Modelación de un Motor Stirling tipo Gama para bajas entalpías

Modelación de un Motor Stirling tipo Gama para bajas entalpías

IV Conferencia Latinoamericana de Energía SolarXVII Simposio Peruano de Energía Solar

J. Ignacio Sánchez LIng. Roberto Román L. Dr. Ramón Frederick G.

Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Mecánica

IV ISES-CLA XVII SPES

Características

• Uso de distintas Fuentes de calor.

• Flexibilidad en gradientes térmicos.

• Bajo nivel de ruido.


Características

• Sistema cerrado.– Posibilita uso distintos

fluidos de trabajo.– Pocas partes móviles.– Baja Corrosión.

• Bajo nivel de emisiones.– Por alta eficiencia.– Por fuente de calor.


Características

• Baja complejidad– Mantención reducida.– Esfuerzos

constantes.– Manufactura simple.

• Autonomía.– Alta confiabilidad. – Uso en zonas

aisladas. Walker G., Stirling Engines, Oxford University Press 1980.


Ejemplos de uso

• Generación eléctrica con concentradores solares y Biomasa.


Potenciales usos en Chile

• Fuentes geotermales de baja temperatura.• Utilización eficiente de biomasa.• Utilización de calor de desecho en

industrias y cogeneración.


Funcionamiento motor Stirling

Etapa 1-2



Etapa 2-3



Etapa 3-4



Etapa 4-1


Tipos de Motores

Tipo Alfa Tipo BetaTipo Gama

H = Fuente CalienteR = RegeneradorC = Fuente fría1 = Espacio de expansión2 = Espacio de compresión


Parámetros de interés

• Fluido de trabajo:– Potencial aumento conversión de energía

según las propiedades del fluido

Aire Helio Hidrógeno

Cp [kJ/kgK] 1.00 5.19 14.05

ρ [kg/m3] 1.41 0.20 0.10

μ x10^-6 [kg/ms] 15.99 18.40 7.92

k x10^6 [kW/mK] 22.27 134.00 156.10

a 250 [K] y 1 [bar]

Walker, G. Stirling Engines, 1980

Presentación Tesis I - Julio 2009

Parámetros de interés

• Presión y Temperatura :• Relación directa con el aumento de trabajo

realizado.


Diseño del prototipo

• Prototipo tipo Gama.

• Dimensiones compactas

• Materiales comunes


Diseño del prototipo

• Parámetros iniciales para diseño de motor.

Tipo de Motor GammaFuente Caliente – Temperatura Resistencia eléctrica aletada – 170 [C]

Fuente Fría – Temperatura Agua en serpentín de cobre – 20 [C]

Regenerador - Porosidad Malla de Acero Inoxidable – 0.86Presión inicial 100[kPa]Gas de trabajo Aire

Eficiencia mecánica 80%Diámetro Nominal 30[cm]Desfase entre pistones 90[grad]

Altura 60 [cm]

Trabajo por ciclo Mayor a 4 [J]


Modelo Termodinámico y de Transferencia de Calor

• Uso de teoría de Schmidt– Funciones representativas.

• Uso de modelo Adiabático– En base a ecuaciones de estado y energía

diferenciales.– Análisis numérico.

• Adición de pérdidas a modelo adiabático– De carga– Mecánicas


Modelo Termodinámico y de Transferencia de Calor

• Eq. Ideal de los gases.• Intercambiadores de calor.• Regenerador .• Pérdidas de carga.• Sistema mecánico.

( )ext gas sQ A h T T

2

2

h

fr

A

uVP

d

2 2 2

2 2 2

( ( ) ( )

(

(

( ) ( )

2

)

)

e d d d d d d

p p p p p p p

c d d e p

v l r r cos l r sin A

v l r r cos l r sin A

v v vr A

( ))(1R r p wH wKQ m TTC ò


Caracterización del motor Diseñado

Pistón de potenciaDiámetro X Carrera [mm] 90X140

Vol. Espacio Compresión [cm3] 5743

Desplazador Diámetro X Carrera [mm] 250X110Vol. Espacio Expansión 5400

Sistema de enfriamiento

Tubos de cobre [mm] 19.05

N° vertical X N° Horizontal 3X1

Temperatura efectiva en gas 303

Sistema de Calentamiento

Tubos [mm] X aletas [mm] 10X5

N° vertical X N° Horizontal 4X1

Temperatura efectiva en gas 400

Altura regenerador[mm] 40Factor de compresión 1.16

Trabajo por ciclo [J] 5.3

Máxima potencia [W] / RPM19.6 / 220


Importancia del modelo

Aire, 1 Bar, 170 C

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250 300 350 400

RPM

Pot

enci

a [W

]

Schmidt Adiabático Adiabático con pérdidas

Potencia según RPM para los modelos utilizados en caso base para 1 y 4 [bar].

Aire, 4 Bar, 170 C

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300

RPMP

oten

cia

[W]

Schmidt Adiabático Adiabático con pérdidas


Temperaturas del sistema

0 50 100 150 200 250 300 350 400300

320

340

360

380

400

420

440

Ángulo de ciclo [°]

Tem

pera

tura

[K]Temperaturas del

sistema según ángulo de ciclo para 220 RPM

Razón de temperaturas efectivas Eficiencia de Carnot asociada ( )

Fuentes de calor 0.66 0.33

Muros de los intercambiadores 0.70 0.30

Gas en el sistema 0.80 0.20

/c hTT 1Carnot


Fluidos y Transferencia de calor

Eficiencia de Carnot para el fluido de trabajo,según RPM.

0.17

0.19

0.21

0.23

0.25

0.27

0.29

0.31

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

RPM

η C

arn

ot

aire helio hidrógeno


Perdidas de potencia para el fluido de trabajo, según RPM.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

RPM

Per

did

a d

e p

ote

nci

a [W

]

aire Helio Hidrógeno


Potencia según RPM

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

RPM

Po

ten

cia

[W]

Aire Helio Hidrógeno


Potencia según Presión de gas

0

50

100

150

200

250

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

RPM

Po

ten

cia

[W]

1 [bar] 2 [bar] 4 [bar]


Potencia Máxima según Presión y Temperatura

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5

Presión [bar]

Po

ten

cia

[W] aire Th=170

helio Th=170

HidrógenoTh=170aire Th=200

helio Th=200

HidrógenoTh=200


Conclusiones

• El utilizar un modelo termodinámico de segundo orden entrega información valiosa con miras a la construcción de un prototipo.

• La efectividad de los intercambiadores de calor resulta muy preponderante en la potencia obtenible en un motor de Ciclo Stirling.

• La utilización de fluidos de trabajo como Helio e Hidrógeno en el prototipo propuesto, proveen de mejoras en el desempeño debido a sus mejores propiedades de transferencia de calor y menor pérdida de carga.


Conclusiones

• Incrementando la presión y/o aumentar el gradiente de temperatura en el motor el uso de Helio o Hidrógeno aumenta aprovechamiento del recurso térmico.

• El diseño debe apuntar al manejo de presiones mayores a la ambiente y utilización de helio o hidrógeno como fluido de trabajo.

• Actualmente se está en etapa de construcción un prototipo creado a partir del diseño configurado en el presente trabajo.


Gracias

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