Sistemas de cogeneraci�n con motor Stirling

Esta tecnolog�a no est� a�n completamente desarrollada y no tiene amplio espectro de aplicaci�n, sin embargo hay un inter�s creciente debido a ciertas ventajas:

• Perpectivas de altos rendimientos

• Buenas performances a cargas parciales

• Flexibilidad de coimbustibles

• Bajo nivel de vibraciones y ruidos

• Bajo nivel de emisiones

Quiz�s esta tecnolog�a no sea ampliamente conocida, en consecuencia es �til presentar los principios b�sicos de funcionamiento.

Principios b�sicos de los motores Stirling:

La primer patente se debe a Robert Stirling, un ministro escoc�s, en 1816.

El ciclo Stirling ideal, que es reversible, puede describirse con referencia a la figura siguiente. Se muestran las posiciones de los pistones en los cuatro puntos de estado extremos del ciclo. El proceso 1-2 es un proceso de compresi�n isot�rmica, durante el cual se extrae calor del motor a la temperaura de la fuente fr�a. El proceso 3-4 es un proceso de expansi�n isot�rmica, durante el cual se le adiciona calor al ciclo a la temperatura de la fuente caliente. Los proceso 2-3 y 4-1 son procesos de desplazamiento a volumen constante, en los cuales el fluido de trabajo (usualmente aire o una mezcla de helio y aire) pasa a trav�s de un regenerador. Durante el proceso 4-1, el gas cede calor al regenerador, para ser recuperado posteriormente durante el proceso 2-3. El regenerador mejora substancialmente la eficiencia del ciclo. Comprende una matriz de finos alambres, metal pororso o algunas veces, las superficies de la pared met�lica que encierran un espacio anular.

La combusti�n externa permite el uso de una variedad de combustibles: l�quidos, gaseosos, carb�n, productos de liquefacci�n o gasificaci�n del carb�n, biomasa, deshechos urbanos, etc. Es posible cambiar combustibles durante la operaci�n sin necesidad de parar el motor o hacer ajustes en el. Tambi�n se puede usar energ�a nuclear o solar como fuente de calor.

Configuraciones de motores Stirling:

Se dividen en tres grupos, conocidos como disposiciones alfa, beta y gama ver figura siguiente:

Los motores alfa tienen dos pistones en cilindros separados, conectados en serie por un calentador, un regenerador y un enfriador. Tanto los motores beta y gama usan disposiciones de pist�n desplazable. El motor beta tiene tanto el desplazador como el pist�n en el mismo cilindro, mientras que el motor gama usa cilindros separados.

En la siguiente figura se ilustra un motor de tipo alfa en una vista de secci�n transversal.

Los m�todos de accionamiento pueden dividirse en forma amplia en dos grupos: el cinem�tico el accionamiento de pist�n libre.

El accionamiento cinem�tica puede definirse como una serie de elementos mec�nicos tales como cig�e�al, ruedas de conexi�n y ruedas locas que se mueven juntos de modo de variar los espacios de trabajo de una manera prescripta. Ellos son considerados como de dise�o convencional.

Por otra parte, los accionamientos de pist�n libre usan las variaciones de la presi�n del gas de trabajo para mover elementos alternativos, el trabajo es obtenido mediante un dispositivo tal como un alternador lineal.

Las configuraciones alfa han sido pensadas principalmente para aplicaciones automotrices. Su principal ventaja esl el modo simple en el cual pueden componerse configuraciones multicil�ndricas compactas, permitiendo una extremadamente alta potencia espec�fica.

La configuraci�n beta es la cl�sica configuraci�n del motor Stirling y es la disposici�n original de este motor. Los motores de pist�n libre, inventado y desarrollado por William Beale en la Universidad de Ohio a fines de los a�os 60, son del tipo beta.

Los motores gama tienden a tener vol�menes muertos algo mayores que los de los motores alfa y beta. Esto conduce frecuentemente a una reducci�n de su potencia espec�fica. En consecuencia, se usan cuando las ventajas de tener cilindros separados contrarrestan la desventaja de potencia.

Desarrollos en la tecnolog�a del motor Stirling:

Inicialmente, la investigaci�n y desarrollo apunt� a los motores de autom�vil de potencias entre 3 y 100 Kw. Entonces, el esfuerzo se reorient� hacia motores de 1 a 1,5 Mw con una vida �til esperada de 20 a�os. Dado que la tecnolog�a se encuentra a�n en fase de desarrollo, no hay datos estad�sticos de confiabilidad y disponibilidad, pero se espera que sea comparable a la de los motores Diesel. El gas de trabajo opera en paso cerrado y no participa en la combusti�n. As�, las partes en movimiento del motor no est�n expuestas a los productos de la combusti�n, como resultado, el desgaste producido es comparado con un motor de combusti�n interna. Sin embargo son necesarios sellados especiales para evitar p�rdidas de gas de trabajo a alta presi�n y su p�rdida al medio ambiente, as� como del lubricante que pasa del cig�e�al al lado interior del cilindro. Una de las dificultades t�cnicas encontradas hasta ahora es la construcci�n de sellos efectivos de larga vida.

El motor de pist�n libre mencionado m�s arriba ha evolucionado como una soluci�n a los problemas de sellado. El pist�n libre con un alternador lineal adosado puede ser sellado herm�ticamente de modo de contener el gas de trabajo durante extensos per�odos, y el gas de trabajo mismo sirve de lubricante. El pist�n realiza una oscilaci�n arm�nica, que produce la compresi�n y expansi�n del gas, mientras que un desplazador sirve para mover el gas entre los intercambiadores fr�o y caliente. En la actualidad, la potencia de estos motores est� restringida a unas decenas de Kw. Su caracter�stica es la buena adaptaci�n a aplicaciones de micro cogeneraci�n.

Performance de sistemas de cogeneraci�n con motor Stirling:

El ciclo Stirling tiene la capacidad de tener m�s altas eficiencias que la de los ciclos Ranking y Joule, debido a que se aproxima m�s al ciclo de Carnot. Habitualmente, el rendimiento el�ctrico es del orden del 40 % y se espera un incremento al nivel del 50 %. En particular, los motores de pist�n libre para micro cogeneraci�n tienen rendimientos el�ctricos del 30 al 35%. La eficiencia total de sistemas de cogeneraci�n con motores Stirling est� en el rango del 65 al 85% y la relaci�n Sk es de 1,2 a 1,7.

Adecuadamente dise�ados, los motores Stirling tienen dos carreras de potencia por revoluci�n, en suma, la combusti�n es continua. Esta caracter�stica lo hace de marcha muy suave, con niveles de vibraci�n menores que los del motor de combusti�n interna. La combusti�n continua produce menores niveles de ruido y emisiones

En la tabla siguiente se pueden comparar las tecnolog�as:

Sistema	Potencia el�ctrica	Disponibilidad anual media	Eficiencia el�ctrica		Eficiencia total	Sk
		Mw	%	Carga 100%	Carga 50 %	%	-
Turbina de vapor	0,5 - 100	90 - 95	14 - 35	12 - 28	60 - 85	0,1 - 0,5
Turbina de gas en ciclo abierto	0,1 - 100	90 - 95	25 - 40	18 - 30	60 - 80	0,5 - 0,8
Turbina de gas en ciclo cerrado	0,5 - 100	90 - 95	30 - 35	30 - 35	60 - 80	0,5 - 0,8
Ciclo combinado Joule-Rankine	4 - 100	77 - 85	35 - 50	25 - 35	70 - 88	0,6 - 2,0
Motor Diesel	0,07 - 50	80 - 90	35 - 45	32 - 40	60 - 85	0,8 - 2,4
Motor de combusti�n Interna compacto	0,015_2,0	80 - 85	27 - 40	25 - 35	60 - 80	0,5 - 0,7
Celdas de combustible	0,04 - 50	90 - 92	37 - 45	37 - 45	85 - 90	0,8 - 1,0
Motor Stirling	0,003-1,5	85 - 90	35 - 50	34 - 49	60 - 80	1,2 - 1,7

Espacio de compresi�n

Espacio de expansi�n

Regenerador

Desplazamiento

Desplazamiento

Desplazamiento

Espacio de compresi�n

Compresi�n

Expansi�n

Espacio de expansi�n

Q sal

Q ing

Enfriador Regenerador Calentador

Enfriador Regenerador Calentador

Enfriador Regenerador Calentador

Espacio de compresi�n

Espacio de Expansi�n

Pist�n desplazador

Motor alfa

Motor beta

Motor gama

Motor beta

Pist�n desplazador

Espacio de compresi�n

Espacio de expansi�n

Espacio de salida

Pist�n de compresi�n fr�o

Pist�n de expansi�n caliente

Cig�e�al presurizado, volumen a presi�n media de carga

Calentador, aprox 700 �C

Enfriador, aprox 20�C

Regenerador

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