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Universidad Privada del Norte Fisica II (2018) - 3562

Análisis Teórico y Experimental Del Ciclo De Stirling Tipo Beta Y Su Posible Implementación Para La Obtención De Energía Eléctrica.

Enrique Dobbertin Sanchez1 (17171717) segundo.dobbertin@upn.pe; Alan Guzmán Arana2 (12131415) alan.guzman@upn.pe.

Universidad Privada del Norte Departamento de Estudios Generales - Ciencias.

Fecha 26/02/18.

La investigación propuesta, busca aportar al estudio termodinámico teórico y experimental so- bre el ciclo de Stirling tipo beta. Además, mediante dicho estudio poder plantear las bases para poder implementar el sistema como una alternativa para la obtención de energía eléctrica. Por ello, este estudio busca abordar el tema mediante la construcción de un prototipo del motor de Stirling tipo beta ya que en la actualidad se buscan motores que disminuyan emisiones tóxicas, fortalezcan el cuidado hacia el medio ambiente, y sobre todo sea rentable en la actualidad. La presente investigación se realizó, en dos etapas una de recopilación de información y otra de desarrollo experimental, en la primera etapa se pudo formar las bases teóricas y antecedentes que permitieron el avance del proyecto, en la etapa de desarrollo experimental se realizó la construcción del prototipo y el análisis del mismo obteniendo una eficiencia experimental del

1. % y una eficiencia teórica del 7.2 % lo cual concluye que el diseño estudiado cumple con las características de aproximar la eficiencia del ciclo Stirling a la del ciclo de Carnot por lo que esto demuestra que si puede ser considerado como una alternativa para la obtención de energía eléctrica, de la misma manera servirá de antecedente para otros investigadores que desean realizar estudios similares.

Keywords: Ciclo Stirling, Estudio Termodinámico, Energía Eléctrica.

1. Introducción

Toda la energía que generamos la transformamos en ener- gía eléctrica. Uno de los problemas que afrontamos es que es- ta energía no se puede almacenar ya que se disipa rápidamen- te. Por lo tanto, tras producirse ha de ser llevada al punto de consumo (hogares, industria, etc.). Si no se utiliza se desper- dicia por lo que se intenta ajustar la producción a la demanda. De forma que el consumidor siempre tenga a su disposición, pero intentando reducir el desperdicio al máximo posible, pe- ro a pesar de ello siempre queda un ligero excedente, actual- mente podemos producir la energía necesaria para estas ac- tividades, pero el futuro no es tan alentador. Cada tres años la población mundial se estima que se incrementara en 300 millones de personas, 1 % de crecimiento anual promedio, el 95 % del incremento de la población mundial se dará en los países en desarrollo, por lo que el crecimiento de la demanda energética, acompañado de un crecimiento en nivel económi- co, provendrá fundamentalmente de los países en desarrollo, impulsado por gigantes emergentes como china e india, por lo que El WEF (World Economic Forum) afirma que “vale la

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1Asesor, 2Estudiante.

pena” el esfuerzo por lograr una forma de producir energía que sea sostenible y segura, cuando en realidad es obligatorio si no queremos que se vean afectados sectores como la dispo- nibilidad laboral, la productividad económica y la calidad de vida de la población. (WEF, 2017) En este 2017 La Organiza- ción de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) ha afirmado recientemente que la demanda de energía global primaria au- mentará en un 40 por ciento o 108,2 millones de barriles de petróleo equivalente por día (mbpe/dia) hasta el año 2040. El aumento más acusado se registraría en los países en vías de desarrollo. (OPEC, 2017). En el Perú En junio del 2017, la producción nacional de energía eléctrica aumentó 3,9 % en relación al mismo mes de 2016, al alcanzar un total de

4.283 GW.h (Gigavatios.hora), informó la Dirección General de Electricidad del Ministerio de Energía y Minas (MEM), Con ese resultado, la producción acumulada en el primer se- mestre de este año fue de 26.227 GW.h, lo que representó un incremento de 2,2 % comparado con el mismo periodo de 2016, jugando un papel importante la generación hidroeléc- trica. (El comercio, 2017) Segundo el MEM al finalizar el año 2015, se han estimado que el 93.3 % a nivel Nacional cuenta con servicio eléctrico, de los cuales en el sector rural solo se ha abarcado el 78 %. (PNER, 2016) Estos datos nos llevan a pensar que el creciente consumo energético en el Pe-

1

2        DOBBERTIN, GUZMÁN, ORTECHO

rú está según lo planteado por las grandes proyecciones antes mencionadas, pero el Perú presenta en la actualidad grandes problemas energéticos, como el sucedido este pasado 09 de Julio a las 9:03 pm donde las ciudades de Arequipa, Tacna, Cusco, Apurímac y Puno. se vieron afectadas por un corte del servicio de luz. (ELECTRO SUR ESTE, 2017). Frente a este panorama, se desarrolló un Estudio termodinámico teó- rico y experimental sobre el ciclo de Stirling y su aplicación en la obtención de energía eléctrica basados en un sistema de tipo beta, el cual planteamos será de considerable trascenden- cia en la implementación de producción eléctrica privada en empresas de consumo energético elevado, en 1816 donde el escocés Robert Stirling patentó un motor que funcionaba con aire caliente, al cual llamó Stirling motor en donde se reali- zaban 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 calde- ra. Fue un tipo de motor bastante común en su época, sobre todo para pequeñas máquinas de uso doméstico tales como ventiladores, bombas de agua etc.; su potencia específica no era muy elevada, pero su sencillez y bajo ruido eran magní- ficos, con la aparición del motor de combustión este motor fue perdiendo importancia, pero a inicios del siglo XX, la compañía Philips, de Holanda, empezó a investigar de nue- vo a este motor. En la actualidad, con la crisis ambiental en el mundo, se buscan motores que disminuyan las emisiones tóxicas, y es por eso que el motor Stirling vuelve a desper- tar interés; los nuevos materiales y las técnicas de ingeniería avanzadas de hoy plantean la posibilidad de retomar la idea de aquel visionario del siglo XIX. (Ureli, 2008). Además, pa- ra el desarrollo del presente estudio, abarcaremos el tema de los procesos termodinámicos ya que en el ciclo de Stirling se efectuará la expansión isotérmica, el enfriamiento isocórico, la comprensión isotérmica, y el calentamiento isocórico del gas de trabajo. A diferencia de otros ciclos como el de Otto, el de Diesel, o Bryton, el ciclo de Stirling suele utilizar aire u otro gas como fluido de trabajo y se caracteriza por ser muy parecido al ciclo ideal de Carnot, y que por tanto es eficiente y alcanza el máximo rendimiento que permite el Segundo Principio de la Termodinámica. (Ureli, 2008).

1. Metodología

El diseño del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los cambios de volumen del fluido de trabajo como resul- tado de las variaciones de temperatura que éste sufre. Estos cambios volumétricos se deben al desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente y la zona fría en un cilindro cerrado. Los motores del tipo Stirling clásicamente se divi- den según su configuración de los espacios de compresión  y expansión en las siguientes tres configuraciones (Thomba- re,2006): Alpha, Beta y Gamma, En la primera configuración los pistones se encuentran separados en dos cilindros diferen- tes, los que están conectados por medio de un regenerador,

aun siendo los de diseño más simple tienen el problema de mantener el fluido de trabajo dentro de los cilindros, debido a que ambos pistones se encuentran expuestos al exterior, la segunda utiliza un arreglo que posibilita la inclusión de am- bos pistones dentro del mismo cilindro y utilizando el mismo eje de para su movimiento, el problema que supone este ti- po de sistema es la complejidad asociada a la coordinación de los movimientos de ambos pistones. La tercera y última es similar a la configuración beta, pero con los pistones en cilindros separados, de manera que la compresión ocurre en la conexión existente entre cilindros, siendo uno de los más simples constructivamente.

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Figura 1 - Diagrama termodinámico P-V con el uso del regenerador

El ciclo del motor Stirling teórico, se compone de cuatro etapas que forman un ciclo cerrado. Estas etapas son (Fig. 1): una compresión y expansión isotérmicas (1-2 y 3-4), un aumento y disminución de la presión a volumen constante (2-3 y 4-1). Entre los puntos 4 y 2 el sistema expulsa calor hacia el sumidero frío (Qrg+Qf), y entre los puntos 2 y 4   el sistema absorbe calor desde la fuente caliente (Qrg+Qc). Gracias al regenerador se puede recuperar el calor Qrg, que no genera trabajo, desde la etapa 4-1 y entregándolo en la etapa 2-3, aumentando así, la eficiencia del sistema. Como el área encerrada tiene relación directa con el trabajo gene- rado, mientras mayor sea el salto entre las temperaturas del fluido en la fuente caliente y el sumidero frío (gradiente de temperatura), mayor será el trabajo útil. Así también, para un motor con una diferencia de presiones mínima y máxima mayor, se tendrá el mismo efecto. Por otra parte, el regenera- dor como se hace notar en la figura 1 disminuye la necesidad de aporte de calor externo al recuperar el calor expulsado en 4-1. Si el regenerador fuese perfecto y las evoluciones 1-2 y 3-4 isotermas, se podría alcanzar el rendimiento de Carnot, de ahí la importancia de este elemento en el sistema Stirling. (Sánchez, 2010) Por consiguiente, si el regenerador es 100 % eficiente, el motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot. En este proyecto presentamos un es- tudio teórico y experimental sobre el ciclo termodinámico de Stirling tipo beta, y verificar su rendimiento energético,

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