MOTOR STIRLING: ALTERNATIVA ENERGÉTICA COMO POSIBLE SOLUCIÓN A LA PROBLEMÁTICA AMBIENTAL. Juan David Blanco T, Carolina Ferrer B, Juan Pablo López C, Daniel Sanín V. * Universidad Pontificia Bolivariana, Cq. 1 #70-01, of. 11-259, Medellín, Colombia, Resumen: La problemática actual del planeta esta centrada en el mejoramiento de las condiciones ambientales y en la creación o descubrimiento de nuevas soluciones energéticas que puedan superar o reemplazar los combustibles fósiles, no renovables, que atraviesan por una crisis de agotamiento. Con estos antecedentes nace la presente iniciativa académica que busca el análisis, comprensión y construcción de un motor que involucre mayores bondades desde el punto de vista energético, como lo es el motor Stirling, y buscar para él una aplicación industrial que contribuya a la posible solución a la crisis energética y ambiental del planeta. Copyright 2007 UPB. Abstract: Actually, the main problem in our planet is based on getting better environmental conditions and creation of alternative or new energetic solutions to replace the fossil and nonrenewable combustibles which are running out in the Earth. According to this situation, we originated this academic proposal in order to get an excellent analyzing, understanding, comprehension, and construction of an engine which offers very good energetic advantages as the Stirling Engine. Our project is focused in finding a suitable industrial application to give a possible solution for the energetic crisis and the huge environmental problem. Keywords: Stirling engine, Environmental solution, Energetic solutions, Renewable, Combustible. 1. INTROUCCION El acelerado avance científico y tecnológico que tuvo lugar en los últimos siglos, provocó un cambio abismal en la calidad de vida de la humanidad, con la aparición de una cantidad de artefactos que permitieron solucionar problemas de forma sencilla brindando comodidad a quines puedan obtenerlos. Pero todos estos novedosos inventos exigen un gran consumo de energía que aumenta constantemente, mientras sus principales fuentes (carbón, petróleo y gas) Que no son renovables se agotan rápidamente. Entonces nace la necesidad de crear nuevas formas de producir energía o descubrir nuevas fuentes que nos permitan suplir el consumo y que además sean favorables con el entorno. Dentro de esta investigación se encontró un motor termodinámico que a pesar que había sido descubierto hace más de un siglo fue relegado a un segundo plano, por la aparición de los combustibles y los nuevos motores dependientes de estos. Todos los motores termodinámicos funcionan con ciclos de calor, llamados con mayor propiedad 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 Ranking, 1
mientras que las turbinas de gas funcionan con el ciclo Brayton. En los motores de combustión externa destaca uno en especial el motor Stirling. 2. HISTORIA. El motor Stirling fue inventado y patentado por un clérigo escocés, Robert Stirling, en 1816. Es una máquina térmica, de pistón, de combustión externa, que fue perfeccionada más tarde por su hermano ingeniero, James Stirling. La patente de este motor era el glamoroso final de una serie de 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. Otro impulso para desarrollar un nuevo sistema fueron los accidentes fatales causados frecuentemente por las máquinas a vapor, ya que aún no se había inventado el acero y las calderas explotaban con facilidad. El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo dentro del motor y el gas era aire en vez de vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba caldera. Un tipo de motor bastante común en su época, sobre todo para pequeñas maquinas de uso domestico tales como ventiladores, bombas de agua etc. su potencia especifica no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran magníficos. {1} 3. FUNCIONAMIENTO El Stirling como todos los motores termodinámicos funciona con un ciclo termodinámico, este utiliza un ciclo cerrado además tiene una eficiencia teórica casi igual a la del ciclo de Carnot. Con la ventaja de que sus partes internas no se deterioran con la combustión, y puede usar cualquier combustible. No es necesaria la combustión, la energía nuclear o la solar también sirven. Hay juguetes hechos con motor Stirling en donde el calor de la mano basta para poner en marcha un ventilador casero. {2} 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. Figura 2 Figura 1: modelo de Stirling tomada de http://www.ecotec2000.de/espanol/stir2.htm# apli 2
Figura 2: ciclo motor Stirling regenerativo tomado de Motor Stirling dispositivo dinámico y 4. CICLO STIRLING TEORICO. Para ser mas claros, el principio del motor consiste en aumentar la temperatura de un medio de trabajo, puede ser un gas o incluso un liquido. Al calentar este se provoca una expansión del mismo dentro del motor. El medio se desplaza al otro extremo de la estructura para enfriarse donde se reduce o comprime de nuevo, y es este cambio de volúmenes y presión lo que activa el pistón el cual ejerce un trabajo sobre el motor. El motor es hermético por lo que siempre se utiliza el mismo medio en un circuito cerrado (no hay escape del medio de trabajo). 4.1 El ciclo Stirling Teórico está compuesto por dos evoluciones a Volumen constante y dos evoluciones isotérmicas, una a Q c y la segunda a Q f. Este queda ilustrado en la figura 4. 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. Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior. Figura 3: motor stirling tomado de http://www.ecotec2000.de/grafics/exp1.png Figura 4: ciclo teórico del Stirling tomada de: http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/st rlng1.htm 3
Etapa 1 Etapas del ciclo 1 En la etapa 1 el fluido se encuentra ocupando el pistón frío y una Tf esta actuando sobre el máximo volumen. Etapa 2 En la etapa 2 se extrae la cantidad de calor del cilindro por el lado frío, este proceso se realiza a temperatura constante, por eso al final se obtiene el volumen mínimo. Etapa 3 En la etapa 3 el fluido ha atravesado el regenerador absorbiendo una cierta cantidad de calor que se eleva hasta una temperatura Tc. Etapa 4 Se produce la expansión de gas hasta alcanzara un volumen máximo. Para ello se absorbe una cantidad de calor, de la zona a alta temperatura, en el paso de 3 a 4 es donde se obtiene el trabajo. Después pasaremos de nuevo a la posición 1, pasando otra vez por el regenerador pero Estévez se cederá calor. 1 C.A.T. Área de Máquinas y Motores Térmicos 2001; Universidad de Burgos. 4
5. ESTADO DEL ARTE. La utilización de este ciclo esta pasando por grandes estudios a nivel mundial, ubicándolo así como uno de los temas más investigados últimamente. Tiene aplicaciones practicas e industriales que van desde juguetes o souvenirs, hasta concentraciones novedosas para el aprovechamiento del calor interior de la tierra, aunque esto se conoce como energía geotérmica para que esta tenga una aplicación domestica necesita un yacimiento térmico de mínimo 20 grados centígrados, los mismos que aplicados en un ciclo Stirling pueden dar ventajas industriales, y además sin contaminación alguna. Un ejemplo claro sobre el interés mundial de este tema se esta llevando acabo en desierto Mojave donde se esta haciendo la construcción de la mayor planta solar del mundo, con discos parabólicos de 11m de diámetro, que usan el motor Stirling, con producción de 500 MW, que se venderán a Southern California Edison. La planta estará terminada en 2009. El rendimiento es del 29%, superior al de las plantas fotovoltaicas. Otro ejemplo claro es su utilización en submarinos en donde el ruido es una desventaja ya que este a diferencia de un motor diesel es muy silencioso con menos de 66db en pleno trabajo. Algunos ejemplos novedosos son: 2 2 http://www.ecotec2000.de/espanol/stir2.htm#top Agregado Sunmachine, Alemania, 2.5KWEL. Bomba de agua, aproximadamente 50w ( Stirling de baja temperatura. 6. CONCLUSIONES La utilización de estos motores traen grandes ventajas ya que al no realizar combustión sus partes no se dañan rápidamente, también por que cual quier cambio de temperatura puede producir su funcionamiento. Estos motores son de gran utilidad para diversos sectores de la industria sobre todo aquella donde el ruido sea una desventaja, ya que debido a que el motor no produce explosión se vuelve muy silencioso además no tiene vibraciones. 5
El motor Stirling através de su ciclo genera energía eléctrica mecánica y térmica. Queda bastante claro que un motor como estos puede suplir nuestras necesidades energéticas, llegando a ser una camino bastante viable para la solución de la crisis de los combustibles y a su vez cumple satisfactoriamente con el cuidado del entorno. REFERENCIAS [1]. Jesús Andrés Álvarez Flores; Ismael Callejón Agramunt; Sergi Forns Farrús; otros. Maquinas térmicas motoras-1 Primera edición; Ediciones upc 2002; Universidad Politécnica de Cataluña; paginas 391-436. [2]. Michael R. Samuels; Richard E. Balzhiser- termodinámica para ingenieros ; editorial Prentice hall.) http://www.ecotec2000.de/espanol/sti r2.htm#top http://www.psa.es/webesp/techrep/20 01/atr2001esp.pdf Desarrollo de motor Stirling http://mstirling.wordpress.com/2008/ 02/27 febrero 2008. 6