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Motor stirling base para proyecto de investigacion
Tipo: Monografías, Ensayos
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Es bien conocida ya la crisis energ´etica a la que se enfrenta todo pa´ıs alrededor del mundo. En el caso particular de Chile, la disminuci´on en los recursos hidrocarburos y la inestabilidad en las lluvias ha genera- do recortes energ´eticos que han producido no s´olo molestias a los usuarios dom´esticos, sino considerables p´erdidas en el sector industrial. El gobierno ha reaccionado creando una serie de pol´ıticas para estimular la utilizaci´on de fuentes renovables no convencionales, y ha generado programas de eficiencia energ´etica.
El presente trabajo de t´ıtulo tiene por objetivo dise˜nar un motor capaz de utilizar recursos energ´eticos no convencionales de bajo potencial. En particular, el motor Stirling es capaz de trabajar con distintas fuentes cal´oricas, ya que es una m´aquina de combusti´on externa. Se ha considerado la disponibilidad de una fuente de agua termal con un recurso de 28 [lt/min] a 70◦C, y una fuente de agua fr´ıa a 5◦C con el mismo caudal. Una de las caracter´ısticas m´as sobresalientes del motor Stirling, es que es el ´unico que te´oricamente alcanza el rendimiento de Carnot, que es el mayor rendimiento que puede lograr una m´aquina t´ermica.
El dise˜no consta de dos partes: un dise˜no termodin´amico y un dise˜no mec´anico. Para el dise˜no ter- modin´amico se ha utilizado un modelo de simulaci´on preparado especialmente para las caracter´ısticas del recurso descrito, incorporando par´ametros reales del motor que se pretende construir. Este dise˜no permite obtener las dimensiones m´as apropiadas para reproducir el ciclo Stirling de la mejor manera posible. El dise˜no mec´anico presenta los materiales y las dimensiones finales que deben tener las piezas constituyentes del motor para reproducir el ciclo que se determin´o en el an´alisis termodin´amico.
Se obtiene como resultado un modelo termodin´amico para este motor en particular, pero que es f´acil- mente adaptable a otras configuraciones de motor y a otras caracter´ısticas de recurso. Este modelo se utiliza como herramienta para optimizar las dimensiones de las distintas piezas del motor, de tal forma que se obtenga la m´axima potencia posible. Despu´es de diversas consideraciones sobre resistencia de materiales y propiedades de transferencia de calor de las mismas, se definen los materiales y dimensiones finales, las cuales quedan consignadas en los planos de construcci´on.
La conclusi´on final de este trabajo es la realizaci´on completa del dise˜no del motor, estim´andose una potencia generada de 156,8[W] a 310[RPM]. Se asegura la factibilidad constructiva del mismo con recursos nacionales y se presenta una discusi´on sobre los modelos termodin´amicos utilizados.
II
AGRADECIMIENTOS
Hay muchas personas a quien agradecer.
En primer lugar, a mi Creador y Padre Jehov´a, por darme las fuerzas necesarias para llegar al final de esta empresa.
A mi madre, Patricia, quien por muchos a˜nos se esforz´o m´as de lo que pudiera imaginarme por darme lo necesario para subsistir y cumplir mis metas. A mi padre, quien siempre me ha infundido ´animo y ha cre´ıdo en m´ı, quien siempre se ha esforzado por que ni a m´ı ni a mis hermanos nos falte lo necesario para seguir adelante.
Tambi´en a mis hermanos, todos quienes de una u otra forma contribuyeron a la realizaci´on de este trabajo. Recuerdo que Sorach me escane´o una foto.
A mis profesores: a Carlos que me tuvo mucha paciencia cuando trat´abamos de solucionar los problemas que se presentaban, y al profe Rom´an porque siempre estuvo dispuesto a ayudar (cuando lo encontraba en la Facultad), y le otorg´o mucho valor al trabajo que realizaba. El profesor B´ejar, aunque al final dio un paso atr´as, siempre estuvo muy dispuesto a guiar en las partes que lo requer´ıa. Aunque extraoficialmente, ´Alvaro Valencia tambi´en aport´o bastante en la realizaci´on de algunos modelos y el desarrollo de conceptos. ¡Gracias a todos!
Las secres de ac´a son un 7. Gracias a Soledad que, aunque hace mucho que no la veo, siempre estuvo dispuesta a ayudar en lo que se pod´ıa. Tambi´en a Raquelita, muy atenta ella con los libros y los permisos para venir el fin de semana a la U. Se merecen especial reconocimiento las due˜nas del 4◦^ piso, Maricarmen y Mar´ıa Eugenia... nunca podr´e pagar la buena voluntad que tuvieron para ayudarme en todo cuanto pudieron, sin duda mucho m´as de lo que implica su trabajo. Siempre lo recordar´e, muchas gracias de verdad.
Mis compa˜neros, en especial Nacho, Ari´e, Pili y B´arbara. Siempre fueron un gran aporte y apoyo en todo. A Fernando Baeza, JP, H´ector, Wilson y tantos otros que por MSN me sacaron de apuros.
Mis amigos tambi´en se pasaron. Todos de una u otra forma fueron un apoyo. Agradezco a aquellos que comprendieron cuando los tuve que dejar de lado unos d´ıas por causa del trabajo, y los que no me comprendieron... ¡all´a ellos!
En especial a Araceli, que comparti´o mi preocupaci´on por el ´exito de este trabajo en incontables oca- siones, y corrigi´o la ortograf´ıa de una o dos p´aginas por entrega. Tambi´en Felipe que me prest´o su oficina para trabajar, y siempre me recibi´o bien: ¡gracias por los caf´es!
Gracias a todos de verdad, por hacer realidad este sue˜no que tom´o m´as de seis a˜nos de trabajo.
En la actualidad, la gran inestabilidad y constantes aumentos de los precios de los combustibles f´osiles, junto con los problemas de contaminaci´on que involucra la utilizaci´on de hidrocarburos, pone en discusi´on la b´usqueda de nuevas fuentes de generaci´on de energ´ıa, m´as limpias y, en lo posible, renovables. Este problema afecta particularmente a Chile, debido a que gran parte de su matriz energ´etica es alimentada a trav´es de combustibles convencionales (gas, petr´oleo o carb´on), y estos no se producen de manera considerable en el pa´ıs. Esta situaci´on crea una peligrosa dependencia que ya ha tenido efectos perjudiciales no s´olo en el precio de los combustibles, sino tambi´en en el de productos b´asicos de consumo familiar, de la electricidad y algunos cortes en el suministro de gas, principalmente en el sector industrial.
El problema no es menor, y ha llevado al gobierno a la generaci´on de campa˜nas para promover la uti- lizaci´on eficiente de la energ´ıa, el uso de energ´ıas renovables (minihidr´aulicas, solar, e´olica entro otras), y la creaci´on de una legislaci´on que incentive la generaci´on de las mismas.
Este escenario deja claro que el proyecto de dise˜nar un motor que utilice recursos de bajo potencial que hoy se desperdician resulta una idea muy atractiva, y que es necesario realizar estudios sobre el fun- cionamiento de un motor de estas caracter´ısticas para evaluar su desempe˜no.
El motor Stirling ha sido estudiado largamente desde su concepci´on, en el a˜no 1816. Su desarrollo lo- gr´o que llegara a competir con la m´aquina a vapor durante el siglo XIX. Sin embargo, despu´es de la creaci´on de los motores de combusti´on interna y la gran disponibilidad de combustibles f´osiles, fue desplazado por motores como el de ciclo Otto o Diesel.
Una de las grandes ventajas de este motor es su versatilidad en cuanto a las fuentes de energ´ıa con las que puede trabajar. En particular, el uso de la energ´ıa de la tierra, la energ´ıa geot´ermica, un recurso renovable y limpio, resulta una muy buena alternativa para alimentar un motor Stirling. Esto considerando adem´as el gran potencial geotermal que posee Chile a lo largo de todo su territorio.
El presente trabajo describe el dise˜no completo de un prototipo de motor Stirling: desde el an´alisis termodin´amico hasta la generaci´on de planos de construcci´on. Se sabe que en las zonas termales se pueden
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El motor Stirling trabaja idealmente siguiendo el ciclo Stirling, o alguna de sus variantes, donde fluidos compresibles, como aire, hidr´ogeno, helio, nitr´ogeno o incluso vapores son usados como fluidos de trabajo. El motor Striling ofrece la posibilidad de generar trabajo con una alta eficiencia, y bajas o nulas emisiones, lo cual representa una ventaja con respecto a los motores de combusti´on interna. Los primeros motores Stirling eran grandes y de baja eficiencia. Sin embargo, a trav´es del tiempo, se han desarrollado avances en los modelos de motores Striling que han permitido mitigar dichas deficiencias.
Los motores Stirling modernos adem´as de tener una mejor eficiencia pueden trabajar con fuentes de calor a mayor temperatura. Al ser motores de combusti´on externa, pueden funcionar con la mayor´ıa de las fuentes de calor existentes: geot´ermica, gases de escape industriales, solar t´ermica, biomasa o cualquier combustible.
El motor Stirling puede ser usado en muchas aplicaciones, incluyendo aquellas donde:
Se requiere utilizar diferentes combustibles. Se encuentra disponible una fuente de enfriamiento abundante. Se requiere una operaci´on con bajo ruido. Se permite velocidades relativamente bajas. Se permite tener una entrega de potencia de magnitud constante. Se permiten variaciones lentas en la potencia de salida del motor. Se permite un per´ıodo relativamente largo de calentamiento (per´ıodo transiente).
El motor Stirling cuenta con seis elementos fundamentales y uno opcional.
Pistones Seg´un la configuraci´on, el motor puede tener dos pistones en c´amaras separadas, o dos pistones en una misma c´amara. En este ´ultimo caso, uno de los pistones es llamado desplazador, ya que su funci´on no es realizar trabajo con el gas, sino simplemente desplazarlo de un lado de la c´amara a otro. Cilindros Seg´un la configuraci´on, el motor puede tener dos cilindros colineales, dos cilindros paralelos pero no colineales, o dos cilindros totalmente separados. En el caso de cilindros colineales o paralelos no colineales, el espacio existente entre el pist´on y el desplazador es denominado espacio de compresi´on, ya que el gas se encuentra a baja temperatura, relativamente comprimido. Por su parte, el espacio existente al lado opuesto del desplazador es llamado espacio de expansi´on, ya que el gas se encuentra a alta temperatura, relativamente expandido.^1 En el caso de cilindros separados, cada cilindro estar´a contiguo a un intercambiador, uno fr´ıo y uno caliente, determinando los espacios de expansi´on y comprensi´on seg´un el razonamiento ya explicado. Intercambiadores de calor Se utilizan dos intercambiadores de calor en serie. Uno de ellos debe entregar calor al gas de trabajo para que este se expanda y genere trabajo. A dicho intercambiador se le llamar´a heater. Este intercam- biador es alimentado de calor por lo que se llamar´a una fuente caliente, un recurso l´ıquido o gaseoso a alta temperatura. El otro intercambiador debe extraer calor del fluido de trabajo para que la compresi´on necesaria para hacer el ciclo cerrado no genere un aumento excesivo en la presi´on, lo cual disminuir´ıa el trabajo total entregado por el motor. A este intercambiador se le llamar´a cooler. Este intercambiador es alimentado por lo que se llamar´a fuente fr´ıa, un recurso l´ıquido a baja temperatura. Opcionalmente se puede agregar un dispositivo entre ambos intercambiadores de calor, el llamado regenerador, que constituye una de las ideas m´as brillantes de Robert Stirling, seg´un la apreciaci´on del (^1) Sin embargo, algunos entendidos discrepan en las denominaciones espacio de compresi´on y espacio de expansi´on, y prefieren hablar de espacio fr´ıo y espacio caliente, alegando que el gas siempre se encuentra a una misma presi´on en todo el espacio que ocupa. Se desea aclarar que esta denominaci´on se refiere al volumen espec´ıfico ocupado por el gas en cada lado de la c´amara, el cual, aunque la presi´on sea relativamente uniforme en todo el espacio, no es constante ya que es funci´on de la temperatura a la cual se encuentre el gas. Si esta temperatura es distinta, el volumen espec´ıfico necesariamente ser´a diferente. Adem´as, dentro de la b´usqueda bibliogr´afica actual realizada, muchas fuentes de primera l´ınea presentan trabajos cuyos autores siguen refiri´endose a estos espacios como compresi´on y expasi´on. Sirva como bot´on de ejemplo los trabajos de [2], [3] [4] y la conferencia en [5].
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El ciclo Stirling ideal posee dos evoluciones a volumen constante y dos evoluciones a temperatura con- stante. Este ciclo es cerrado, es decir, no existe intercambio m´asico con el exterior, sino que es siempre el mismo gas de trabajo que circula a trav´es de los distintos componentes del motor.
El ciclo ideal se puede representar con el diagrama PV de la figura 2.1.
Figura 2.1: Diagrama PV del ciclo Stirling ideal.
A continuaci´on se explica cada una de las etapas del ciclo Stirling ideal:
Figura 2.2: Esquema del motor durante etapa 1-2 del diagrama PV. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling engine
Figura 2.3: Esquema del motor durante etapa 2-3 del diagrama PV. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling engine
Figura 2.4: Esquema del motor durante etapa 3-4 del diagrama PV. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling engine
Figura 2.5: Esquema del motor durante etapa 4-1 del diagrama PV. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling engine
Figura 2.7: Diagrama PV del ciclo Stirling ideal con regeneraci´on. Fuente: Adaptado de [7].
En la realidad no es posible reproducir el ciclo Stirling ideal, principalmente por las siguientes razones:
Existen p´erdidas por fricci´on en el movimiento del gas. Las expansiones y compresiones no son exactamente isot´ermicas. Existen p´erdidas por conducci´on a trav´es del regenerador. Mec´anicamente no es posible reproducir exactamente las variaciones de volumen que exige el ciclo.
Com´unmente se consideran tres configuraciones principales para clasificar los motores Stirling: alfa, beta y gamma. Las tres configuraciones intentan aproximarse a las condiciones de operaci´on del ciclo Stirling ideal.
alfa: Consiste en dos pistones, llamados pist´on caliente y pist´on fr´ıo, que se encuentran uno a cada lado del conjunto de intercambiadores de calor compuesto por el heater, regenerador y cooler (v´ease figura 2.8. Estos pistones se mueven uniformemente en la misma direcci´on para desplazar el gas en
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un espacio a volumen constante durante la etapa de calentamiento o enfriamiento. Cuando todo el gas ha llegado a uno de los cilindros, uno de los pistones se mantiene fijo mientras que el otro se mueve permitiendo la compresi´on o expansi´on del gas seg´un corresponda. El trabajo de expansi´on es recibido por el pist´on caliente, mientras que el de compresi´on es entregado por el pist´on fr´ıo.
Figura 2.8: Esquema de un motor Striling tipo alfa. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling engine.
beta: En esta configuraci´on se utilizan dos pistones, llamados pist´on desplazador o simplemente de- splazador, y pist´on de potencia, llamado simplemente pist´on (v´ease figura 2.9). El desplazador mueve el gas entre los espacios fr´ıo y caliente a trav´es del conjunto de intercambiadores. El pist´on, ubicado en el lado fr´ıo del cilindro, comprime el fluido de trabajo cuando este est´a en el lado fr´ıo, y lo expande cuando est´a en el lado caliente. Para que el motor realice trabajo, se debe introducir un ´angulo de desfase, α, entre el movimiento angular del desplazador y el pist´on. El desplazador debe adelantar al pist´on en su movimiento.
Figura 2.9: Esquema de un motor Striling tipo beta. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling engine.
gamma: La configuraci´on gamma usa cilindros separados para el pist´on y el desplazador, conectados por un conducto que permite el paso del gas entre ellos. El funcionamiento es id´entico al de los motores
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quien Chile confiaba para una generaci´on de electricidad m´as limpia y econ´omica en comparaci´on con el petr´oleo.
Seg´un la CNE, en el a˜no 1995 el 57 % de la matriz el´ectrica estaba alimentada por centrales hidroel´ectri- cas [9]. Sin embargo, para 2006 esta cifra se redujo a 38,7 % [10], obligando a suplir la carencia utilizando combustibles f´osiles, lo cual resulta en un costo mayor por unidad energ´etica producida-el cual ya ha sido traspasado a los consumidores dom´esticos- y un mayor perjuicio al medio ambiente. 2
Como respuesta a lo anterior, el gobierno est´a realizando un notable impulso para fomentar la producci´on de energ´ıa a trav´es de formas m´as limpias y utilizando fuentes renovables. En este marco, est´a en tramitaci´on en el senado el Proyecto de Ley de ERNC (Energ´ıas Renovables no Convencionales), aprobado sin ning´un voto en contra en la C´amara Baja, que obliga a las generadoras de electricidad del SIC y SING^3 a generar por lo menos un 5 % de su producci´on a trav´es de ERNC, consideradas aquellas que utilizan recursos renovables, y que no est´an actualmente presentes en el mercado de manera importante, como lo son la solar, e´olica, biomasa, mareomotriz, geot´ermica y centrales minihidr´aulicas. El proyecto, que de aprobarse entrar´ıa en vigencia en 2010, pretende eliminar las dificultades que actualmente enfrentan los comercializadores de estos tipos de energ´ıa para inyectar su producci´on al SIC y al SING, y avanzar hacia una mayor independencia energ´etica con respecto a los pa´ıses proveedores de hidrocarburos.
Esta problem´atica abre la instancia de la b´usqueda de la explotaci´on de fuentes energ´eticas que antes no hab´ıan sido utilizadas, como la geot´ermica, solar t´ermica, y otras aplicables al uso de motores Stirling.
Aunque, como se mencion´o, existe una gran gama de fuentes energ´eticas posibles para un motor Stirling, el dise˜no est´a orientado a la utilizaci´on de energ´ıa geot´ermica, debido a que este recurso existe en el pa´ıs, y no ha sido explotado de manera importante como una fuente energ´etica, sino principalmente con fines tur´ısticos.
La energ´ıa geot´ermica corresponde a la energ´ıa cal´orica contenida en el interior de la tierra, que se transmite por conducci´on t´ermica hacia la superficie, la cual es un recurso parcialmente renovable y de alta (^2) El consumo de petr´oleo ha aumentado desde el orden de unos 5000 Mm (^3) /a˜no antes de 1987, hasta 12000 Mm (^3) /a˜no en 2006. De esta ´ultima cifra, el 98,2 % corresponde a importaciones. Por su parte, el consumo de gas natural ha aumentado desde 1500 MMm^3 /a˜no entre 1993-1996, a m´as de 8000 MMm^3 /a˜no en 2006[11]. (^3) SIC: Sistema Interconectado Central, que distribuye energ´ıa el´ectrica a la zona entre las regiones de Atacama y de Los Lagos y Sistema Interconectado del Norte Grande, que lo hace en todo el norte del pa´ıs hasta la regi´on de Antofagasta.
disponibilidad. El conjunto de t´ecnicas utilizadas para la exploraci´on, evaluaci´on y explotaci´on de la energ´ıa interna de la tierra se conoce como geotermia.
Hay dos tipos fundamentales de ´areas t´ermicas: hidrot´ermicas, que contienen agua a alta presi´on y tem- peratura almacenada bajo la corteza de la tierra en una roca permeable cercana a una fuente de calor; y sistemas de roca caliente, formados por capas de roca impermeable que recubren un foco calor´ıfico. Para aprovechar este ´ultimo se perfora hasta alcanzarlo, se inyecta agua fr´ıa y ´esta se utiliza una vez calentada.
En la actualidad los reservorios hidrot´ermicos son los m´as aprovechados en el mundo para fines en- erg´eticos, en particular en generaci´on el´ectrica.
El pa´ıs est´a ubicado ´ıntegramente en lo que se conoce como Cintur´on de Fuego del Pac´ıfico, que se caracteriza por su intensa actividad s´ısmica y volc´anica. Precisamente a esta ´ultima caracter´ıstica se asocian las ´areas con energ´ıa geot´ermica. En estas ´areas se pueden encontrar flujos de agua caliente a temperaturas del orden de los 70◦C y con caudales de hasta 15 kg/s. En el mismo lugar, los afluentes cordilleranos transportan agua a temperaturas cercanas a los 5◦C.
En un estudio realizado en el a˜no ’86 por el acad´emico del Departamento de Geolog´ıa de la facultad Alfredo Lahsen, se estim´o que el potencial de energ´ıa geot´ermica de nuestro pa´ıs podr´ıa llegar a los 16 mil MW, que corresponde a un 26 % m´as de la capacidad instalada actualmente en el pa´ıs [12].
Las experiencias de este tipo de tecnolog´ıa en el mundo son escasas. Si bien el desarrollo de motores Stirling de baja entalp´ıa ha crecido en los ´ultimos tiempos, sus aplicaciones parecen ser hasta el momento primordialmente de generaci´on a trav´es de la luz del sol. Sin embargo, se han encontrado dos experiencias en el mundo, en que se ha utilizado motores Stirling para aplicaciones geot´ermicas.
La primera es a trav´es de los estudios efectuados por la Universidad de Saitama[13], en este caso no se logr´o mayores avances despu´es de lo realizado hasta 1998, y las aplicaciones s´olo fueron pruebas de labora- torio. Se construy´o un motor de 300 Wattas de potencia. Este es de configuraci´on gamma, est´a constituido por un pist´on de potencia, un desplazador, dos intercambiadores de tubos y un regenerador. Los materiales utilizados son aluminio y pl´asticos, ya que este opera a presi´on atmosf´erica no es necesario utilizar materiales m´as resistentes. La figura 2.10 muestra un esquema del motor y sus elementos constituyentes.
