se abordara otras aplicaciones mas
recientes de este tipo de motores.
1.5 Renacimiento de los motores Stirling
Durante la época de esplendor de las maquinas de vapor, las cuales constituían la
fuerza motriz de la mayoría de las industrias del siglo XIX, centenares de motores
Stirling se utilizaban para el bombeo de agua y otras aplicaciones de menor
potencia (0.1, 4 kw) como ventiladores. Se consideraban seguros y silenciosos
para estas aplicaciones, pero habían tenido más de un fracaso en las
configuraciones de mayor potencia.
El motor Stirling era reconocido por su facilidad de operación, por la sencillez de
sus mecanismos, la capacidad de utilizar como combustible cualquier material que
ardiera, y su poco mantenimiento aunque fuera muy pesado con respecto a la
potencia generada y era muy costoso.
En la época de la segunda guerra mundial hubo grandes avances en la fabricación
de aceros inoxidables así como una mayor comprensión del ciclo Stirling, lo que
hizo que algunos científicos volvieran sus ojos a esta tecnología. El desempeño de
los antiguos motores fue mejorado y su tamaño y costo disminuido con la ventaja
que se conservo la utilización de materiales diversos como combustible.
1.5.1 La Philips y el motor Stirling
Un grupo de ingenieros de la Philips que visitaban la exposición de maquinaria en
1937 en Múnich, se sorprendieron al ver en uno de los puestos un pequeño motor
silencioso de un cilindro movido por una lámpara de alcohol y que llamaba
poderosamente la atención. A su regreso a Holanda, comenzaron a investigar
sobre aquel motor en particular y pronto descubrieron que se sabía muy poco de
aquellos motores de aire caliente. De esta manera, poco antes de la segunda
guerra mundial, en los laboratorios de la Philips Physical Research en Eindhoven,
Holanda, se retomo el tema de los motores de ciclo Stirling, iniciando un estudio
18
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
detallado acerca de su funcionamiento y construyendo varios prototipos basados
en descripciones y en dibujos de libros antiguos. [6]
A principios de la guerra ya habían conseguido superar todos los diseños
anteriores y bajo la dirección de Rinia y Kohler, se hizo un programa intensivo para
determinar científicamente el alcance de sus innovaciones. Ya comenzaba la
guerra, sus prototipos habían superado el 10% en eficiencia térmica y el peso por
caballo se había reducido a menos de 10 kilogramos. Esta progreso sustancial
justificaba plenamente el programa e invitaba a continuarlo realizándose en
secreto debido a la ocupación alemana en Holanda.
Los ingenieros y técnicos de la Philips siguieron trabajando en el motor Stirling,
con la seguridad de conseguir un motor superior a los motores de explosión
basados en ciclos Otto y Diesel. Para 1942 ya habían logrado su objetivo; loa
alemanes, al tener conocimiento de que los laboratorios de la Philips se trabajaba
en secreto sobre un nuevo motor de aire caliente, confiscaron unos tanques
creyendo que contenían un nuevo combustible y, para su sorpresa, solo
encontraron que llevaban aire desecado. [9]
Al término de la Segunda Guerra Mundial, ya habían sido probados un gran
número de prototipos exitosos. Para 1946, se publicaron en la Philips Technical
Review una serie de 3 artículos clásicos anunciando al mundo el renacimiento del
motor Stirling; en ellos se argumentaba que para una misma potencia el volumen
de barrido se había reducido en un factor de 125 y el peso en un factor de 50, con
respecto a los modelos anteriores. [9]
Philips describió dos tipos de motores en sus primeras publicaciones. Uno fue el
de pistón-desplazador, que era una copia del diseño original de la patente de
1816, y el otro fue el de doble pistón diseñado por H. Rinia, quien fue uno de lo
directores del programa Stirling de la Philips; los dos tipos de motores usaron aire
como fluido de trabajo.
19
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Muchas pruebas fueron realizadas en este proceso, pero una prueba que
entusiasmo en particular a los ingenieros de la Philips, fue la que hicieron en los
canales holandeses al colocar un motor Stirling de dos y medio caballos de fuerza
en un bote de remo; el motor no era mas grande que una botella de medio galón,
por lo cual lograron fácilmente cubrirla con una caja de cartón. El bote motorizado
recorrió 50 millas alrededor de los canales de Holanda, a una velocidad de 80
millas aproximadamente. Las personas que caminaban a esa hora por la orilla de
los canales quedaron totalmente sorprendidas al ver el bote deslizarse
silenciosamente a través del agua, sin ningún medio de propulsión visible. [9]
Cuando unos ingenieros de la compañía Philips intentan poner al día un motor
Stirling para accionar un generador, que debía alimentar unos equipos
electrónicos que ellos fabricaban. Aquellos investigadores tenían un mejor
conocimiento de la física térmica y los fluidos que los técnicos de la primera
época, además contaban con nuevos materiales como el acero inoxidable ya
mencionado anteriormente. En 1952 consiguieron que su pequeño motor lograra
una potencia específica 30 veces superior a los viejos motores Stirling. Este
espectacular éxito llamó la atención y el interés de ingenieros y científicos
inspirando una gran variedad de proyectos.
Figura 1.7 Philips MP1002CA generador Stirling de 1951. [H]
20
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Pero los ingenieros de la Philips no solo desarrollaron el Stirling como motor,
también hicieron investigaciones del Stirling como refrigerador. Teóricamente, el
ciclo Stirling es un ciclo reversible, es decir, si se sustrae calor de un espacio
refrigerado (cuerpo frio), la maquina opera en un ciclo de refrigeración. Basándose
en este principio, la Philips comenzó a realizar pruebas con un prototipo conectado
a un motor eléctrico. al encender el motor, el Stirling giraba en sentido de las
manecillas del reloj. En ese momento la maquina actuaba como un refrigerador
capaz de enfriar a -320 ° F (-1954.6 °C) y licuar el aire sin necesidad de
precompresion. Si el motor eléctrico era detenido, inmediatamente el Stirling
cambiaba su sentido al contrario de las manecillas del reloj y entonces se
convertía en una bomba de calor elevando la temperatura de los cilindros hasta
llegar al rojo vivo. [6]
En sus primeras publicaciones, la Philips menciono que sus refrigeradores Stirling
llegaban a temperaturas de 80 °K sobre el cero absoluto, en posteriores llegaron a
tener temperaturas increíblemente bajas de 12 °K sobre el cero absoluto. Estos
resultados llevaron a la construcción de maquinas de licuefacción para
laboratorios y centros de investigación. La maquina fue una verdadera innovación
debido a las ventajas que ofrecía, las cuales no podían ser igualadas por ningún
otro método convencional; su construcción era sencilla, no se requiere
precompresion, la licuefacción comienza a los 15 minutos, comparado con las dos
horas requeridas por un equipo convencional, estas maquinas no tenían rival
alguno. [6]
El primer ciclo de Stirling cryocooler se desarrollo en Philips en los años 1950 y
comercializado en lugares como líquido para plantas de producción de nitrógeno.
La investigación de los motores Stirling fue direccionada hacia aplicaciones
especiales tales como la generación de energía en el espacio, motores para autos
y hasta corazones artificiales, pero fueron muy pocos los esfuerzos encaminados
a desarrollar motores para aplicaciones mas sencillas y comunes.
21
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Una de las empresas que más trabajo en el desarrollo de los motores Stirling fue
Phillips como se puede observar, ya que por largo tiempo trato de desarrollar
motores para automóviles también con resultados bastante buenos.
En 1958, Philips firmó un acuerdo con la General Motors que duró unos 12 años.
En 1964, la General Motors construyó un vehículo con motor de Stirling, un
Corvair cuyo motor, de 30 CV, extraía energía de un dispositivo de reserva lleno
de óxido de aluminio. En 1968 y 1969 se construyeron los Stir-Lec 1 y Stir-Lec 2,
dos Opel Kadett con propulsión mixta, tracción eléctrica con baterías alimentadas
por un motor de Stirling de 11 CV.
[J]
Figura 1.8 Coche híbrido diseñado por GM 1. [R]
En 1948, Henry Ford II visito los laboratorios de la Philips y quedo muy
impresionado ante las posibilidades del nuevo motor. Para 1950 la Ford Motor Co.
ya tenia varios prototipos cuyo funcionamiento se mostro a especialistas europeos
y americanos; dicha presentación consistió en un motor Stirling de 40 caballos y
de un cilindro, una eficiencia térmica del 38%, superior a cualquier motor de
gasolina y tan alta como la del mejor motor diesel (en el motor de automóvil común
la eficiencia térmica es de 20%).
En 1973, la Philips firmó un acuerdo de licencia exclusiva mundial con la Ford. El
programa de investigaciones a gran escala está destinado a solucionar los
problemas que aún quedan por resolver para adaptar el motor Stirling al uso
automovilístico: especialmente, se refieren a las retenciones con el fluido
intermedio y a la investigación de un sistema simple para controlar la potencia
22
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
producida. La Philips ha construido un motor de Stirling de 4 cilindros de doble
acción de 200 CV que funcionó por vez primera en un banco de pruebas en
octubre de 1974, y sobre carretera, en un Ford Torino, a mediados de 1975. En
Suecia, la United Stirling ha experimentado ya el pequeño motor de 4 cilindros
sobre un Ford Pinto, después de un acuerdo mutuo con la Ford. El motor acabó
teniendo poco potencial para su uso en automóviles debido a la natural
incapacidad de los motores de combustión externa para producir potencia de
forma inmediata. [J]
Sin embargo, hay conceptos para revivir el automóvil motor Stirling para su uso en
vehículos eléctricos híbridos debido a su alta relación peso / potencia y eficiencia
global.
Figura 1.9 Motor Stirling automotriz (Nightingale, 1986) [K]
A partir de la década de 1970 el Centro de Investigaciones Glenn de la (NASA)
inició la investigación y el desarrollo de motores Stirling de alta eficiencia para ser
utilizado en aplicaciones de la tecnología espacial. La decisión de utilizar motores
Stirling se centra en su relativa fiabilidad en comparación con otros motores
mecánicos, simplicidad, bajo nivel de ruido, prácticamente no vibración, y lo más
23
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
importante es elevada relación peso / potencia. La unidad giratoria brayton (BRU)
Proyecto que apunta a obtener una mayor eficiencia de energía. [K]
Figura 1.10 Unidad de rotación brayton (BRU). (Lee Mason, 2007). [K]
En la década de los 80’s la agencia americana para el desarrollo internacional
(USAID) financio el desarrollo de un motor Stirling sencillo y económico para
países en vías de desarrollo. El motor fue diseñado, construido, ensayado y
llevado Bangladesh y varias copias fueron puestas en operación lo que demostró
que motores tan sencillos podrían ser elaborados en talleres de países de tercer
mundo.
Desbancando definitivamente el motor Stirling en aplicaciones motrices y de
bombeo, hacia mediados del siglo XIX aparece un renovado interés de estos
dispositivos para nuevas aplicaciones. Refrigeración, calefacción y generación
eléctrica a partir de fuentes de calor alternativas a los combustibles fósiles de alta
calidad son nuevos campos donde los motores Stirling pueden ser competitivos
respecto a otros sistemas.
Multitud de empresas, particulares y departamentos universitarios están
desarrollando programas de cara al diseño y experimentación de maquinas Stirling
suficientemente eficientes para competir con las soluciones actuales. Existen
diversos prototipos realizados, pero todavía son pocas las aplicaciones
comerciales que se pueden encontrar. [1]
24
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
En la actualidad el motor Stirling es objeto de múltiples investigaciones debido al
potencial que tiene para alcanzar altas eficiencias y a su operación silenciosa y
limpia. Los niveles de desempeño de los motores Stirling actuales son bastante
buenos gracias al desarrollo de nuevos materiales que soportan grandes
temperaturas y reducen el desgaste, intercambiadores de calor diseñados por
computador y a la utilización de hidrogeno o helio a altas presiones como fluido de
trabajo.
Los motores Stirling si bien no llegaron a suponer una alternativa real a la máquina
de vapor, puede que gracias a ellos se produjese una mutación en la cadena
evolutiva técnica, que desembocó finalmente en los motores de combustión
interna.
1.6 Partes constitutivas del motor Stirling
En general todos los motores Stirling se caracterizan por poseer los mismos
mecanismos principales para la generación de trabajo o el bombeo de calor; claro
esta, la ubicación, disposición y tamaño varían dependiendo del modelo o diseño
del que se trate. Por lo tanto, todos los motores con base a este ciclo se
constituyen con las siguientes partes principales: [13]
1.6.1 Fuente de calor de alta temperatura
Esta fuente es ubicada en el extremo más alejado del cilindro del desplazador y es
el suministro principal de calor al sistema (figura 1.11). Por las características de
este motor la fuente de calor puede ser creada o generada de diversas formas,
entre las cuales se encuentran; energía eléctrica, energía nuclear, energía térmica
de vapor de agua, energía solar, energía de combustión por materiales fósiles, etc.
1.6.2 Sumidero de calor de baja temperatura
Toda maquina térmica necesita tanto de una fuente de calor como de un sumidero
o zona de baja temperatura para producir trabajo. En este caso, como se puede
apreciar en la figura 1.11, el sumidero se ubica en el extremo contrario a la fuente
25
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
de calor y muy cerca de la zona de entrada de gas al pistón de trabajo, ya que en
esta última parte no es necesario que la temperatura del aire sea alta. Para
disminuir la temperatura del gas se pueden utilizar diversos medios de
transferencia de calor, como pueden ser: agua a temperatura ambiente, agua de
baja temperatura, fluidos refrigerantes, aire o diversos gases, etc. [13]
1.6.3 Pistón desplazador
Este pistón tiene la función de mover el fluido de trabajo de un extremo de la
cámara a otro y por lo tanto hacer pasar alternativamente el fluido desde la fuente
hasta el sumidero de calor. Esto se logra gracias precisamente a la ayuda del flujo
de calor, ya que es el que hace que el fluido se expanda o se contraiga según sea
la posición del desplazador. Este debe reunir las condiciones características de
ligereza y baja transmisión de calor, ya que solo es necesario para desplazar el
aire de un punto a otro del motor pero sin anteponer demasiado esfuerzo al
movimiento.
Figura 1.11 Descripción general del motor Stirling; 1 – Fuente de calor de alta
temperatura, 2 – Pistón desplazador, 3 – Regenerador, 4 – Sumidero de calor de baja
temperatura, 5 – Pistón de Potencia, 6 – Barra de conexión para pistón de potencia, 7 –
Barra de conexión para pistón desplazador, 8 – Rueda de inercia. [13]
26
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
1.6.4 Pistón de potencia
Este elemento es el que recibe directamente los efectos que sufre el fluido de
trabajo debido a la fuente y sumidero, esto es, una cantidad de energía cinética
contenida en el fluido de trabajo y que se impacta en este pistón; este a su vez la
transforma en energía mecánica y la transmite mediante mecanismos clásicos
(como el de biela – manivela – corredera) hacia un punto en el cual se pueda
aprovechar la energía mecánica. De acuerdo a lo anterior se entiende que tanto el
pistón desplazador como el pistón de trabajo cumplen cada uno con una parte
primordial para la obtención de trabajo, y se complementan para cumplir el mismo
objetivo. Para lograr la continuidad del movimiento en los pistones y en general en
el fluido de trabajo, se necesita cumplir con dos condiciones: primero que el flujo
de calor tanto en la fuente como en el sumidero sean lo más constantes posibles y
que se mantenga una tasa constante de flujo; y la segunda es que ambos
movimientos alternativos, el del pistón desplazador como el de trabajo, se
conjunten en un mecanismo que los relacione y los coordine para que no se pierda
la continuidad del movimiento. Este mecanismo es la rueda de inercia. [13]
1.6.5 Rueda de inercia
La rueda de inercia cumple con las condiciones antes impuestas ya que crea un
desequilibrio del sistema mecánico debido a que, al conectar las barras del
desplazador y del pistón de trabajo, se mantiene un ángulo de aproximadamente
90° una respecto a la otra, logrando con esto que en un punto dado la masa en
desequilibrio de la rueda impulse a la barra de conexión del pistón desplazador y a
su vez al desplazador y al fluido de trabajo, reiniciando de esta forma una vez mas
el ciclo.
En el siguiente capitulo se abordara de manera mas amplia el funcionamiento y los
procesos termodinámicos que ocurren en el interior de los motores Stirling, así
como su influencia en el regenerador.
27
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
CAPITULO 2
PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DE
FUNCIONAMIENTO
28
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
2.1 Generalidades
Todos los motores termodinámicos funcionan con ciclos de calor, llamados con
mayor frecuencia ciclos termodinámicos. Cada uno de estos ciclos tiene un
nombre. Los motores termodinámicos se clasifican en endotérmicos (combustión
interna) y exotérmicos (combustión externa). Como ejemplo de motores de
combustión interna son los que se usan en los autos, estos funcionan con el ciclo
Otto, los camiones, trenes y barcos con el ciclo Diesel, las plantas de poder
frecuentemente funcionan con el Rankine, mientras que las turbinas de gas
funcionan con el ciclo Brayton. En los motores de combustión externa destaca uno
en especial el motor Stirling cuyo ciclo fue entre los primeros de los ciclos
termodinámicos en ser operados por los ingenieros. [11]
Los motores térmicos transforman un flujo de calor en trabajo mediante una serie
de procesos termodinámicos que realizan de forma continuada sobre un fluido
motor. En conjunto estos procesos forman un ciclo termodinámico. Un ciclo
termodinámico es una evolución cíclica de procesos térmicos dentro de un
intervalo de temperaturas.
El funcionamiento de los motores térmicos esta caracterizado por la temperatura
máxima y mínima entre las que opera el fluido motor, así como la rapidez con que
es capaz de realizar el ciclo, cuestión que definirá su potencia.
Otro aspecto tecnológico muy importante es el proceso empleado para aportar el
calor al ciclo, distinguiéndose los motores exotérmicos de los endotérmicos. En los
procesos exotérmicos el calor que requiere el ciclo termodinámico es aportado al
fluido de trabajo en un dispositivo externo como en el caso de la maquina de vapor
y del motor Stirling. El fluido motor siempre es el mismo y no cambia de
composición. Por el contrario, en los motores endotérmicos el calor es aportado al
fluido del trabajo haciéndolo intervenir como comburente en un proceso de
combustión. Con lo que será necesario sustituir el fluido motor después de cada
ciclo de trabajo, puesto que, debido al cambio de composición química sufrido en
29
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
el proceso de combustión, el fluido resultante no es reutilizable después de haber
transferido su energía al mecanismo.
La forma de aportación de calor al ciclo no presenta diferencias en los procesos
termodinámicos; sin embargo, las diferencias tecnológicas son determinantes. Los
motores endotérmicos solo pueden trabajar con combustible de una cierta calidad,
dado que el proceso de combustión debe realizarse, a enorme rapidez, en el
interior del mecanismo. En cambio, los motores exotérmicos aportan el calor al
ciclo mediante una transferencia de calor, con lo que pueden aprovechar
combustibles de inferior calidad, como puede ser la biomasa o gases de escape
de otros motores, o incluso fuentes de calor alternativas, como la energía solar o
la fisión nuclear. [11]
2.2 Funcionamiento del motor Stirling
Como se ha podido apreciar, el funcionamiento de este tipo de motores es
relativamente fácil de comprender ya que su operación es sencilla y cuenta con
pocos elementos constitutivos. Sin embargo, como en todos los ciclos
termodinámicos reales, existen etapas que no se alcanzan a apreciar del todo, ya
sea por sus altas velocidades de operación o por el proceso en si mismo.
Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o
viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y
expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos
temperaturas, la del foco caliente y la del foco frío.
En el motor Stirling un gas esta confinado en una cámara cerrada, no sale al
ambiente. El gas se desplaza de un extremo a otro de la cámara, cuando está en
un extremo, una fuente de calor externa lo calienta; esto hace que se expanda y
así se produce la fuerza del motor. Una vez que alcanza su máxima expansión, el
gas se traslada al otro extremo de la cámara, donde se enfría, lo que provoca que
se comprima. Después se lleva nuevamente al extremo caliente para iniciar un
30
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
nuevo ciclo. Un tambor desplazador mueve el gas entre los dos extremos de la
cámara y otro dispositivo, el pistón de potencia, aprovecha la expansión para
producir la fuerza del motor. [12]
La modelización del ciclo termodinámico del motor Stirling siempre parte de la
base de que las evoluciones asociadas a la variación de volumen se realiza de
modo isotérmico, de modo que durante la expansión se produce la introducción de
calor del ciclo y durante la compresión se produce la extracción.
Este hecho permite que el fluido motor, una vez que se ha expandido, permanece
a la misma temperatura que antes de la expansión, lo que permite la introducción
del concepto de regenerador.
Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno frío,
se cumple que el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a
su calentamiento, lo que permite introducir un elemento que almacene el calor
cuando una vez expandido el fluido debe operar a temperatura baja, para después
de la compresión volver a absorber dicho calor para pasar a la cámara caliente
donde se expansionara. [12]
El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo
a partir de cuatro procesos cíclicos consecutivos: aporte de calor, expansión con el
aporte de calor de la fuente de calor, extracción de calor hacia un acumulador
térmico regenerativo y compresión con extracción de calor hacia el foco frío.
En seguida se muestra el esquema conceptual de un motor Stirling donde el fluido
esta confinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio,
dividiendo el espacio, se dispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo
condiciona para adecuarlo a la temperatura de la cámara en que se encuentra. A
un lado se dispone la cámara de compresión, a temperatura baja, y en el otro la
cámara de expansión, a temperatura alta.
31
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Figura 2.1 Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica
En la figura 2.2a se puede apreciar la primera etapa, en el cual el desplazador ha
empujado al fluido de trabajo dentro del área fría del cilindro, donde este es
enfriado. La presión en esta etapa es normal. El pistón de potencia esta siendo
empujado por la rueda de inercia hacia el Punto Muerto Superior (PMS) de la
carrera, y este movimiento se beneficia debido a el vacío parcial creado por el
fluido de enfriamiento; el cual al bajar la temperatura del aire este se comprime.
Para la segunda etapa, la figura 2.2b muestra que el desplazador presiona al gas
a fluir dentro del área caliente y ahí es donde se suministra una determinada
cantidad de calor al fluido de trabajo. El pistón de potencia se encuentra en el
PMS, esperando que se incremente la presión como resultado de la expansión del
fluido de trabajo.
En la tercera etapa, el desplazador ha terminado de mover todo el fluido de trabajo
dentro del área caliente, como se muestra en la figura 2.2c. Como consecuencia
se presenta un incremento de la presión hasta un nivel máximo, esto origina que el
pistón de potencia sea desplazado con dirección de su Punto Muerto Inferior (PMI)
y que se aplique fuerza a la rueda de inercia, consecuentemente se crea trabajo.
En la cuarta y última etapa de la figura 2.2d, el desplazador presiona al fluido de
trabajo dentro del área fría, donde la presión decae y se crea nuevamente un
vacío parcial. El pistón de potencia alcanza, de esta forma, su desplazamiento
máximo y esta listo para desplazarse a su PMI bajo la acción de la rueda de
inercia y la caída de presión que ocasiona un vacío parcial. [13]
32
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Figura 2.2 Operación del motor Stirling [13]
Para que este ciclo continúe indefinidamente se le debe proporcionar calor
constantemente a la zona caliente y retirárselo a la zona fría.
2.3 Descripción termodinámica del ciclo Stirling
El motor Stirling es un tipo simple de motor de combustión externa que utiliza un
fluido compresible como fluido de trabajo. El motor Stirling teóricamente puede ser
muy eficiente para convertir calor en trabajo mecánico a la eficiencia de Carnot. El
límite térmico para la operación del motor Stirling depende de los materiales
utilizados para su construcción y del fluido de trabajo.
El ciclo Stirling de igual manera que los ciclos Otto y Diesel surge a partir del
desarrollo de un motor y de su explicación científica, solo que a diferencia de los
ciclos Otto y Diesel, el ciclo Stirling no tuvo un desarrollo paralelo al motor pues el
desarrollo del motor se detuvo con la aparición de los motores Otto y Diesel lo
cual, aunque pueda parecer una desventaja, también pueda ser el motivo por el
cual ahora se tenga un mayor conocimiento de el, ya que el ciclo Stirling se
desarrollo en los años 60 por un interés en la aplicación espacial, cuando el
desarrollo científico era superior. Esto ha dado al ciclo Stirling la posibilidad de
33
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
desarrollarse más rápidamente, además de encontrar nuevas y numerosas
aplicaciones gracias al desarrollo tecnológico con el que ahora se cuenta. [12]
2.3.1 Procesos del ciclo Stirling teórico
El ciclo Stirling Teórico está compuesto por dos evoluciones a Volumen constante
y dos evoluciones isotérmicas, una a Th y la segunda a TL. Este queda ilustrado en
la figura 2.3. El fluido de trabajo se supone es un gas perfecto. En el ciclo teórico
hay un aspecto importante que es la existencia de un regenerador. Este tiene la
propiedad de poder absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen
constante del ciclo. [E]
Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es
inferior. Hay algunos aspectos básicos a entender en la operación de un motor
Stirling:
·
El motor tiene dos pistones y el regenerador. El regenerador divide al
motor en dos zonas, una zona caliente y una zona fría.
·
El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder calor y con
conductividad térmica despreciable.
·
El fluido de trabajo está encerrado en el motor y los pistones lo desplazan
de la zona caliente a la fría o viceversa en ciertas etapas del ciclo. Por lo
tanto se trata de un ciclo cerrado.
·
Cuando se desplaza el fluido desde la zona caliente a la fría (o al revés),
este atraviesa el regenerador.
·
El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga trabajo
útil.
·
Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro del
regenerador es despreciable en el caso del ciclo teórico. Como en el ciclo
real esto no ocurre, el rendimiento es algo inferior.
·
En el ciclo teórico se supone que la eficiencia del regenerador es de un
100%. Es decir devuelve todo el calor almacenado y además con
recuperación total de temperaturas.
34
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
El ciclo se compone de cuatro fases que pueden observarse claramente en un
diagrama P-V.
1.- Comprensión isotérmica (1 a 2)
2.- Adición isocórica de calor (2 a 3)
3.- Expansión isotérmica (3 a 4)
4.- Extracción isocórica de calor. (4 a 1)
Figura 2.3 Ciclo Stirling ideal en un diagrama P-V y en un diagrama T-S.
Fase 1. El desplazador se encuentra en la zona caliente y el pistón de potencia se
encuentra en el extremo del cilindro por lo que el volumen de gas es máximo. Este
se encuentra en la zona fría y la presión es mínima.
Fase 2. En esta fase el pistón se encuentra totalmente adelante, lo que hace que
la presión aumente y la el gas permanezca en la zona fría.
Fase 3. El pistón permanece en su lugar mientras el desplazador se mueve hacia
la zona fría haciendo que el gas ocupe la zona caliente. Por lo tanto el volumen
sigue siendo mínimo mientras que el gas esta a alta temperatura y máxima
presión.
Fase 4. El aire caliente a alta presión mueve al pistón hasta al final del recorrido.
En esta fase tenemos máximo volumen y el gas ocupa la zona caliente del cilindro.
Luego se mueve el desplazador hacia la zona caliente para volver a iniciar el ciclo.
35
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Para pasar de una fase a otra de ciclo Stirling deba ocurrir un proceso
termodinámico. En total se requieren cuatro procesos para que se complete un
ciclo. Estos se analizan a continuación.
Si se analiza el proceso de 1-2 de la grafica se observa que se da una compresión
isotérmica lo que significa que hay que aplicarle al motor un trabajo externo para
pasar de la fase 1 a la 2. En esta fase se libera una cantidad de calor QC.
Figura 2.4 Proceso de 1-2 del ciclo Stirling
En el proceso de 2-3 se le entrega al motor una cantidad de calor Qin para elevar
la temperatura del gas de TL a TH todo esto a volumen constante (proceso
isocorico).
Figura 2.5 Proceso de 2-3 del ciclo Stirling
Luego, en el proceso de 3-4, el aire que estaba a máxima presión hace que el
piston se desplace hasta lograr el volumen máximo, todo esto a temperatura TH
36
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
(proceso isotérmico). En esta etapa del ciclo es cuando el motor recibe una
cantidad de energía de QC. La diferencia de QC y QE es el trabajo total entregado
por ciclo.
Figura 2.6 Proceso de 3-4 ciclo Stirling
Por ultimo el desplazador hace que el aire se mueva de la zona caliente a la zona
fría por lo cual la temperatura de este disminuye al perder una cantidad de calor
QOUT y por consiguiente la presión baja.
Figura 2.7. Proceso de 4-1 ciclo Stirling
2.4 Rendimiento del motor Stirling
El motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot, lo cual le
permite, teóricamente, alcanzar el límite máximo de rendimiento, que es a lo
máximo que puede llegar un motor térmico.
h = 137
TL
TH
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo
producido y el calor absorbido.
h=
W
Qe
El calor absorbido es Qe. El rendimiento térmico del ciclo será:
Procederemos a analizar cada etapa, hallaremos en W y el calor en cada una de
ellas: Datos a utilizar: V1=V4, V2=V3
T1=T2, T4=T3
Etapa 3-4: Proceso isotérmico (temperatura constante).Calentamiento
¶U = ¶Q + ¶W
¶Q = -¶W
æV ö
Q = nRTH ln çç 4 ÷÷
è V3 ø
æV ö
W = nRTH ln çç 4 ÷÷
è V3 ø
38
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Etapa 4-1: Proceso isocórico (volumen constante).
¶U = ¶Q + ¶W
¶U = ¶Q
Q = Cv(T1 - T4 )
W =0
Etapa 1-2: Proceso isotérmico (temperatura constante).Enfriamiento
¶U = ¶Q + ¶W
¶Q = -¶ W
¶Q = -( -¶W ) = ¶W
æV
¶Q = nRTL ln çç 2
è V1
ö
÷÷
ø
æV ö
¶Q = - nRTL ln çç 4 ÷÷
è V3 ø
æV
W = -nRTL ln çç 4
è V3
ö
÷÷
ø
Etapa 2-3: Proceso isocórico (volumen constante).
¶U = ¶Q + ¶W
¶U = ¶Q
¶Q = -Cv(T1 - T4 )
¶Q = Cv(T4 - T1 )
¶W = 0
39
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Hallando el trabajo neto: Wneto
æV ö
æV ö
Wneto = nRTH ln çç 4 ÷÷ - nRTL ln çç 4 ÷÷ + 0 + 0
è V3 ø
è V3 ø
æV ö
æV
Wneto = nRTH ln çç 4 ÷÷ - nRTL ln çç 4
è V3 ø
è V3
ö
÷÷
ø
Hallando el calor suministrado:
æV ö
Qe = nRTH ln çç 4 ÷÷ + Cv(T1 - T4 ) + Cv (T4 - T1 )
è V3 ø
æV ö
Qe = nRTH ln çç 4 ÷÷
è V3 ø
Reemplazando:
h=
W
Qe
æV ö
æV ö
nRTH ln çç 4 ÷÷ - nRTL ln çç 4 ÷÷
è V3 ø
è V3 ø
h=
æV ö
nRTH ln çç 4 ÷÷
è V3 ø
h = 1-
40
TL
TH
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
2.5 Regenerador
El regenerador es el elemento del Motor Stirling que permite alcanzar mayores
rendimientos. Este es un intercambiador de calor interno que tiene la función de
absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El
regenerador consiste en un medio poroso con conductividad térmica despreciable
que contiene un fluido. El regenerador es el que divide al motor en dos zonas: una
zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría
durante los diversos ciclos de trabajo, reventando el regenerador. [E]
Algo medio "mágico" en todo este trabajo ha sido el papel del regenerador. Que un
elemento sea capaz de absorber o ceder calor no tiene nada de extraño. El
problema "raro" es como logra primero enfriar el fluido de TH (Temperatura
Caliente) a TL (Temperatura Fría) y luego usar este mismo calor almacenado para
calentar desde TL a TH. Esto tiene que ver con la posibilidad de lograr un
calentamiento reversible.
La explicación se basa en el hecho de que al interior del regenerador se establece
un gradiente de temperaturas. Así la zona en contacto con el lado caliente está a
TH y la zona en contacto con el lado frío estará a TL. Entre ambas existirá una
distribución de temperaturas. Cuando fluye fluido desde el lado caliente hacia el
lado frío, primero el fluido se encuentra en contacto con material poroso a
temperatura TH, por lo que nada pasa, luego (al seguir penetrando a través del
regenerador) se encuentra con material a TH - dt, por lo cual cede una cantidad de
calor dQ al regenerador y se enfría en dt. Así sigue penetrando hasta que el fluido
alcanza la temperatura TL.
Cuando esto ocurre no cede más calor y simplemente sigue atravesando el
regenerador.
A medida que sigue el proceso, el frente se desplaza hacia la zona de menor
temperatura. Cuando la parte fría del frente llega al borde frío, se dice que el
regenerador está cargado. Si al llegar a esta situación se invierte el proceso, es
41
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
decir, se toma fluido frío a TL y se hace pasar a través del regenerador desde el
lado frío hacia el lado caliente, ocurrirá lo siguiente: primero el fluido se encuentra
con material a TL, por lo que nada pasa, luego encuentra material del regenerador
a TL + dt, con lo cual gana dQ de calor calentándose en dt, y así sucesivamente
hasta que el fluido alcanza TH. Cuando esto ocurre ya no se calienta más. A
medida que sigue atravesando fluido el regenerador, el fluido se calienta de TL a
TH y el frente térmico al interior del regenerador se desplaza hacia la zona más
caliente. El regenerador está siendo descargado. Cuando el frente llega al borde
caliente el regenerador se encuentra descargado. [E]
Una vez que ocurre esto, se invierte el proceso y se vuelve a repetir.
Lo mismo que ocurre en un regenerador de un motor Stirling ocurre en un
almacenamiento de calor en lecho de rocas, en el caso de colectores solares de
aire. También algo análogo (aunque no exactamente igual) ocurre en un termo
eléctrico de agua.
2.6 Análisis termodinámico del ciclo Stirling con regenerador
En la fig. 2.8 se muestra un diagrama simplificado del motor. Su diagrama p-v
correspondiente se muestra en la fig. 2.9. Según Kongtragool [10], para una
regeneración ideal el calor total rechazado durante el proceso 4 – 1 es absorbido
por un regenerador perfecto y es liberado al fluido de trabajo durante el proceso 2
– 3, tomando en consideración que en la regeneración ideal es necesario ya sea,
un área de transferencia de calor infinita o bien un tiempo de regeneración infinito.
Para un regenerador imperfecto, la temperatura del fluido de trabajo a la salida y
entrada del regenerador serán T3’ y T1’, respectivamente. De igual forma para
incrementar T3’ hasta T3 y disminuir T1’ hasta T1 se requiere de una entrada y
salida de calor externas. Sin embargo, a pesar de que hay reportes que la
eficiencia del regenerador varia desde el 95, 98 – 99, y 99.09% [10], los
diseñadores de motores que no tienen al alcance la tecnología para desarrollar un
42
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
regenerador tan eficiente, deben tomar en cuenta la eficiencia del regenerador, y
de esta manera llevar a acabo un análisis con un regenerador imperfecto.
Figura 2.8 Diagrama esquemático del motor Stirling
a)
b)
Figura 2.9 a) Diagrama p – v, y b) diagrama T – S ideales del motor
Stirling con regeneración imperfecta
En general, el volumen muerto en un motor Stirling se refiere al volumen de fluido
de trabajo contenido en el espacio muerto total dentro del motor, incluyendo el
regenerador y el puerto de transferencia. Es lógico que un motor Stirling real deba
tener inevitablemente un volumen muerto. En el diseño cotidiano de un motor
43
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Stirling, el volumen muerto total es aproximadamente del 58% del volumen total
[10].
Es común encontrar investigaciones sobre motores Stirling en las cuales se
muestran análisis que toman en cuenta una regeneración ideal y un volumen
muerto de cero. La regeneración imperfecta en el motor Stirling, incluyendo los
volúmenes muertos, han recibido comparativamente poca atención en la literatura.
El motor Stirling, incluyendo los volúmenes muertos puede ser analizado por la
técnica de Schmidt. Sin embargo este supone una regeneración ideal. Para los
motores Stirling con grandes volúmenes muertos, el tener una temperatura
correcta en el fluido de trabajo es importante. En este caso, el regenerador implica
una gran cantidad de volumen muerto ya que a pesar de que el aire pasa a través
de este conducto realizando una función de absorber y ceder calor, no se realiza
en él ningún tipo de trabajo mecánico.
La temperatura efectiva del fluido de trabajo contenida en el espacio muerto del
regenerador puede calcularse separando el volumen muerto en dos, una mitad es
a T3’ y la otra es para T1’.
2.6.1 Volúmenes muertos
Suponiendo que los volúmenes muertos del espacio caliente, el regenerador y el
espacio frío son respectivamente VMC, VMR y VMF, entonces, el volumen muerto
total VM es,
(2.1)
Relacionando los volúmenes muertos parciales con respecto al volumen muerto
total, se tiene,
(2.2)
donde:
44
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Relacionando el volumen muerto total con el volumen total mediante kMT = VM/V1,
entonces el volumen muerto total puede expresarse en términos del volumen total
de forma tal que,
(2.3)
donde VD y VP son los volúmenes de barrido del desplazador y del pistón de
potencia respectivamente, en m3. Es más conveniente expresar el volumen muerto
en términos del volumen total de barrido,
)
(2.4)
donde:
Por lo tanto, la relación del volumen muerto total con el volumen total y la relación
del volumen muerto total con el volumen de barrido total quedan relacionados
mediante la sustitución de (2.3) en (2.4),
(2.5)
2.6.2 Regenerador imperfecto
Kongtragool [10], define la eficiencia ε de un regenerador imperfecto como,
(2.6)
El valor de ε es 1 para 100% de eficiencia o bien una regeneración ideal y 0 para
0% de eficiencia o sin regeneración. La temperatura del fluido de trabajo a la
45
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
salida del regenerador puede expresarse en términos de la eficiencia del
regenerador de la siguiente manera,
(2.7)
Para un regenerador que tiene una eficiencia igual para calentar que para enfriar,
Q2-3’ = Q4-1’, la temperatura del fluido de trabajo a la entrada del regenerador es,
(2.8)
La temperatura efectiva del fluido de trabajo contenida en el espacio muerto del
regenerador puede determinarse utilizando la media aritmética:
(2.9)
Y sustituyendo la ec. (2.7) y (2.8) en la (2.9) queda,
(2.10)
Pudiéndose apreciar que la temperatura efectiva del regenerador es independiente
de la eficiencia del mismo.
2.6.3 Ecuación de estado
Suponiendo que VC y CF son los volúmenes de los espacios caliente y frío
respectivamente, y que T3, TR y T1 son las temperaturas del fluido de trabajo en el
espacio caliente, regenerador y espacio frío respectivamente; la ecuación de
estado para el proceso de compresión isotérmica 1 – 2 con volúmenes muertos
VMC, VMR y VMF es [14],
(2.11)
donde,
46
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
(2.12)
y m es la masa total del fluido de trabajo contenida en el motor. Sustituyendo las
ecuaciones (2.2) y (2.10) en (2.12) tenemos que,
(2.13)
Es claro que, para la temperatura del fluido de trabajo del lado caliente y del lado
frío, en general, el factor K esta en función de los volúmenes muertos.
2.6.4 Proceso de compresión isotérmica
En el proceso de compresión, el fluido de trabajo del lado frío se comprime desde
VF1 = VD + VP hasta VF2 = VD. El volumen de barrido del fluido de trabajo del
espacio caliente, VC, es cero a lo largo de este proceso. Entonces el calor
rechazado durante el proceso de compresión isotérmica de 1 – 2 es:
(2.14)
Se puede observar que el trabajo en el proceso de compresión solo depende del
factor K, el cual es una función de los volúmenes muertos.
2.6.5 Proceso de calentamiento isocórico
En principio, el calor suministrado durante el proceso de calentamiento isocórico 2
– 3 es,
47
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
(2.15)
Donde CV es el calor especifico a volumen constante en J/kg K, y se supone sin
variación a lo largo del proceso. Sin regeneración, toda esta cantidad de calor se
suministra desde una fuente externa y para una regeneración ideal todo este calor
se libera del regenerador ideal.
El calor liberado de un regenerador imperfecto durante este proceso es,
(2.16)
Y de esta forma, el calor suministrado por la fuente externa durante el proceso es,
(2.17)
Encontrando con esto que el calor suministrado a este proceso solo depende de la
eficiencia del regenerador.
2.6.6 Proceso de expansión isotérmica
En el proceso de expansión, el volumen del fluido de trabajo del lado caliente
cambia desde VC3 = VD hasta VC4 = VD + VP. El volumen de barrido del espacio frío,
VF, es cero durante el proceso. El calor suministrado al ciclo durante el proceso de
expansión isotérmica 3 – 4 es,
(2.18)
48
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
De igual forma que en proceso de 1 – 2, el trabajo de expansión depende de los
volúmenes muertos.
2.6.7 Proceso de enfriamiento isocórico
El calor rechazado durante el proceso de enfriamiento isocórico (4 – 1) es,
(2.19)
Sin regeneración, esta cantidad de calor se rechaza hacia un sumidero externo y
en una regeneración ideal, el regenerador absorbe la cantidad total de calor. Para
un regenerador imperfecto, el calor absorbido por este es,
(2.20)
El calor rechazado hacia un sumidero externo durante el proceso 1’ – 1 es,
(2.21)
De igual forma se puede observar que la transferencia de calor en el proceso de
enfriamiento solo depende de la eficiencia del regenerador.
2.6.8 Calor suministrado y rechazado
Calor total suministrado
Para una regeneración imperfecta, el calor total suministrado por una fuente
externa al ciclo es [10],
(2.22)
49
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
(2.23)
Donde k es la relación de calores específicos. Por lo que el calor de entrada al
motor depende tanto de la eficiencia del regenerador como de los volúmenes
muertos.
Sin regeneración, la cantidad de calor total suministrada por una fuente externa
es,
(2.24)
Sin embargo, para una regeneración ideal, el calor total suministrado por una
fuente externa será,
(2.25)
Calor total rechazado
Para una regeneración imperfecta, el calor total rechazado hacia un sumidero
externo es,
(2.26)
(2.27)
El calor rechazado del motor depende de los volúmenes muertos y la eficiencia del
regenerador. Sin regeneración, el calor total rechazado al sumidero externo es,
(2.28)
Con una regeneración ideal, el calor rechazado al sumidero es de solo,
50
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
(2.29)
2.6.9 Trabajo y eficiencia
Trabajo neto
La energía excedente de los dos procesos isotérmicos 1-2 y 3-4 se convierte en
trabajo mecánico útil [10]. El trabajo neto para un motor con regeneración
imperfecta y volúmenes muertos se determina mediante la ecuación,
(2.30)
Recordando que VC4 = VF1 = VD + VP y VC3= VF2 = VD = V2, tenemos que,
(2.31)
En base a esto se encuentra que el trabajo neto del ciclo depende de los
volúmenes muertos. En caso de que los volúmenes muertos sean cero, el trabajo
neto del ciclo es,
(2.32)
Presión media efectiva
El trabajo neto del motor puede determinarse mediante la presión media efectiva
del ciclo, pm, y el cambio total del volumen, VC4 – VC3 = VF1 – VF2 = V1 – V2 = VP,
(2.33)
51
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Sustituyendo la ecuación (2.23) en la ecuación (2.21) se tiene,
(2.34)
Eficiencia térmica
La eficiencia térmica del motor Stirling puede determinarse a partir de,
(2.35)
(2.36)
En caso de que el volumen muerto sea igual a cero (VM = 0), K se hace cero y si
no hay regeneración (ε = 0), la eficiencia térmica es,
(2.37)
Para un regenerador ideal, ε = 1, lo cual es el mejor caso en la eficiencia del motor
Stirling, la eficiencia térmica es,
(2.38)
Esta es la eficiencia de Carnot para un motor operando a las temperaturas T3 y T1
para una fuente y un sumidero respectivamente.
En el siguiente capitulo se expondrán los diferentes tipos de motores Stirling que
existen de acuerdo a su configuración, así como sus características propias de
acuerdo a su diseño.
52
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
CAPITULO 3
TIPOS DE MOTORES STIRLING
53
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.1 Generalidades
Desde la invención del primer motor Stirling en el año de 1816, se han diseñado
diversos tipos y variantes del motor a lo largo del mundo. Algunos con mas éxito
que otros o mas complejos que otros, pero siempre siguiendo un modelo inicial o
derivación de este. De todos estos modelos se puede resumir que existen tres
principales arreglos que operan bajo el ciclo Stirling, los cuales establecen los
parámetros iníciales de diseño para su construcción. Estos tipos son: alfa, beta y
gama. [13]
3.2 Motor Stirling tipo alfa
Este motor fue diseñado por A. K. Rider, de Philadelphia, en 1876. El motor
Stirling tipo Alfa, se constituye de dos pistones ubicados en diferentes cámaras a
90̊, de las cuales en una se ubica la fuente de alta temperatura y en la otra el
sumidero de baja temperatura; además a este motor se le puede incorporar un
medio de regeneración entre la cámara fría y la caliente a fin de aprovechar el
calor suministrado. Este tipo de motor entrega una alta potencia debido a su
relación de compresión y por lo general ambas bielas se encuentran montadas en
el mismo pasador de cigüeñal, lo que hace que el mecanismo de transmisión de
potencia sea muy sencillo. Pero en muchas ocasiones se tienen problemas
técnicos en la zona caliente, ya que algunos materiales no soportan las altas
temperaturas y el trabajo continuo con estas los degradan y terminan fallando, lo
que hace también que se presenten dificultades a la hora de mantener el gas
dentro del ciclo ya que es muy difícil sellar las partes móviles de esta zona.
Figura 3.1 Esquema del motor tipo alfa. [L]
54
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.2.1 Motor Stirling tipo alfa para generación eléctrica solar
Motor Stirling tipo alfa para generación eléctrica solar, fabricado por una empresa
sueca (SOLO Kleinmotoren GmbH). Suministran de 5 a 9 KW. El motor es 90º Vtype con volumen de 160 cm3 y usa helio. Con una presión promedio de 150
bares y una temperatura de 650 ºC del gas alcanza un rendimiento eléctrico de 10
KW a 1500 r.p.m. Las ventajas que tiene son que combina la robustez del motor
con una tecnología desarrollada y avanzada. [M]
Figura 3.2 Motor Stirling Alfa V-161. [M]
Otras compañías que desarrollan sistemas de microcogeneración basados en
motores Stirling son: MicroGen (UK), SunMachine (Alemania), EnAtEC microcogen B.V. (Holanda), Stirling Systems (Rep. Checa), etc. De todos modos, los
productos de estas compañías siguen en su fase de I+D. Solo y SunMachine
también
se
encuentran
experimentando
concentradores solares.
55
con
quemadores
de
serrín
y
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.2.2 Fases de funcionamiento
Expansión: En este punto, la mayor
parte de los gases en el sistema se
encuentra en el cilindro de pistón
caliente. El gas se calienta y se
expande, empujando el pistón
caliente hacia abajo, y fluye a través
de la tubería en el cilindro frío,
empujando hacia abajo también.
Transferencia: En este punto, el gas
se ha expandido. La mayor parte del
gas se encuentra todavía en el
cilindro caliente. Como el cigüeñal
sigue girando los próximos 90 °, la
transferencia de la mayor parte del
gas en el cilindro de pistón frío. Como
lo hace, empuja la mayoría de los
líquidos a través del intercambiador
de calor y en el cilindro de pistón frío.
Contracción: Ahora la mayoría de
los gases de expansión se desplaza
hacia el cilindro de pistón frío. Se
enfría y se contrae, el dibujo hasta los
dos émbolos.
Transferencia: El líquido se enfría y
ahora el cigüeñal gira otros 90 °. El
gas se bombea de nuevo por lo tanto,
a través del intercambiador de calor,
en el cilindro de pistón caliente. Una
vez en este, se calienta y se vuelve al
primer paso.
56
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.3 Motor Stirling tipo beta
Este tipo de motor fue originalmente diseñado por Robert Stirling. El tipo Beta
incorpora en su diseño específicamente un desplazador del fluido de trabajo
además del pistón de potencia. En este diseño se puede apreciar que los dos
pistones se encuentran en la misma línea de acción, en el cual el pistón
desplazador se ubica cerca de la fuente de alta temperatura y el de trabajo cerca
del sumidero de baja temperatura. Como los pistones se ubican en la misma línea
de acción, solo se requiere de una cámara para contenerlos, haciéndolo más
compacto; por esta misma razón se pueden alcanzar grandes relaciones de
compresión ya que en este caso el sellado es más fácil debido a que las barras de
conexión salen de la carcaza del motor por un mismo punto. El principal problema
que presenta este motor es la complejidad de mecanismos ya que el eje que
transmite la fuerza al desplazador entra al sistema a través del pistón de potencia.
FIGURA 3.3 Esquema del motor Stirling tipo beta. [L]
3.3.1 Fases de funcionamiento
57
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Expansión: En este punto, la mayor
parte del gas en el sistema se
encuentra en el extremo caliente del
cilindro. El gas se calienta y se
expande el poder de conducir el
pistón hacia afuera.
Transferencia: En este punto, el gas
se ha expandido. La mayor parte del
gas se encuentra hoy en el extremo
caliente del cilindro. Impulso del
volante lleva el cigüeñal a su vez el
próximo trimestre. Como el cigüeñal
da la vuelta, la mayor parte del gas se
transfiere todo el desplazador el
extremo
frío
del
cilindro,
la
conducción más fluida en el extremo
del cilindro enfriado.
Contracción: Ahora la mayoría de
los gases de expansión se ha
desplazado hacia el extremo frío. Se
contrae y el desplazador es casi al
final de su ciclo.
Transferencia: El gas contratado
todavía se encuentra cerca del
extremo frío del cilindro. Impulso del
volante lleva la manivela otro cuarto
de vuelta, moviendo el desplazador y
la transferencia de la mayor parte del
gas de nuevo a la parte caliente del
cilindro. Y en este punto, el ciclo se
repite.
3.3.1 Motor Stirling tipo beta para sistemas de refrigeración criogénicos
Motor Stirling tipo beta para sistemas de refrigeración criogénicos inventado por
William de Beale, fabricado por la empresa norteamericana (SunPower, Ohio,
USA).
Si se aplica la energía mecánica en lugar de fuentes de frío y calor por medio de
motor externo, es posible llegar a temperaturas de unos 10 K (-263 ° C) en
máquinas de alta tecnología.
58
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Hoy en día, SunPower vende el CryoTel
®
familia de Sistemas de refrigeración
criogénicos, ahora disponible en tres modelos (CryoTel
®
GT, MT y CT) estándar
con una variedad de configuraciones a un precio bajo para las diversas áreas de
aplicaciones. [D]
Figura 3.4 CryoTel™ GT. [D]
Tabla de características de operación de motores Stirling para sistemas de
refrigeración criogénicos.
59
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.4 Motor Stirling tipo gama
Por último, en el tipo Gama se incorporan ideas de los dos anteriores, como son
las cámaras separadas para ambos pistones, y el definir perfectamente cual pistón
es el desplazador y cual es de potencia. En este caso, en la cámara designada al
pistón desplazador se ubica la fuente de alta temperatura en un extremo y el
sumidero en otro (por lo general la primera mas alejada del pistón de potencia que
el otro). Por esta característica es posible diferenciar de mejor manera los
espacios y condiciones a la que trabaja cada área, y en el estudio de estos
motores esta característica toma un papel importante. Este arreglo es
mecánicamente más simple que los anteriores y es comúnmente utilizado en
sistemas multicilindros, aunque tiene el inconveniente de ofrecer una menor
relación de compresión que los anteriores. [13]
FIGURA 3.5 Esquema del motor tipo gama. [L]
De estos tres diseños principales se derivan muchas variantes con diferentes
ideas y propuestas, aunque existen algunos modelos con variaciones más
drásticas o totalmente innovadores. Es el caso, por ejemplo, del generador
termomecánico del sistema tipo FLUIDYNE y los generadores diferenciales de
baja temperatura; los cuales generalmente son diseñados para energía solar.
60
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.5 Principales variantes del motor Stirling
3.5.1 Motor Ringbom
En 1905 Ossian Ringbom inventó un motor derivado del de tipo gamma, con una
simplicidad mayor, pues el pistón desplazador no está conectado con el de
potencia, sino que oscila libre movido por la diferencia de presiones y la gravedad.
Posteriormente se fueron descubriendo pequeñas modificaciones en el motor
Ringbom original, que posibilitaba un motor muy simple y tan rápido como
cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma).
FIGURA 3.6 Esquema del motor Ringbom. [L]
Se trata de un motor tipo gamma en el que el vástago del desplazador tiene un
diámetro mayor que en el motor con doble cigüeñal. Este vástago no tiene ninguna
conexión mecánica con el cigüeñal y permite al desplazador moverse libremente,
estando este movimiento únicamente limitado por dos juntas redondas de material
elástico que amortiguan su choque al alcanzar el punto muerto inferior y el punto
muerto superior respectivamente. [L]
La base del funcionamiento de este tipo de motor está en la relación entre el
diámetro del vástago del desplazador (Ar) y el diámetro del desplazador (Ad). Si la
relación Ar/Ad es elevada, entre 0,5 y 0,6 el motor girará muy rápido pero
necesitará mayor diferencia de temperatura entre el foco frío y el caliente (Delta
T).
61
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Si la relación Ar/Ad es baja, entre 0,2 y 0,3 la velocidad de giro del motor será mas
lenta pero no necesitará un variación de temperatura elevada.
Para variaciones de temperatura del orden de 300 grados centígrados, típicos de
un motor con refrigeración por aire y calentado por un mechero de alcohol, la
relación adecuada Ar/Ad suele ser del orden de 0,4.
Fases del funcionamiento
Figura 3.7 Funcionamiento motor Ringbom
En la fase (A), el desplazador está en su posición más baja y el pistón en la mitad
de su recorrido ascendente.
Si el pistón sigue subiendo, la presión interior del motor se incrementará y llegará
un momento en el que la presión interior aplicada a la superficie Ar del
desplazador ejercerá una fuerza tal que compensará el peso del desplazador y la
fuerza ejercida por la presión atmosférica sobre la superficie Ar. A partir de ese
momento (B), el desplazador iniciará su movimiento hacia arriba hasta su posición
mas alta.
Al hacerlo todo el aire que se encontraba en la zona fría, pasará a la zona caliente
y por lo tanto la presión interior aumentará considerablemente, con lo cual el
pistón podrá realizar su carrera descendente de trabajo, fase (C).
Cuando la presión interior haya descendido lo suficiente, la presión atmosférica
actuando sobre Ar y el peso del desplazador lo harán bajar hasta su posición
62
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
inferior, por lo que todo el aire pasará a la zona fría disminuyendo su temperatura
y presión. A partir de ese momento (D) el ciclo podrá volver a comenzar.
Si la relación Ar/Ad es la adecuada y el peso del desplazador es pequeño, su
influencia en el funcionamiento del motor será despreciable por lo que este podrá
hacerlo en cualquier posición.
3.5.2 Motor de pistón líquido
En este tipo de motor se sustituye el pistón y el desplazador por un líquido. Está
formado por dos tubos rellenos de un líquido; uno de los tubos actúa de
desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en
algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador.
Figura 3.8 Esquema del motor de pistón liquido [L]
3.5.3 Motor Stirling termoacústico
Probablemente es la evolución última de este motor en el que se simplifica al
máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador y por lo tanto
carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor original,
Funciona gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí
el nombre de “acústico”, merced al calor suministrado en el foco caliente. [L]
63
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
3.5.4 Motor Stirling rómbico
El motor Stirling rómbico es esencialmente una maquina tipo beta. Estos tipos de
motores permiten mayores compresiones, lo que redunda en menores espacios
muertos dentro de la maquina y por lo tanto una mayor potencia de salida. Esto
permite construir motores más pequeños en comparación a otras configuraciones,
pero utiliza mecanismos de movimiento mas complejos que aumentan la fricción
disminuyen el desempeño de este. [6]
Figura 3.9 Ejemplo de motor Stirling Rómbico. [A]
Con la introducción del mecanismo rómbico, la Philips cambio el aire como fluido
de trabajo, por el helio y el hidrogeno. Estos gases proporcionan mas energía y
una mejor eficiencia, reduciendo perdidas de flujo y mejorando la transferencia de
calor, aunque al usar estos gases tenían el problema de sellado. [6]
3.5.5 Motor Stirling de pistón- libre (Beale)
Una forma innovadora de llevar a cabo el ciclo de Stirling se emplea en el motor
de pistón libre. En esta configuración, el pistón de potencia no está conectado
mecánicamente a un eje de salida. Rebota alternativamente entre el espacio que
contiene el gas de trabajo y una fuente (por lo general un resorte de gas). En
muchos diseños, el desplazador es también libre de rebote en resortes de gas o
muelles mecánicos (Figura 3.10). Esta configuración se llama el Motor Stirling de
pistón- libre (Beale) después de su inventor, William Beale. Carrera del pistón, la
64
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
frecuencia y la sincronización entre los dos pistones se establezcan por la
dinámica del sistema de resorte / masa, junto con las variaciones en la presión del
ciclo. Para extraer el poder, un imán puede ser unido al pistón de potencia y
energía eléctrica generada, ya que mueve más allá de las bobinas fijas. Estos
Stirling motor / alternador unidades se llaman Stirling de pistón libre convertidores.
Otros esquemas para la extracción de energía de los motores de pistones libres,
tales como manejar una bomba hidráulica, también se han considerado. [N]
Figura 3.10 Componentes básicos de un motor Stirling de pistón-libre (Beale) que
incorpora un receptor de calor de sodio tubería para calefacción con energía solar
concentrada. [E]
Motores Stirling de Pistón libre tienen sólo dos partes móviles, y por lo tanto las
posibles ventajas de la simplicidad, bajo costo y confiabilidad ultra. Dado que la
electricidad se genera internamente, no hay sellos dinámica entre la región de
alta presión del motor y del ambiente, y no se requiere lubricación. Con este
diseño, una larga vida útil con un mantenimiento mínimo. Un gran número de
compañías están desarrollando motores Stirling de libre pistón incluyendo
Sunpower, Inc. (Figura 3.11), Y Stirling Tecnología Comempresa. [N]
65
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Figura 3.11 El bronceado de 9 Kwe de pistón libre de beta-configuración motor Stirling. [E]
En la siguiente tabla se muestra una comparación cualitativa de los diferentes
tipos de motores Stirling.
TABLA 1. Comparación de los diferentes tipos de motor striling.
En el siguiente capitulo se explica de manera detallada el estado actual de los
motores Stirling, así como algunos proyectos que se tienen para el futuro de estos
motores y los principales Stirling comerciales en la actualidad.
66
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
CAPITULO 4
PERSPECTIVAS DE APLICACIÓN
67
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
4.1 Generalidades
Las aplicaciones de los motores Stirling son numerosas debido a su elevado
rendimiento, a que es una fuente de energía limpia, a la simplicidad de su diseño y
a que puede ser usado con fuentes de energía caloríficas como Químicas,
Geotérmicas, Solares, nucleares, etc. Con esto se puede convertir el calor en
energía Mecánica, y por ende, también en Energía Eléctrica. Gracias a esto se
pueden explorar en diferentes fuentes de energía. A continuación se describen
algunas.
4.2 Coches híbridos
En el sector del automóvil, se han efectuado muchas investigaciones y se ha
invertido mucho dinero. Sin embargo, los resultados obtenidos no son los
esperados. Una de las mayores dificultades para utilizar motores Stirling en
vehículos es que son muy lentos y que no reaccionan inmediatamente (cuando
enciendes el coche, éste no arranca hasta pasados unos segundos). La solución
puede pasar por construir coches híbridos que utilicen un motor Stirling, no
acoplado directamente a las ruedas, sino acoplados a un generador eléctrico que
a su vez cargue las baterías del coche.
Los vehículos híbridos son señalados por muchas voces hoy en día como los
medios de transporte que ocuparemos a mediano plazo en especial en las
grandes ciudades. Esto principalmente debido a las bajas emisiones de
contaminantes y a la elevada economía de combustible que se obtiene con esta
tecnología. Los HEV (hybrid electric vehicle) son autos provistos de un motor de
combustión y otro eléctrico, y se pueden clasificar en dos categorías: en serie y en
paralelo. [S]
HEV en serie: El motor de combustión es ocupado como un generador de
electricidad para mover el motor eléctrico, que es el que finalmente provee la
potencia para propulsar el vehículo. Este sistema se utiliza intercalando una
batería entre los dos motores, de manera de ocupar el motor de combustión en
68
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
recargarla cuando sea necesario, existiendo también la posibilidad de hacer esto
último enchufándola a alguna fuente (como la casa del propietario del vehículo).
Figura 4.1 HEV en serie. La energía proveniente del combustible mueve el motor de
explosión. Este entrega energía para almacenarla en la batería. Desde ésta, la energía
viaja a un motor eléctrico encargado de mover las ruedas [S]
HEV en paralelo: Tanto el motor de combustión como el eléctrico proveen la
potencia para la propulsión del vehículo. Así, si el vehículo se encuentra en
ciudad, puede funcionar accionado solamente por el motor eléctrico (sin emitir
contaminantes), y utilizar como apoyo el motor de combustión cuando se requiera
una potencia elevada, como al realizar un adelantamiento o hacer un viaje
cargado.
Figura 4.2 HEV en paralelo. La energía del combustible mueve el motor de combustión.
La potencia para mover las ruedas viene de dos fuentes: el motor de combustión a través
de la transmisión y/o el motor eléctrico (con su dispositivo para almacenar energía) [S]
69
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
4.3 Aplicaciones energéticas
El verdadero futuro de aplicación del Motor Stirling está en aprovechar su
característica más notable: su rendimiento. Por ello este tipo de máquina térmica
es un magnífico conversor de unos tipos de energía en otros, en particular resulta
muy eficiente para transformar la energía radiante solar en energía eléctrica
usando un alternador o dinamo como elemento intermedio. Si se dispone de una
superficie que colecte los rayos solares en forma de espejo orientable, será muy
fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y éste se pondrá a
funcionar. Al no haber combustión no existe índice de contaminación (gran ventaja
contra otros motores). Sin ir más lejos, en la Plataforma Solar de Almería, se han
construido equipos experimentales y demostrativos de gran rendimiento,
conocidos como Distal y EuroDISH, formados por grandes discos parabólicos que
reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling. [7]
Figura 4.3 Típico sistema Disco Stirling [C]
Estos sistemas Disco-Stirling presentan una alta eficiencia en la conversión de la
radiación solar en energía eléctrica, alcanzando entre el 25 al 30% en condiciones
nominales de operación.
4.3.1 Descripción del sistema Disco- Stirling
Los sistemas de Disco-Stirling son pequeños equipos de generación de energía
que convierten la energía térmica de la radiación solar en energía mecánica y
luego en energía eléctrica.
Los mismos utilizan un conjunto de espejos para reflejar y concentrar la radiación
proveniente de los rayos del sol en un receptor, con el fin de alcanzar las
70
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
temperaturas necesarias para convertir eficientemente el calor en trabajo dentro
del ciclo del motor Stirling.
La radiación solar concentrada es absorbida por el receptor y transferida al
absorbedor del motor. Esto exige que el plato siga la trayectoria del sol en dos
ejes, dado que la radiación que utilizamos solamente es la directa, descartándose
en el cálculo la componente difusa de la irradiación.
Los sistemas disco motor se caracterizan por una gran eficacia, modularidad,
funcionamiento autónomo, y una inherente capacidad híbrida (la capacidad para
operar con energía solar o con combustible fósil (gases), o ambas cosas).
De todas las tecnologías solares, los sistemas Disco Stirling han demostrado el
más alto coeficiente de conversión en determinadas condiciones de energía solar
a eléctrica (29,4%), y por tanto, el potencial para convertirse en una de las menos
costosas fuentes de energía renovables.
La modularidad y el tamaño de generación del sistema le permiten operar de
manera individual para aplicaciones remotas, o agruparse en pequeños grupos y
conectarse a la red (pequeños poblados o granjas).
Figura 4.4 Disco Stirling, sistema esquemático. [C]
Una de las ventajas de los sistemas Disco Stirling es que pueden funcionar
también con un combustible fósil para proporcionar energía las 24 horas,
71
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
conectando por ejemplo un quemador de gas al receptor, en algunos casos
también es factible el consumo híbrido del sistema.
Actualmente ésta tecnología se encuentra en la etapa de desarrollo y los desafíos
son la determinación de los componentes más idóneos para trabajar con energía
solar y la obtención de un motor Stirling comercial capaz de funcionar con las
variaciones de la energía del sol.
Un ejemplo claro sobre el interés mundial de este tema se esta llevando acabo en
desierto Mojave donde se esta haciendo la construcción de la mayor planta solar
del mundo, con discos parabólicos de 11m de diámetro, que usan el motor Stirling,
con producción de 500 MW, que se venderán a Southern California Edison. “La
planta estará terminada en 2009. El rendimiento es del 29%, superior al de las
plantas fotovoltaicas” [5]
4.3.2 Cogeneración
Otra de las aplicaciones del motor de ciclo Stirling es la cogeneración, la
producción simultánea de energía eléctrica y térmica. El motor mueve un
generador para producir electricidad y entrega simultáneamente agua de
refrigeración que, a una temperatura de unos 60 grados centígrados, puede ser
aprovechada como energía térmica.
Figura 4.5 Esquema del funcionamiento de un motor Stirling para cogeneración a
pequeña escala y microcogeneración.
Los
motores
Stirling
prometen
ventajas
con
un
particular
enfoque
microcogeneración a pequeña escala, planteando unidades de menos de 1 kW.
72
en
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Figura 4.6 Compacto equipo de microcogeneración 4 cilindros alfa-Stirling. (1,2Kw el/ 4,8
Kw term). [O]
La compañía WhisperTech, afincada en Nueva Zelanda está desarrollando un
motor llamado WhisperGen, con una capacidad de hasta 1,2 kWel. y 8 kWterm. En
las centrales eléctricas de WhisperGen, hay cuatro pistones colocados en
configuración axial. Como los motores Stirling requieren unos componentes de
una producción muy precisa, el paso de ampliar de pequeña escala a la
producción en serie representa un claro reto. La empresa británica Powergen,
parte de la alemana E.ON, ha ordenado 80,000 centrales eléctricas WhisperGen
en 2005. [O]
4.4 Aplicaciones aeronáuticas
Se estudia la posibilidad de incorporar motores Stirling aplicados al mundo de la
aviación, al menos en teoría sus ventajas serían las siguientes:
Figura 4.7 Prototipo de motor Stirling para aviones [I]
73
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
1.-Es un motor silencioso, lo cual permite un viaje más cómodo para los viajeros y
menos contaminación acústica para los alrededores.
2.-Emite muchas menos vibraciones puesto que no hay explosión en los cilindros.
Esto evita la fatiga del fuselaje y los materiales de aislador. También debido a esto
el combustible del motor pudría ser mucho menos inflamable y peligroso en caso
de accidente.
3.-Ya hay estudios que demuestran que a mayor altitud mejora su potencia. A
mayor altura la densidad del aire es menor, por eso los motores convencionales
pierden potencia por culpa de que no cogen aire suficiente para realizar la
combustión, pero los motores Stirling no tienen ese problema. A esto hay que
sumar el hecho que alturas mayores, menor es la temperatura del aire y, por lo
tanto, la diferencia de temperatura entre focos del motor se incrementaría,
aumentando así su rendimiento y potencia.
4.5 Aplicaciones en submarinos
El motor Stirling es la base de la propulsión de algunos motores de submarinos,
pues permite recargar las baterías a altas profundidades, al contrario que el motor
diesel, que exige subir a altura de periscopio para realizar esta operación.
Figura 4.8 Submarino Näcken Stirling con sistema AIP. [B]
Esta tecnología de alta se llama independiente del aire de propulsión (AIP). Hay
cuatro equipos submarinos con AIP Stirling. Los modelos son HMS Nacken, Que
fue lanzado en 1978 y después de diez años 1988 se convirtió en el primer
submarino equipado con el sistema AIP, por medio de un (corte y alargada en la
intersección de una sección AIP Stirling, que antes de la instalación está equipada
74
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
con dos unidades de Stirling, el oxígeno líquido LOX) los tanques y otros equipos
eléctricos. [B]
El sistema Stirling AIP aumenta considerablemente el tiempo de inmersión del
submarino en el mar. En vez de algunos días de inmersión, un submarino con este
sistema, puede estar sumergido semanas y superar así a cualquier otro submarino
convencional con respecto a esta característica.
La demostración exitosa de un sistema AIP durante patrullajes de rutina en
muchos de HMS Nacken hecho que Gotland, otro tipo de submarino, fue el primer
submarino diseñado desde el principio para operar con el sistema AIP.
Los motores de ciclo Stirling son utilizados únicamente por la Marina sueca en los
submarinos tipo Gotland. Son pequeñas unidades tipo V4R-275, con una potencia
unitaria de 75 kW, a todas luces insuficiente para un buque del tipo S-80, pero
perfectamente factibles para pequeñas unidades de sólo 1,500 toneladas en
inmersión y con zonas operativas muy restringidas. Por otra parte, el volumen de
almacenamiento de oxígeno para generar 1 Kw de potencia es muy elevado (del
orden de 1,85 litros), y a esto debemos añadir el hecho de que a bordo del buque,
además de los tanques de oxígeno, deben llevarse otros gases, como nitrógeno y
helio. Presentan la ventaja de que el oxígeno necesario para el funcionamiento de
estos motores no es preciso que tenga una pureza extraordinaria, por lo que no es
precisa una infraestructura portuaria especial para el reavituallamiento de este
elemento. [P]
Figura 4.9 El principio del sistema Stirling AIP en submarinos. [P]
75
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
Los otros cuatro submarinos que operan con esta tecnología son dos clases
Söderman fueron actualizados en 2004.
Si el Stirling fue diseñado para funcionar a temperatura
ambiente la presión (y tenía un sistema de válvulas para
asegurar de este tipo), entonces podría ser encerrado en
una pequeña burbuja de gas que de a poco ser aplastado
por la presión de los océanos y aumentar el volumen de
trabajo interno de gas a un nivel que no podría ser
fácilmente alcanzado a nivel del mar. Con tal presión
interna enorme potencia de salida sería enorme.
Figura 4.10 Motor Stirling en Nacken. [P]
4.6 Motores Stirling en el espacio
La NASA quiere construir una base en la Luna que dure, sea estable y capaz de
mantenerse por sí misma. Para ello lo más indicado sería utilizar energía nuclear
ya que esta es ligera y compacta, pero es imposible construir un reactor nuclear
en la Luna. En el Centro Espacial Marshalld de la NASA los científicos e
ingenieros han estado trabajando en cómo encontrar una fuente de energía fiable
y que se pueda utilizar en nuestro satélite. Dado que en este centro hay una
instalación que permite investigar el calor que se produce desde un reactor
nuclear a un generador eléctrico, los científicos han experimentado el uso de un
motor Stirling que permite que la energía calorífica se transforme en trabajo
mecánico. Lo que los científicos quieren con esto es que este motor Stirling
acompañado de un reactor nuclear reducido que se basa en la fisión, produzcan
unos 40 kilovatios de energía suficiente para alimentar a la base lunar. La idea de
la NASA se hará realidad a principios del año 2012.
Las turbinas de vapor de una planta nuclear pueden ser reemplazadas por un
motor Stirling, reduciendo así los subproductos radiactivos y ser más eficientes.
Utilizar las máquinas de vapor de sodio líquido como refrigerante en los reactores
76
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
de agua /sodio intercambiador se requiere, que en algunos casos el aumento de la
temperatura del refrigerante podría hacer reaccionar violentamente con el agua.
La NASA ha desarrollado un motor Stirling se conoce como Stirling radioisótopos
(SRG) Generador diseñado para generar electricidad en el espacio profundo
demuestra en las misiones de duración. La fuente de calor es un lingote sólido
seco de combustible nuclear y la fuente fría es el espacio mismo. Este convertidor
dispositivo produce cuatro veces más energía eléctrica a partir del combustible de
plutonio de un generador termoeléctrico radioisotópico. [Q]
Estos generadores han sido ampliamente probados, pero que aún no han sido
desplegados en misiones reales. Así, cada SRG utiliza dos unidades de
convertidor de Stirling, con unos 500 vatios de potencia térmica suministrada por
dos GPHS (Fuente Caliente General Purpose) unidades y se entregarán 100 a
120 vatios de energía eléctrica. Cada GPHS contiene cuatro vestidos de iridio-Pu238 pastillas de combustible, se encuentra 5 cm de alto, 10 cm cuadrados y pesa
1,44 kg. El extremo caliente del convertidor de Stirling llega a 650 ° C. [Q]
Figura 4.11 Diseño conceptual de la SRG por Lockheed. [Q]
La salida de potencia del generador será mayor de 100 W en el comienzo de la
vida, pero el desgaste de plutonio disminuir la fuente de calor. Sin embargo el
sistema de control permite una larga vida útil.
De la misma manera las agencias espaciales trabajan en la aplicación del motor
Stirling en satélites que solucionen sus problemas energéticos en órbita
77
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
incluyéndolos como elemento intermedio de transformación de la energía entre un
reactor de fisión nuclear y el alternador eléctrico.
4.7 Ciclo inverso
El ciclo de refrigeración Stirling es el inverso del motor de aire caliente: mientras
que en el motor, una diferencia de temperatura entre dos focos se traduce en
movimiento, en el refrigerador ocurre precisamente lo contrario: mediante trabajo
mecánico aplicado al dispositivo Stirling se logra conseguir una diferencia de
temperaturas entre dos focos.
Las aplicaciones en este campo son numerosas:
· Medio para enfriar equipos electrónicos e imanes superconductores en
investigación.
· Secado de materiales por congelación.
· Medio enfriador para licuar helio, hidrógeno y nitrógeno.
· Aparatos de refrigeración varios (containers para trasladar productos
congelados).
El movimiento del motor Stirling se puede trasladar a cualquier elemento, en este
caso, puede ser a un ventilador que refrigere el procesador de una computadora.
Esto todavía es un prototipo presentado en el CeBIT, es un buen comienzo para el
desarrollo de soluciones sostenibles en la parte dedicada al hardware dentro de la
dilatada materia de la informática, ya que actualmente sólo se está investigando
en la reducción del consumo de los componentes. [T]
Figura 4.12 Motor Stirling refrigerante de sensores y dispositivos electrónicos. [T]
78
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
El primer ciclo de Stirling cryocooler se desarrolló en Philips en los años 1950 y
comercializado en lugares como líquido plantas de producción de nitrógeno. Esta
empresa aún está activa en el desarrollo y fabricación de Sistemas de
refrigeración criogénicos Stirling y sistemas criogénicos de refrigeración.
Y por último pero no menos importante, el motor Stirling es consistente con los
requerimientos del desarrollo sostenible. Es la forma principal de desarrollo en el
futuro, así que el motor Stirling no sólo satisfacer las necesidades económicas en
el momento presente, sino también en el futuro.
4.8 Algunas ventajas y desventajas de los motores Stirling
El motor Stirling no requiere de la generación de energía térmica en su interior,
solo necesita que se le agregue calor en uno de sus extremos y que en el otro se
extraiga. Ese calor puede provenir de cualquier fuente, ya sea energía solar,
nuclear o la de los combustibles por ejemplo gasolina o alcohol y el Stirling lo
aprovecha mejor que un motor de otro tipo. Su rendimiento es mayor que el de los
motores Otto, Diesel y turborreactores; de toda la energía térmica que se le
suministra para su funcionamiento, un porcentaje importante se devuelve como
energía mecánica.
Mientras un motor Otto posee un rendimiento de entre 25% y 30%, el del motor
Stirling llega a ser hasta del 50%. Además es silencioso.
En un motor Stirling el regenerador tiene como misión ocasionar el salto térmico
del fluido del trabajo alternativamente entre Tmax y Tmin, sin aportación externa
de calor.
Debe tenerse en cuenta que un motor Stirling presenta grandes ventajas, como las
siguientes:
Por ser de combustión externa permite entre otras cosas:
a) Un magnifico control de la combustión, que ocurre a presión casi atmosférica y
que, por ello, no genera óxidos nitrosos ni otros compuestos altamente tóxicos.
79
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
b) Utiliza prácticamente cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, mediante
la instalación del quemador adecuado.
c) Puede cambiar de combustible con solo sustituir dicho quemador.
d) Es posible diseñarlo para que emplee energía calorífica solar, atmosférica,
nuclear o de cualquier índole.
e) Mantiene su interior sellado (ya que no tiene válvulas de admisión o de escape)
y, por lo tanto, limpio, lubricado y con mínimo desgaste de sus partes.
f) Son extremadamente flexibles pudiéndose utilizar para cogeneración en invierno
y como refrigeración en verano.
Por no-ser un motor de explosión:
a) Funciona prácticamente sin hacer ruido.
b) Su entrega de energía no es a “empujes” bruscos, y requiere poco volante.
c) Sus partes no sufren impactos y duran más.
d) No tiene válvulas, electroimán, inyector ni distribuidor, lo que disminuye el
número de partes móviles.
e) Una máquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo
las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por lo tanto se reducen
los riesgos de explosión
Defectos sobresalientes del motor Stirling
La fabricación de un motor Stirling requiere de mucha más precisión, pero se
desgasta menos que otro tipo de motor.
Difícil
control
de
la
velocidad.
Un
motor
Stirling
no
puede
arrancar
instantáneamente, tiene que primero “calentarse”. Esto es cierto para todos los
motores de combustión externa, pero menor que otros como la máquina de vapor.
Su mejor uso es en motores que requieran una velocidad constante.
80
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se
mantiene a la temperatura mas baja posible para aumentar la eficiencia térmica.
Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños
compactos. Esto junto con los costos de los materiales, ha sido uno de los
principales factores limitantes a la hora de su uso en los automóviles, pero existen
otros usos donde la relación peso potencia no es tan critico como propulsión
naval, cogeneración, etc.
El Hidrógeno por su baja viscosidad, alto calor específico y conductividad térmica
es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de
fluidos. Sin embargo presenta problemas de confinamiento y difusión a través de
los metales. Por ello se usa generalmente Helio con propiedades muy semejantes,
que además es inerte, y no inflamable como el Hidrogeno. El aire comprimido
presenta riesgo de explosión por la presencia de Oxígeno, por lo que la alternativa
es eliminarlo por combustión o utilizar Nitrógeno.
Cabe preguntarse por qué entonces el uso del motor Stirling no se ha extendido
mas, si su eficiencia es alta, no produce gases de escape y puede funcionar con
fuentes de energía no contaminantes. Los impedimentos que existen para la
sustitución de los motores actuales (Diesel y Otto) son diversos, entre los que
destaca el hecho de que estos se producen a gran escala, lo que abarata la
producción. Un cambio en la industria para producir otro tipo de motor representa
una gran inversión y por lo tanto un elevado precio del mismo; por lo menos al
inicio.
Por otra parte, los motores eléctricos se han visto como una buena alternativa
para sustituir a los de combustión interna. Una de sus ventajas es que pueden
producir cualquier potencia con un alto rendimiento (más de 90%), además es
posible utilizarlos en los automóviles y para muchas aplicaciones industriales.
Otro aspecto a considerar es el de las fuentes de energía. La sustitución de los
combustibles fósiles por fuentes no contaminantes es obstaculizada tanto por los
intereses económicos de las empresas y países que los producen y distribuyen,
81
“Estado actual de la tecnología de motores Stirling”
como por el hecho de que los avances tecnológicos en materia de energías
alternativas, como la solar, aun son insuficientes para utilizarlas ampliamente. No
obstante, va cobrando fuerza la idea de desarrollar motores como el Stirling, que
pueden funcionar tanto con combustibles fósiles como con fuentes de energía no
contaminantes, de manera que poco a poco los primeros sean sustituidos por esas
fuentes. Los beneficios ambientales de este cambio serian enormes.
Así, los retos en lo que se refiere a la energía son lograr un mejor
aprovechamiento de las fuentes no contaminantes y al mismo tiempo producir
motores mas eficientes. El invento de Robert Stirling podría ser la clave y
convertirse en lo que él imagino: el motor del futuro.
82
CONCLUSIONES
Los actuales sistemas de producción de energía eléctrica presentan problemas a
nivel económico, político y medioambiental. Estos problemas, lejos de disminuir,
se acentúan cada año, por lo que se hace necesario encontrar nuevas formas de
producción de energía. Estas nuevas formas de producción de energía eléctrica
deben ser lo suficientemente efectivas como para sustituir a los sistemas basados
en la quema de combustibles fósiles, además de ser respetuosas con el medio
ambiente; son las denominadas energías renovables.
El motor Stirling como se vio en la presente monografía cumple con las
características de aplicación respetuosa con el medio ambiente dado que en la
actualidad es la tecnología de uso preponderante en sistemas de concentración
solar.
Por lo que se puede concluir que después de haber desarrollado la investigación y
recopilación bibliográfica se puede concluir que el presente trabajo cumple con el
objetivo planteado al inicio de convertirse en una fuente actualizada del estado del
arte de los motores Stirling, la cual podrá servir de inicio a futuras investigaciones
al respecto.
RECOMENDACIONES
Es recomendable diseñar un regenerador con los materiales adecuados que
mejore el desempeño del motor Stirling, por ende, es necesario conocer como son
afectados los parámetros de eficiencia térmica del motor en relación al cambio de
las características físicas de los regeneradores.
Es recomendable construir un prototipo de motor Stirling para poder obtener datos
experimentales de presión y temperatura, estudiar sus variaciones cíclicas de
manera mas objetiva.
En el interior del motor hay un fluido (gas) que circula constantemente de una
zona a otra. Esto implica que para obtener mejores rendimientos se debe de hacer
un análisis de mecánica de fluidos para reducir las perdidas de presión y
83
comprender
mejor
como
deben
ser
las
geometrías
internas
para
el
desplazamiento del fluido de trabajo.
Se recomienda investigar métodos de sellado para la utilización de pistones en
este tipo de motores para poder manejar mayores presiones y obtener de esta
manera un mejor rendimiento del mismo.
Es recomendable hacer un estudio mas a fondo de las perspectivas de aplicación
de los motores Stirling que se tienen en la actualidad, ya que tienen un campo de
aplicación muy variado y de esta manera ayudar a difundir esta tecnología.
Analizar detalladamente los tipos de transferencia de calor que se dan en los focos
caliente y frio, porque su estudio esta íntimamente relacionado con el calor
necesario para que funcione el motor. Así también el análisis de transferencia de
calor predice las posibles perdidas que se producen y de esta manera se puede
decidir como disminuirla.
Investigar otro tipo de clasificaciones de motores Stirling que existen para tener
una visión más amplia del tema.
Los resultados de la investigación realizada se pueden aplicar a cualquier tipo de
configuración de motores Stirling, pero también se recomienda desarrollar
programas de computo para estudiar de una manera mas didáctica las variaciones
de presión y temperatura, y poder evaluar que tanto se aproxima al
funcionamiento real de la maquina, de igual manera es recomendable incorporar
estos programas de computo a los planes de estudio de las escuelas de
educación tecnológica.
Es recomendable motivar a los estudiantes a realicen proyectos relacionados con
este tipo de motores Stirling, para que de esta forma se aumente su espectro de
aplicación y en un futuro cercano tener proyectos de aprovechamiento eficiente de
energías limpias.
84
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[L]
http://personales.able.es/jgros/
[M]
http://www.cleanergyindustries.com/production.html#top_page
[N]
http://www.arturo.derisi.unisalento.it/Dowloads/Energie_Rinnovabili/Motore
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[O]
http://www.whispergen.com/main/technology/
[P]
[Q]
[R]
[S]
http://www.mnu.es/amnu_art7.htm
www.grc.nasa.gov/.../5000/5490schreiber.html
http://green.autoblog.com/tag/ford/
http://paisa_maca0.tripod.com/paginas2/inf.varia7.htm
[T]
http://beosman.org/archivo/2008/tecnologia/placas-base-refrigeradasmediante-motores-stirling.html
86
ANEXOS
NOMENCLATURA
Símbolo
Concepto
CP
Calor especifico a presión constante del fluido de trabajo
CV
Calor especifico a volumen constante del fluido de trabajo J/kg K
D
Diámetro del ducto que guardan el regenerador
Es
Eficiencia del motor Stirling
F
Fuerza de arrastre de fricción
f
Coeficiente de fricción
K
Factor que relaciona temperaturas con volúmenes muertos
k
Coeficiente de conducción del fluido de trabajo
L, Lreg
Longitud del regenerador
m
m
Masa total del fluido de trabajo dentro del motor Stirling
kg
P
Potencia entregada por el motor Stirling
W
p
Presión
Q/
Flujo de calor
QIDEAL
Calor ideal almacenado en el regenerador
J
QTEORICO
Calor teórico almacenado en el regenerador
J
R
Constante especifica del gas
T
Temperatura
V
Volumen
m3
VC3, VF2
Volúmenes en los estados 3 y 2 del proceso isocórico 2 - 3
m3
VC4, VF1
Volúmenes en los estados 4 y 1 del proceso isocórico 4 - 1
Trabajo entregado
m3
J
W
J/kgK
m
adimensional
N
adimensional
m3/K
W/m K
kPa, N/m2
W
J/kg K
K, °C
87
ε
Eficiencia del regenerador
adimensional
n
Número de mallas que componen el regenerador
adimensional
Subíndices
C
Caliente
D
Desplazador
ent
Suministrado
F
Frío
M
Muerto
MC
Muerto del área caliente
MDP
Relación de volumen muerto del desplazador y el pistón
MF
Muerto del área fría
MR
Muerto del regenerador
MT
Muerto total
P
Pistón de potencia
R
Regenerador
sal
Rechazado
1, 2, 3, 4
Estados del proceso termodinámico en el motor Stirling
1’ ,3’
Estados intermedios del regenerador en el proceso termodinámico
del motor Stirling
1-2
Proceso de compresión isotérmica
2-3
Proceso de calentamiento isocórico
3-4
Proceso de expansión isotérmica
4-1
Proceso de enfriamiento isocórico
88
89