CICLO STIRLING CON ENERGIA SOLAR

Ing Pedro Flores Larico

Ing Gonzalo Chavez Oblitas

• HISTORIA

• -1699 un rudimentario artefacto aprovechaba el aire caliente para hacer girar un volante, realizado por Amontons en Francia.

• -1759 Wood modifico para aire caliente la maquina de vapor de Newcomen

• -1808 Glazebrook introdujo el flujo cerrado

• -1816 Los hermanos Robert y James Stirling dieron un gran impulso al ciclo cerrado regenerativo

• -Siglo XIX (Ericson, Cagley) afinaron los conocimientos teóricos e inventaron nuevos mecanismos.

• Durante las épocas de esplendor de las máquinas de vapor que fue la fuerza motriz de las industrias del siglo XIX, centenares de motores Stirling se utilizaron para bombeo de agua y otras aplicaciones de menor

• potencia (0.1-4 Kw), eran seguros y silenciosos pero fracasaron para configuraciones de gran potencia.

• El desarrollo de los motores de combustión interna (MCI) a partir de la mitad del siglo XIX, la mejora de la refinación de los derivados del petróleo y la invención de los motores eléctricos a principios del siglo XX permitieron relegar a los motores Stirling debido a la industrialización.

• A mediados del siglo XX, aparece nuevamente el interés por los Stirling por usar fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles y se vuelven competitivos.

• Actualmente muchas empresas y departamentos universitarios están desarrollando programas de diseño y experimentación de maquinas Stirling suficientemente eficientes y existen prototipos realizados, pero todavía son pocas las aplicaciones comerciales.

MOTOR STIRLING

• MOTOR STIRLING

• Robert Stirling, clérigo escocés, primeros años del siglo XIX debido a que mucha gente moría o quedaba mutilada debido a la explosión de las maquinas de vapor a presiones altas crea una maquina que trabaja a presiones bajas.

• El motor Stirling no contamina, es autónomo, silencioso y especialmente idóneo para la refrigeración.

• El motor Stirling consta de dos cilindros con un pistón en cada uno de ellos y de un regenerador que es un dispositivo especial que se aloja en el conducto que une ambos cilindros, los dos pistones están conectados por un eje, esta conexión pretende coordinar una complicada secuencia de movimientos de los dos pistones.

• Uno de los cilindros se mantiene caliente mediante la combustión de un carburante u otro tipo de energía, el otro se mantiene frío mediante unas aletas refrigerantes o flujo de agua.

• El regenerador constituye el elemento distintivo de la maquina Stirling, consiste en un conjunto de aletas de metal o una almohadilla de alambre, tiene dos características: No debe ser óptimo conductor térmico y debe actuar como fuente térmica temporal capaz de absorber calor cuando fluye por el gas frió. Recalienta el gas frió y reenfria el gas caliente.

• CICLO STIRLING TEORICO

• El ciclo teórico de Stirling consta de 4 procesos: 2 procesos isocoros en las que el gas pasa a través del regenerador absorbiendo o cediendo calor y dos procesos isotérmicos en los que el gas esta en contacto con una fuente caliente (Th) o una fría (Tc)

GRAFICA P-V Y T-S

• 1-2 Compresión Isotérmica del gas a la temperatura inferior Tc, el proceso cede calor al exterior Q2 a la fuente fría. (1)

02 U

VV

nRTVpWQ C 22

2

12 ln

V

VnRTQ C

• 2-3 Absorción de calor a Volumen constante, el gas absorbe del regenerador una cantidad de calor q1 y aumenta su temperatura y por lo tanto su presión.

0W

CHv TTmCUq 1

• 3-4 Expansión Isotérmica del gas a alta temperatura, se absorbe calor Q1 de la fuente caliente

01 U

VV

nRTVpWQ H 11

4

31 ln

V

VnRTQ H

• 4-1 Cesión de calor al regenerador a volumen constante, disminuye la temperatura del gas y caída de la presión

0W

CHV TTmCq 2

• El ciclo descrito supone idealizaciones, el aire es considerado como gas ideal y sin fugas, las paredes de los cilindros están térmicamente aislados, en el regenerador no hay conducción de calor, no hay rozamientos.

ESQUEMA DE UN MOTOR STIRLING

• RENDIMIENTO DEL CICLO STIRLING

• El ciclo Stirling teórico trabajando con un gas ideal tiene la misma ecuación de rendimiento que la de carnot, que es el máximo rendimiento que puede tener un motor térmico

H

C

T

T1

• el rendimiento de un motor térmico es la relación entre el trabajo producido y el calor absorbido.

1Q

W

El trabajo producido será:

21 QQW

• El rendimiento térmico del ciclo será:

1

21

Q

QQ

H

CH

T

TT

H

C

T

T1

• CLASIFICACION DE MOTORES STIRLING

• Tipos: Alfa, Beta, Gamma, Ringbow, pistón líquido, pistón libre, etc.

• MOTORES TIPO ALFA• Diseñado por RIDER en USA, consta de dos cilindros

independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador el que almacena y cede calor. En cada cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90º desfasado respecto al otro.

• Uno de los cilindros se calienta mediante una fuente de calor y el otro se enfría mediante aletas o agua.

• El desfase entre los dos pistones hace que el aire pase de un cilindro a otro calentándose o enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.

MOTOR STIRLING TIPO ALFA

• MOTORES TIPO BETA

• Motor original de Stirling, consta de un cilindro con una zona caliente y una zona fria , en el interior del cilindro esta el pistón desplazador cuya misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente o viceversa.

MOTOR STIRLING TIPO BETA

MOTOR TIPO BETA

• Los motores pequeños no suelen llevar regenerador únicamente una holgura de algunas décimas de milímetro entre el pistón desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire.

• El pistón de trabajo y el pistón desplazador están desfasados 90º y tienen dos bielas.

• MOTOR TIPO GAMMA

• Derivado del Beta consta de dos cilindros separados en uno de los cuales esta el desplazador y en el otro el pistón de potencia.

MOTOR TIPO GAMMA

MOTOR TIPO GAMMA

• El pistón de potencia y desplazador deben de moverse desplazados 90º lo que se consigue con un cigüeñal adecuado.

• MOTOR RINGBOM

• Motor tipo gamma en el que el vástago del desplazador tiene un diámetro mayor. Dicho vástago no tiene ninguna conexión mecánica con el cigüeñal y permite al desplazador moverse libremente, limitado por juntas de material elástico que amortigua el choque.

MOTOR RINGBOM

• MOTOR PISTON LIQUIDO

• Motor formado por dos tubos en forma de U rellenos de liquido en el lado caliente el desplazador y en la zona fría el pistón de potencia.

MOTOR PISTON LIQUIDO

• MOTOR DE PISTON LIBRE

• Cuando no se necesita obtener potencia giratoria.

MOTOR DE PISTON LIBRE

• APLICACIONES SOLARES• ELECTRICIDAD: Al motor Stirling se le

acopla un generador y en el centro del del colector (foco de la parábola) se sitúa el punto caliente donde recibe los rayos solares concentrados.

• AVIACION• Es silencioso, pues no hay explosión en

los cilindros.

GENERACION DE ELECTRICIDAD

• METODOLOGIA UTILIZADA• Se realizó la construcción de varios motores

Stirling caseros por parte de los alumnos de transferencia de calor y energías renovables de la Escuela Profesional de Ing. Mecánica de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa- La experiencia final fue realizada el 15 de setiembre del 2008 en el laboratorio de Ing. Mecánica

MOTOR ENSAYADO

• CALCULOS Y RESULTADOS

• N= 110 RPM, Ta=20ºC, Th=63ºC, Tc=31ºC, Vv=2m/s, IDN=982W/m2

• (9)pau QQQ

RDNa AFIKQ

RasRPP FTTAUQ

= Reflectancia especular de la superficie del reflector=0.6 = Fracción de la radiación especular reflejada. =0.9 = Transmitancia de la cubierta, =1 = absortancia del receptor, =0.5 = Emisividad del cuerpo caliente, =0.6• IDN= Intensidad de radiación solar directa• A= Área de apertura del concentrador• AR= Área del receptor• FR= Factor de remoción de flujo, =1.0• Ts= Temperatura del receptor• Ta= Temperatura ambiente• K= Factor de corrección. =1• D Diâmetro apertura = 0.47m A=0.1734m2• Dr Diâmetro del receptor= 0.060m AR=2.827*10-3• Th=Ts

crp hhU

ssr TTTTh 22

vc Vh 7.58.3

• Up= 19.453W/m2-ºK

• Qa=46W

• Qp=2.36W

2561.01735.0*982

64.43

AI

Q

DN

us

=25.61% Eficiência del sistema

MEDIDOR DE RADIACION

MEDICION REVOLUCIONES

STIRLING CON CPC

STIRLING CON PARABOLOIDE

• CONCLUSIONES• 1. Se puede construir motores Stirling

caseros.• 2. La eficiencia del sistema es 25.6%, hay

que realizar mas experiencias para compatibilizar con la eficiencia termodinámica.

• 3. Se debe de pensar en modelos de mayor magnitud.

CONCENTRADORES

• fin