AVANCES EN EL DESARROLLO Y CONSTRUCCIN DE MQUINAS DE CICLO STIRLING

L. Scollo1,2, P. Valdez 1, J. Fritsch3, J. Barn1 1Grupo de Energa Solar - Instituto CEDIAC Facultad de Ingeniera Universidad Nacional de Cuyo

2Consejo Nacional de Investigaciones Cientficas y Tcnicas (CONICET) 3Escuela Nacional de Ingenieros de Metz (ENIM)

C.C.405 C.P. 5500 Mendoza - Tel. 0261-4135000 int 2108 e-mail: lscollo@cediac.uncu.edu.ar, pvaldez9@gmail.com, fritsch.julien@gmail.com

RESUMEN: El presente trabajo tiene como objetivo el diseo una mquina de ciclo Stirling mediante escalado y su posterior construccin, y ensayo. Se utiliza como herramienta de diseo termodinmico el programa de escalado de motores Stirling pem que permite la concepcin de un motor de forma gil y simple. Se detalla adems los resultados obtenidos mediante el diseo mecnico asistido por computadora del motor que minimiza los tiempos y errores de fabricacin y permite mejorar la comunicacin entre los diseadores y las personas del taller, facilitando el aporte de los mismos a las mejoras. Mediante esta tcnica ha sido posible reducir notablemente las prdidas a travs de las juntas, la mejora en sellos estticos y dinmicos y la configuracin geomtrica para minimizar espacios muertos. El ensayo preliminar como mquina frigorfica del motor construido muestra importantes mejoras respecto del anterior, logrando una temperatura de -23C luego de 9 minutos. Palabras clave: energa solar, termoelctrica, software, diseo, Stirling. INTRODUCCIN Mquinas de ciclo Stirling

Las mquinas trmicas de ciclo Stirling aparecen en stos tiempos cada vez con mayor frecuencia en trabajos de investigacin relacionados con energa renovable o uso racional de energa. Esto se debe a sus importantes ventajas comparativas segn el tipo de mquina trmica de que se trate. El motor

Como motor, presenta la gran ventaja de que al ser de combustin o alimentacin de calor externa es totalmente verstil en cuanto a la fuente energtica utilizada. Es por ello que se observan equipos accionados con biomasa, energa solar, y derivados del petrleo. Calefaccin La bomba de calor para calefaccin

Estos tipos de bombas son capaces transferir calor de una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor mediante el aporte de trabajo mecnico. Este principio es el utilizado por los equipos actuales de aire acondicionado, pero la desventaja de los mismos es que es necesario utilizar refrigerantes como HCFC (R-22), HFC y otros. Aqu, las bombas de calor de ciclo Stirling pueden tener una importante ventaja al utilizar como fluidos de trabajo aire, nitrgeno o helio, todos ellos sin perjuicio al medioambiente. En este sentido, resultan de gran inters las posibilidades de aplicacin del ciclo Stirling a bombas de calor geotrmicas, que absorben calor desde un serpentn enterrado y lo entregan al interior de un ambiente logrando coeficientes de performance (COP) de entre 2 y 5. La bomba de calor para refrigeracin

Las aplicaciones de mquinas de ciclo Stirling para refrigeracin son variadas y tienen importancia sobre todo a bajas temperaturas (menores a -20C) donde los ciclos tradicionales tienen bajo rendimiento. Sun Lean et al. (2009) presentan un refrigerador Stirling fabricado a partir de un compresor de aire con COP mximo mayor a 1 para temperaturas entre -20 y -60 C. En este trabajo se presenta el rediseo y los primeros resultados de un motor construido en base a la metodologa y las herramientas de diseo desarrolladas en Scollo y Valdez (2008). Adems se mencionan algunos aspectos mecnicos de importancia y las soluciones adoptadas al respecto. METODOLOGIA La metodologa de diseo utilizada es la detallada en el punto anterior. Luego del diseo termodinmico del equipo se realiz un estudio de diseo mecnico del mismo para solucionar problemas de estanqueidad y sellado. Con los datos de las experiencias prcticas se realimentarn las simulaciones. DISEO TERMODINMICO Escalado

El motor se ha diseado por el mtodo de escalado sealado en Scollo y Valdez (2008) con el programa ahora denominado PEM (Programa de Escalado de Motores Stirling) mostrado en la misma publicacin. Este programa ha sido desarrollado a partir de la metodologa propuesta en Organ A. J. (1997) e inspirado en la planilla de clculo GCC de Tom Gentry.

ASADES Avances en Energas Renovables y Medio Ambiente

Vol. 13, 2009. Impreso en la Argentina. ISSN 0329-5184

09.13

El motor tomado como prototipo base para realizar el escalado fue el SOLO V-161. El motor que se pretenda fabricar es de una potencia de alrededor de 500 W, con una presin media de 0.66 MPa para no superar el valor mximo con que funcionaba normalmente la mquina de base que es un compresor de aire bicilndrico. El volumen barrido tambin est fijado por la mquina base utilizada y es de 439.707 cm3. La velocidad angular se limit a 830 rpm por el mismo motivo, pero en estudios mecnicos posteriores se observ que puede llegar sin problemas a 1500 rpm, aumentando sin embargo notablemente la potencia perdida. A continuacin se inserta una captura del programa mencionado con los detalles del diseo actual del motor:

Denominacin de la mquina nueva cediac02

Elija el prototipo base (1-10) 2Prototipo elegido SOLO V-161Tipo de motor prototipo alfa bicil ndrico 90Punto de operacin max potencia

Concepto SmboloPotencia por circuito P W 0,00 W 428,22Wpresin de referencia pref 0,66 Mpa 6,60E+05 Pa 0,66 MpaVolumen barrido Vsw 439,707cm3 4,40E-04m3 439,71cm3frecuencia f 830 rpm 13,83 1/s 830,00rpmNmero de Beale Nb 0,10667 0,11 0,11ngulo de fase 90 90,00

1 Helio Tref 300 K

Resultado

Eleccin del Fluido de trabajo Temperatura de referencia

INGRESO DE DATOS

PROGRAMA PARA EL DISEO MOTORES STIRLING POR MEDIO DE ESCALADO

Punto de operacin Valores SIValores

Helio Nitrgeno

Hidrgeno

Aire

Eleccin del fluido

Figura 1: Captura de pantalla con los detalles de datos ingresados al programa de diseo. Los resultados del programa son las especificaciones de los intercambiadores que se muestran a continuacin:

TubularNmero de Tubos Tnxc

d 43

Longitud de tubos Lxcd 181 mm P 428,22 W

Dimetro de tubos d xc 3,45 mm pref 0,66 Mpa

Vsw 439,71 cm3f 830,00 rpmNb 0,11

Nmero de tubos Tnxed 10 alfa 90,00

Longitud de tubos Lxed 446,20 mm

Dimetro de tubos d xe 4,35 mm

Longitud del regenerador 54,256 mmRadio hidrulico de pasajes del regenerador 0,117 mmrea de flujo libre regenerador 2474,245 mm2Dimetro de alambres de la malla de regen. 0,211 mmNmero Mesh de la malla de alambre 1,874Nmero de capas de malla 128,824rea de mallas del regenerador 3585,863 mm2Dimetro de mallas del regenerador 67,570 mm

Intercambiador de expansin

RESULTADOS: ESPECIFICACIONES FINALES DE LOS INTERCA MBIADORES

Intercambiador de compresin Pto. Operacin

Regenerador

Figura 2: Captura de pantalla con las especificaciones finales de los intercambiadores

09.14

DISEO MECNICO Y CONSTRUCCIN Diseo 3D y verificacin mecnica de las piezas

El equipo diseado y simulado se dibuj en software de diseo mecnico para su posterior anlisis y construccin. La figura 3 muestra el resultado de la iteracin final en el arreglo geomtrico de los intercambiadores que se llev a cabo para lograr situar en el espacio la cantidad de tubos del diseo de manera de minimizar los espacios muertos que provocan disminucin del rendimiento de la mquina. Por otro lado, uno de los principales problemas en los motores Stirling es el relacionado con los sellos y las prdidas mecnicas producidas por las piezas que se encuentran en movimiento.

Figura 3: Diseo final 3D con el arreglo geomtrico de los intercambiadores especificados por el pem adaptado al

compresor de aire utilizado.

Al poner en rotacin el sistema, se consume energa de dos formas principales: la necesaria para contrarrestar la friccin y la energa necesaria para vencer la inercia. En el siguiente grfico se muestra la potencia mecnica consumida por el motor diseado en funcin de la velocidad de rotacin.

Velocidad de rotacin (rpm)

Figura 4: Grfico de Potencia mecnica consumida para vencer la inercia del motor en funcin de las rpm calculado segn

el diseo.

Se observa en la figura 4 que el sistema mecnico se encuentra sobredimensionado para la potencia que se desea obtener pues las prdidas son de alrededor de 200 W para la velocidad de diseo. En futuros trabajos se propone utilizar como base una

Intercambiador de compresin

Regenerador Regenerador Intercambiador de expansin

Extensin del cilindro de expansin

09.15

mquina ms ligera que un compresor de aire (motor de moto por ejemplo) o aumentar la potencia de diseo inicial hasta donde sea necesario para minimizar estas prdidas. Sellos dinmicos

Otro de los problemas importantes encontrados en trabajos anteriores es el de los sellos. Como se est trabajando con helio, este escapa fcilmente de los compartimentos. Por esto, se dise para este equipo un sistema de sellos especial para limitar las prdidas de gas de trabajo al exterior y las producidas entre el circuito trmico y el crter del motor. En cuanto al sello dinmico exterior se opt por un sistema combinado de dos retenes alojados en los extremos de una cmara de aceite. La cmara de aceite funciona como portarretenes y se coloc en el lugar vaco que normalmente exista entre los dos rodamientos del cigeal. El mismo se muestra en las figuras 5 y 6:

Figura 5: Vista en corte del sistema de sello dinmico del crter (der.) y foto de la pieza ya maquinada (izq.)

Figura 6: Vista explosionada de sello dinmico del eje.

En cuanto al sello de los pistones, en el equipo construido anteriormente y publicado en Scollo et al