UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION EN LA INDUSTRIA MONOGRAFÍA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: IVAN BARREDA ORTIZ DIRECTOR: MTRO. JORGE LUIS ARENAS DEL ANGEL XALAPA, VER. NOVIEMBRE 2014

2 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 2

3 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES AGRADECIMIENTOS A mi madre que es pieza fundamental en mi vida, por brindar su apoyo incondicional con paciencia, con sabiduría y sobre todo con amor para poder ser cada día una mejor persona y poder concluir mis estudios. A mi padre por darme la educación y el apoyo en mi etapa universitaria. A mi hermano aunque en la mayoría de las veces parece que estuviéramos en una batalla, hay momentos en los que la guerra cesa y nos unimos para lograr nuestros objetivos. Gracias por todos los bonitos momentos que he pasado durante estos 24 años. A mi tio Elias y mi tia Lucy por sus apoyo incondicional siempre que necesitaba de ellos y por sus muestras de cariño conmigo. A mi tio Gaudencio por sus consejos y apoyo durante mi carrera. A mis abuela Maria por sus consentimientos desde niño y aun siendo joven seguirme consintiendo. A mi abuela Graciela por su ayuda y recibimiento en su hogar durante estos años de estudio. A mis amigos, maestros, compañeros y a la Universidad Veracruzana que han me acompañado a lo largo de este viaje que ha sido la vida, con los cuales he reído, pero sobretodo eh vivido, por los que han creído en mí y por cada momento que me acompañaron y pudimos crecer en este gran aprendizaje que es la vida. A mis maestros quienes nunca desistieron al enseñarme, aun sin importar que muchas veces no ponía atención en clase, a ellos que continuaron depositando su esperanza en mí. A los sinodales quienes estudiaron mi monografia y la aprobaron. A todos ellos Muchas gracias! 3

4 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES Contenido INTRODUCCION... 5 CAPÍTULO I HISTORIA Motor Stirling Los primeros motores de aire caliente Motor de aire caliente de Sir George Cayley El motor de Ericsson Los sistemas disco Stirling Philips y el motor Stirling CAPÍTULO II PRINCIPIOS Y FUNDAMENTOS Funcionamiento del motor Stirling Componentes Procesos del Ciclo Stirling teorico Rendimiento del Motor Stirling Algunas ventajas y desventajas de los motores Stirling CAPÍTULO III CLASIFICACION Y TIPOS DE MOTORES DE AIRE CALIENTE Motor Stirling tipo alfa Motor Stirling tipo alfa para generación eléctrica solar Motor Stirling tipo beta Motor Stirling tipo beta para sistemas de refrigeración criogénicos Motor Stirling tipo gama Principales variantes del motor Stirling Motor Ringbom Motor de pistón líquido Motor Stirling termoacústico Motor Stirling rómbico Motor Stirling de pistón- libre (Beale) CAPÍTULO IV APLICACIONES EN LA INDUSTRIA Coches híbridos Aplicaciones energéticas Descripción del sistema Disco- Stirling Cogeneración Aplicaciones aeronáuticas Aplicaciones en submarinos Motores Stirling en el espacio Ciclo inverso CONCLUSIONES Bibliografia ANEXOS

5 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES INTRODUCCION El acelerado avance científico y tecnológico qué 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. 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 5

6 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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 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 CAPÍTULO I se da una breve descripción de lo aspectos mas relevantes de la historia del motor de ciclo Stirling, qué 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 CAPÍTULO II se describen los procesos termodinámicos de los motores Stirling y su influencia en el regenerador, además se establecen las ecuaciones básicas qué rigen el comportamiento de este tipo de motores. En el CAPÍTULO III se trata los principales tipos de motores Stirling de acuerdo a su configuración. Se muestran algunos de los principales Stirling qué se manejan a nivel comercial y además se describe algunos otros modelos qué han surgido por la constante investigación de este tipo de motores y qué son variantes de los principales. En el CAPÍTULO IV se muestra el estado actual en el qué se encuentra el desarrollo de los motores Stirling, así como las perspectivas de aplicación a mediano y largo plazo qué se tienen a nivel mundial. 6

7 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES Para finalizar, se presentan las conclusiones obtenidas de este trabajo y las recomendaciones para mejorar y continuar este estudio. 7

8 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES CAPÍTULO I HISTORIA 1.1 Motor Stirling Se define maquina Stirling como aquel dispositivo qué 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 frio. Cuando la maquina opera de modo volumétrico recibe el nombre de maquina Stirling, mientras qué 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, qué 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 qué 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 qué aprovechaba la expansión de aire caliente para hacer girar un volante, realizada por Amontons, en Francia, solo un año después de qué 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 8

9 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES James Stirling dieron un gran impulso al ciclo cerrado regenerativo. [1] Robert Stirling ( ) 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 La patente de este motor era el glamoroso final de una serie d e 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 qué el llamo economizador de calor hoy en día llamado regenerador. Así como también reducir los accidentes qué causaban frecuentemente las explosiones de calderas de vapor, dando como resultado lesiones y en algunos casos hasta la muerte de las personas qué 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 qué el motor no necesitaba caldera. El motor de Stirling estaba basado en un ciclo cerrado de aire con combustión externa, qué consta de un cilindro abierto en su parte inferior, en el qué 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 qué el pistón inferior, ubicado a cierta distancia del primero y encargado de proporcionarle fuerza. El pistón superior estaba cubierto por el llamado regenerador, qué básicamente era un envoltorio constituido por capas superpuestas de hilo metálico, formando las diversas capas consecutivas ángulos rectos entre si. [4] 9

10 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES Figura 1.1 La patente británica de Stirling de 1816 (TPOUK, Newport) [F] 10

11 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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 qué se encontraba en el interior del cilindro (en su extremo superior) y sobre el pistón encargado de desplazar, haciendo qué 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 qué hacia comprimir el aire existente entre los dos pistones, consiguiendo así volver a las condiciones iníciales y qué 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 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 11

12 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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 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 [6] 12

13 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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. 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 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 ( ) 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] 13

14 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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. 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] La figura 1.3 muestran el dibujo del dispositivo de Sir George Cayley. 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 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. 14

15 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES El motor de Ericsson El ingeniero sueco John Ericsson ( ), 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 Tanto el documento español como el americano se basan en el mismo concepto, si bien el primero es un perfeccionamiento del segundo. [4]. Figura 1.4 Dibujo de la patente estadounidense US sobre la máquina de Ericsson, presentada el 14 de diciembre de 1858 (USPTO, Washington) 15

16 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES Figura 1.5 Imagen de la máquina de Ericsson según aparece en un librillo adjunto al privilegio real ES PR, presentado el 16 de junio de 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) 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 16

17 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES al realizado cuando estaba caliente, hasta que se expulsa de la máquina mediante la válvula de desahogo h, ubicada encima del calentador e. [4] 1.3 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] 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 17

18 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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 , 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 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 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 ( ), con participación de empresas españolas (Inabensa, CIEMAT-PSA), mejoró los prototipos anteriores (rediseño del concentrador y 18

19 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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 ( ), 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 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 19

20 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES fotovoltaicos o los generadores diesel. 1.4 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 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, 20

21 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES iniciando un estudio 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; los 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 21

22 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES programa Stirling de la Philips; los dos tipos de motores usaron aire como fluido de trabajo. 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. 22

23 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES Figura 1.7 Philips MP1002CA generador Stirling de [H] 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 ( 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 23

24 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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. 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] 24

25 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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 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 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 25

26 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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 importante es elevada relación peso / potencia. La unidad giratoria brayton (BRU) Proyecto que apunta a obtener una mayor eficiencia de energía. [K] 26

27 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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] En la actualidad el motor Stirling es objeto de múltiples investigaciones 27

28 MOTOR STIRLING Y SUS APLICACION INDUSTRIALES 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. 28

29 CAPÍTULO II PRINCIPIOS Y FUNDAMENTOS 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 se realizan de forma continua sobre un fluido. En conjunto estos procesos forman un ciclo termodinámico. Un ciclo termodinámico es una evolución cíclica de procesos térmicos dentro de un intervalo de temperaturas y presiones. 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 29

30 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 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] 2.1 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. 30

31 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 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. 31

32 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. 2.2 Componentes Figura 2.1 Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica. [12] En la figura 2.1 se muestra cinco componentes principales de la máquina de ciclo Stirling, los cuales son: El gas de trabajo (a): Es fundamental para el funcionamiento debido a que se encuentra sellado en el motor Stirling, siendo este un ciclo cerrado con diversos procesos termodinámicos. Intercambiadores de Calor (b): Hay dos formas de trabajar de los intercambiadores de calor, los cuales se utilizan para la transferencia de calor a través del sistema de frontera. La absorción de calor se transfiere de fuera del sistema al gas de trabajo, y hay rechazo 32

33 de calor por el intercambiador de calor que transfiere el calor del espacio de trabajo a fuera del sistema. El mecanismo desplazador (c): Este mueve (o se desplaza con) el gas de trabajo entre el espacio caliente y termina el frio de la maquina (a través del regenerador). Regenerador (d): Este actúa tanto como una barrera térmica entre los extremos fríos y calientes de la maquina, y también como una tienda térmica para el ciclo. Físicamente, un regenerador general consiste en un material de malla, donde el calor se transfiere al gas de trabajo el cual es soplado a través de la malla del regenerador. Cuando el gas de trabajo se desplaza desde el extremo caliente de la maquina (a través del regenerador) hacia el extremo frio de la misma, el calor se deposita en el regenerador, y la temperatura del gas de trabajo baja. Cuando es la inversa el desplazamiento se produce, el calor es retirado por regenerador de nuevo, la temperatura del gas del trabajo se incremente. Mecanismo de Compresión-Expansión (e): Este expande y/o comprime el gas de trabajo. En un motor de este mecanismo produce una salida de trabajo neto. En un refrigerador o bomba de calor, una entrada de trabajo neto es necesario un gas de trabajo para mover el calor de un mínimo a un máximo régimen de temperatura (de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica). 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. 33

34 Figura 2.2a Operación del motor Stirling [13] 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. Figura 2.2b Operación del motor Stirling [13] 34

35 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. Figura 2.2c Operación del motor Stirling [13] 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] 35

36 Figura 2.2d 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 Procesos del Ciclo Stirling teórico El ciclo Stirling teórico está compuesto por dos evoluciones a volumen constante y dos evoluciones isotérmicas, una a T h y la segunda a T L. 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 36

37 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. 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. [14] 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 37

38 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. 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 Q C. Figura 2.4 Proceso de 1-2 del ciclo Stirling [14] En el proceso de 2-3 se le entrega al motor una cantidad de calor Q in para elevar la temperatura del gas de T L a T H todo esto a volumen constante (proceso isocorico). 38

39 Figura 2.5 Proceso de 2-3 del ciclo Stirling[14] 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 T H (proceso isotérmico). En esta etapa del ciclo es cuando el motor recibe una cantidad de energía de Q E. La diferencia de Q C y Q E es el trabajo total entregado por ciclo. Figura 2.6 Proceso de 3-4 ciclo Stirling[14] 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 Q OUT y por consiguiente la presión baja. 39

40 Figura 2.7. Proceso de 4-1 ciclo Stirling[14] 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. El rendimiento de un motor térmico es la relación existente entre el trabajo producido y el calor absorbido. W Q c 1 T T f c El calor absorbido es Q e. El rendimiento térmico del ciclo será: 40

41 Procederemos a analizar cada etapa, hallaremos en W y el calor en cada una de ellas: Datos a utilizar:, Etapa 3-4: Proceso isotérmico (temperatura constante).calentamiento U Q W Q W Q nrt c V ln 4 V 3 W nrt c V ln 4 V 3 Etapa 4-1: Proceso isocórico (volumen constante). U Q W U Q Q Cv( T 1 T4) W 0 Etapa 1-2: Proceso isotérmico (temperatura constante).enfriamiento U Q W Q W Q ( W ) W Q nrt Q nrt f V ln 2 V 1 f V ln 4 V 3 W nrt f V ln 4 V 3 41

42 42 Hallando el trabajo neto: W neto Hallando el calor suministrado: Reemplazando: 2.5 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 0 0 ln ln V V nrt V V nrt W f c neto ln ln V V nrt V V nrt W f c neto 3 ln V V 4 nrt Q c c ) ( ) ( ln T T Cv T T Cv V V nrt Q c c Q c W ln ln ln V V nrt V V nrt V V nrt c f c c f T T 1

43 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 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. 43

44 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. 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. 44

45 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, 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. 45

46 CAPÍTULO III CLASIFICACION Y TIPOS DE MOTORES DE AIRE CALIENTE 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] 3.1 Motor Stirling tipo alfa Este motor fue diseñado por A. K. Rider, de Philadelphia, en El motor Stirling tipo Alfa, se constituye de dos pistones ubicados en diferentes cámaras a 90, 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. 46

47 Figura 3.1 Esquema del motor tipo alfa.[l] 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 V- type 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] 47

48 Otras compañías que desarrollan sistemas de microcogeneración basados en motores Stirling son: MicroGen (UK), SunMachine (Alemania), EnAtEC micro- cogen 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 con quemadores de serrín y concentradores solares. 3.2 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] 48

49 3.2.1 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. 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] 3.3 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 49

50 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. 50

51 3.4 Principales variantes del motor Stirling 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 51

52 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). 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). 52

53 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 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 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] 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 53

54 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] 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] 54

55 3.4.5 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 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 55

56 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] Figura 3.11 El bronceado de 9 Kw e de pistón libre de beta-configuración motor Stirling. [E] En el siguiente CAPÍTULO 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. 56

57 CAPÍTULO IV APLICACIONES EN LA INDUSTRIA 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. 4.1 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 57

58 motores, de manera de ocupar el motor de combustión enrecargarla 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] 58