Modelación de un Motor Stirling tipo Gama para bajas entalpías
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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.
IV ISES-CLA XVII SPES
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.
IV ISES-CLA XVII SPES
Características
• Baja complejidad– Mantención reducida.– Esfuerzos
constantes.– Manufactura simple.
• Autonomía.– Alta confiabilidad. – Uso en zonas
aisladas. Walker G., Stirling Engines, Oxford University Press 1980.
IV ISES-CLA XVII SPES
Ejemplos de uso
• Generación eléctrica con concentradores solares y Biomasa.
IV ISES-CLA XVII SPES
Potenciales usos en Chile
• Fuentes geotermales de baja temperatura.• Utilización eficiente de biomasa.• Utilización de calor de desecho en
industrias y cogeneración.
IV ISES-CLA XVII SPES
Funcionamiento motor Stirling
Etapa 1-2
IV ISES-CLA XVII SPES
Funcionamiento motor Stirling
Etapa 2-3
IV ISES-CLA XVII SPES
Funcionamiento motor Stirling
Etapa 3-4
IV ISES-CLA XVII SPES
Funcionamiento motor Stirling
Etapa 4-1
IV ISES-CLA XVII SPES
Funcionamiento motor Stirling
IV ISES-CLA XVII SPES
Tipos de Motores
Tipo Alfa Tipo BetaTipo Gama
H = Fuente CalienteR = RegeneradorC = Fuente fría1 = Espacio de expansión2 = Espacio de compresión
IV ISES-CLA XVII SPES
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.
IV ISES-CLA XVII SPES
Diseño del prototipo
• Prototipo tipo Gama.
• Dimensiones compactas
• Materiales comunes
IV ISES-CLA XVII SPES
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]
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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]
IV ISES-CLA XVII SPES
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
IV ISES-CLA XVII SPES
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.
IV ISES-CLA XVII SPES
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.
IV ISES-CLA XVII SPES
Gracias