INTRODUCCIÓN:

El Motor Stirling fue inventado 1816 por Robert Stirling, reverendo de origen escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico.

Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera).

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. El ciclo teórico Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto, además el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos, mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales, conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión.

Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante).

PROBLEMÁTICA

En el Puerto de Dos Bocas Tabasco hay quemadores de gas prendidos todo el día, este gas no tiene ninguna utilidad más que ser desechado, ya que es tanto el volumen que se genera que no es factible almacenarlo.

La idea es implementar el uso de un motor Stirling (combustión interna) para aprovechar ese gas desperdiciado que como se explicó su funcionalidad se centra en convertir el gas en energía eléctrica,

La energía utilizada en el puerto es muy grande, la cual multiplica por $10 (valor del diésel) da un coste millonario que dejaría de generarse con la instalación del motor.

Así mismo se pretende acondicionar el funcionamiento del motor, para que la salida de la corriente se amplifique y sea la necesaria para proporcionar energía a todo el puerto, transformando la energía calorífica del gas a energía mecánica, se generaría la energía eléctrica; que son los 30 millones de mega watts diarios que se consumen en el puerto, basándonos en la gran cantidad de gas natural que se utilizará como combustible para que el motor Stirling haga su función a partir de los 5 millones de pies cúbicos promedio o más que a diario se queman, realizando una efectiva instalación con las dimensiones necesarias para toda la planta de energía.

El gas natural de los yacimientos hidrocarburíferos tiene como función cumplir con funciones específicas como mantener la vida de los pozos petroleros, mover equipo y transformarlo en productos de valor agregado, decir, como combustible. El gas natural como producto comercializable es básicamente gas metano, el más ligero de los hidrocarburos, aunque cuando sale del pozo viene combinado con múltiples compuestos que deben ser retirados.

OBJETIVO

El propósito de este trabajo es demostrar que el gas natural ha sido durante décadas un subproducto indeseable de la industria del petróleo del que había que deshacerse quemándolo a la atmósfera. Fue así que cambiamos una enorme riqueza nacional por contaminación y calentamiento global.

Aun hoy en día, la política nacional sobre el gas natural es contradictoria, ya que a pesar de tener muy bajas reservas de este recurso, se pretenden obtener producciones record para exportarlo, mientras que en muchos pozos se sigue desperdiciando.

En este proyecto el gas que sale de los pozos petroleros será bien utilizado como combustible para hacer funcionar un motor Stirling que generará energía capaz de transformarse y así abastecer el consumo de energía eléctrica en la zona del puerto de “Dos Bocas”, estamos hablando de 30 millones de megawatts diarios, dentro de los beneficios de esta innovación, estaremos aprovechando los millones de pies cúbicos de gas que diariamente son quemados y soltados a la atmósfera en el puerto, que van de los 5 millones de pies cúbicos promedio a diario hasta los 45 millones de pies cúbicos en días extremos y así como un beneficio económico de auto-solventar el consumo de la energía eléctrica del puerto, ahorrándose así el dinero que Petróleos Mexicanos paga por esa energía.

HIPÓTESIS

Partiendo del estudio previo acerca del funcionamiento de un motor Stirling, sabemos que el motor Stirling es capaz de aproximarse al rendimiento teórico conocido como “rendimiento de Carnot”, que en lo que a motores térmicos se refiere, este es la mejor opción.

El motor Stirling tiene como principio fundamental realizar el trabajo gracias a la expansión y compresión de un gas; Si utilizamos el gas natural que se extrae de los pozos petroleros, este cumplirá perfectamente con la función de combustible para el motor Stirling y así transformaríamos la energía calorífica dentro del proceso termodinámico del motor a energía mecánica como resultado. El motor Stirling al producir energía mecánica es un equipo capaz de transformar esa energía a energía eléctrica mediante un alternador (máquina eléctrica que transforma energía mecánica a eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética).

Enunciando:

“Los millones de pies cúbicos de gas natural desperdiciados que son arrojados a diario a la atmósfera en los quemadores del puerto de Dos Bocas, Tabasco, serán suficientes como combustible para un motor Stirling de gran dimensión que

transformará la energía calorífica del proceso a energía mecánica que resultado del motor y mediante un alternador se producirá energía eléctrica, la cual ocuparemos para solventar todo el consumo de electricidad dentro del mismo puerto, así evitaremos que la empresa de Petróleos Mexicanos pague por este servicio y el gas que es extraído de los pozos sea aprovechado con fin altamente económico.”

DEFINICIONES

Principio de funcionamiento. El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor.

Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

Funcionamiento de nuestro motor Stirling: En nuestro diseño, aplicamos calor en la parte inferior, y frío en la parte superior a un recipiente hermético que contiene el medio de trabajo (aire), y un pistón desplazador, para mover el aire de una zona del recipiente a otra.

Al aplicar calor a la base del recipiente, y con el pistón desplazador en la parte opuesta (arriba), aumenta la temperatura del aire, por lo que según la Ley general de los gases “aumenta la presión, empujando una superficie elástica, mediante la cual conseguiremos movimiento”.

Este movimiento de la superficie elástica se transmitirá a un cigüeñal, que a su vez irá conectado al pistón desplazador con el ángulo de noventa grados, de forma que, al subir la superficie elástica el pistón desplazador baje y desplace el medio de trabajo de la parte caliente del recipiente a la parte fría, lo que hará que disminuya el volumen y la presión del medio de trabajo, por lo que la superficie elástica volverá a su estado inicial, completando el recorrido del cigüeñal.

Al volver a la posición inicial, volverá a subir el pistón desplazador, desplazando el medio de trabajo de nuevo a la parte caliente del recipiente, aumentando su volumen, la presión, y repitiendo el proceso.

El ciclo termodinámico del motor Stirling se compone de:

Dos procesos isotermos (se mantiene constante la temperatura).Dos procesos isócoros (se mantiene constante el volumen).

Si partimos por ejemplo de la situación en la que el pistón desplazador se encuentra en la posición más baja, el aire se encontrará por competo en la cámara fría del cilindro, supongamos pues que esas condiciones son de temperatura T1, volumen V1 y presión P1. Ahora el pistón desplazador comienza subir y en consecuencia el aire comienza a ser enviado a la parte caliente del cilindro, se supone que este proceso se hace a volumen constante y por lo tanto cuando ya está todo el aire en la parte caliente las condiciones son de volumen V1, de temperatura T2 (mayor que T1) y de presión P2 (mayor que P1). El aire, al estar más caliente y con mayor presión comienza a expansionarse generando trabajo mecánico, al expandirse su volumen pasa a ser V2 (mayor que V1) y su presión desciende a P3 sin embargo mantiene su temperatura T2.

Llegado este punto el pistón desplazador comienza de nuevo su recorrido descendente y envía de nuevo todo el aire a la parte fría del cilindro sin cambiar el volumen, la temperatura baja a T1 y la presión a P4. Por último volvemos al punto de partida del ciclo al comprimirse el aire manteniendo su temperatura T1 y reduciendo su volumen a V1 y con presión P1. De esta manera comienza el ciclo de nuevo.

Cuanto mayor sea el área del ciclo mayor es la potencia del motor.

De lo que se puede deducir que a mayor diferencia de temperaturas entre el foco mayor es la distancia entre las dos isotermas y por lo tanto mayor es la potencia del motor, esto es precisamente lo que queremos demostrar en nuestro experimento que posteriormente describiremos.

EL REGENERADOR

El motor de Stirling dispone de un dispositivo denominado regenerador. Actúa como un sistema que almacena energía en cada ciclo. El calor se deposita en el regenerador cuando el gas se desplaza desde el foco caliente hacia el foco frío disminuyendo su temperatura. Cuando el gas se desplaza desde el foco frío hacia el foco caliente el regenerador suministra energía al gas aumentado su temperatura.  

Podemos explicarlo de la siguiente manera:

Se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco frío, el gas deposita el calor en el regenerador, disminuyendo su temperatura.

Se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco caliente, el gas retira el calor depositado en el regenerador, aumentando su temperatura. A medida que la temperatura se incrementa la presión del gas se incrementa, y el sistema vuelve a su estado inicial.

Por tanto, debido al papel del regenerador, el calor absorbido en el ciclo completo no es

Q abs =Q 34 +Q 41 =(nRT 2)( lnV 2 / V 1)   +nc v (T 1 −T 2 )

Sino:

Q abs =Q 23 =(nRT 2) (lnV 2 / V 1)

Como se ha mencionado el regenerador conduce internamente el calor cedido en el proceso, para que se absorba.

Por lo tanto:

El rendimiento del ciclo es:

η=W   /Q   abs       =T   1   −T   2   /   T   1       =1−(T   2   /   T   1)  

EXPLICACION DE RENDIMIENTO

Dónde:

W es el trabajo obtenido

Qc el calor que fluye del foco caliente al frío (en el gráfico Qf es la parte del calor que llega al foco frío y que no puede ser transformada en trabajo).

El trabajo neto será el debido a la expansión y compresión isotérmicas, puesto que durante los procesos isocóricos no se realiza trabajo. Para un gas ideal se calcula como:

El rendimiento de un motor térmico es la porción de energía calorífica que es transformada en energía mecánica. Entendiendo que el calor es la energía que fluye entre dos focos a distinta temperatura podemos poner pues que:

Dónde: y son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan, y las temperaturas de las fuentes caliente y fría respectivamente. Definiendo la relación de compresión y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a:

.

El gas sólo absorbe calor durante dos etapas: el calentamiento a volumen constante y la expansión isotérmica. Para un gas ideal esto representa

.

En la práctica es común el uso de regeneradores, que permiten almacenar el calor cedido por el gas durante el enfriamiento a volumen constante para luego devolverlo al sistema durante el proceso de calentamiento. Si bien ambas cantidades son iguales en módulo, puesto que se tratan de procesos isocóricos entre las mismas dos temperaturas, el regenerador no es perfecto y parte de esa energía se pierde. Definiendo su eficiencia como:

Se obtiene

.

Finalmente el rendimiento total de la máquina resulta

.

Lo ideal, evidentemente sería un motor con rendimiento 1 (esto es, del 100%) de manera que todo el calor se transformase en trabajo y nada se “desperdiciase”, sin embargo existe un principio físico que demuestra que esto es no sólo prácticamente sino también teóricamente imposible y a lo máximo que se puede llegar en teoría es a tener un rendimiento de que sigue esta expresión:

Dónde: Tf y Tc son las temperaturas del foco frío y caliente respectivamente

Como es obvio deducir, para que el rendimiento sea lo más próximo a 1 necesitaríamos llevar al infinito la temperatura del foco caliente, lo cual es imposible. Por lo tanto nos tenemos que conformar con rendimientos menores del 100% siempre.

Para entender un poco más profundamente el funcionamiento del motor, definiremos algunos conceptos básicos:

LEY GENERAL DE LOS GASES: Es una ley de los gases que combina la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac. Estas leyes matemáticamente se refieren a cada una de las variables termodinámicas con relación a otra mientras todo lo demás se mantiene constante.

LEY DE BOYLE: Formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante. La ley dice que:

“A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que este ejerce”

Dónde: es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.

La presión ejercida por una fuerza física es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su temperatura se mantenga constante.O en términos más sencillos:

Cuando aumenta la presión, el volumen baja, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. No es necesario conocer el valor exacto de la constante para poder hacer uso de la ley: si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:

Dónde:

Ley de Charles: En esta ley, Jacques Charles dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye.

O también:

Dónde:

V es el volumen. T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin). k2 es la constante de proporcionalidad.

Además puede expresarse como:

Dónde:

= Volumen inicial= Temperatura inicial= Volumen final

= Temperatura final

Por lo tanto, para obtener la ley general de los gases:

Por otro lado, Gay-Lussac relacionó la presión y la temperatura como magnitudes directamente proporcionales en la llamada "La segunda ley de Gay-Lussac".

Volumen sobre temperatura: Kelvin

Ley de Boyle establece que el producto presión-volumen es constante:

Ley de Charles muestra que el volumen es proporcional a temperatura absoluta:

Ley de Gay-Lussac dice que la presión es proporcional a la temperatura absoluta:

Donde P es la presión, V el volumen y T la temperatura absoluta de un gas ideal.

Mediante la combinación de (2) o (3) podemos obtener una nueva ecuación con P, V y T.

Definiendo el producto de K2 por K3 como K4 :

Multiplicando esta ecuación por (1):

Definiendo k5 como el producto de k1 por k4 reordenando la ecuación:

Sacando raíz cuadrada:

Renombrando la raíz cuadrada de k5 como K nos queda la ecuación general de los gases:

Dónde:

P es la presión V es el volumen T es la temperatura absoluta (en kelvins) K es una constante (con unidades de energía dividida por la

temperatura) que dependerá de la cantidad de gas considerado.

PROCESO ISOTERMICO

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de Capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco calórico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.

PROCESO ISOCORO

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:

Dónde: P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

FORMULA PARA CONVERTIR LOS DATOS DEL MOTOR A ENERGIA

Recordemos que la eficiencia se define como:

ε=Eficiencia= Energia en forma requeridaEnergiade entrada

En nuestro caso Eficiencia=rendimiento (n)

ε=WQc

=Qc−QfQc

=[1−QfQc ]×100

Recordemos también que una máquina térmica ideal alcanza su eficiencia más alta si sigue un ciclo de Carnot, ciclo ideal, en cuyo caso se cumple que:

QfQc

=TfTc

Con lo cual:

εideal=WQc×100=Qc−Qf

Qc×100=[1−QfQc ]×100=[1−TfTc ]×100

Se cumplirá que:

εstirling<εideal=[1−TfTc ]×100Así podremos despejar las formulas anteriores para conocer la energía

DISEÑO DEL PROYECTO

El motor Stirling como tal, será comprado: Las especificaciones serán dadas al proveedor para evitar que el motor presente alguna obstrucción en su funcionamiento al momento de acondicionarlo en la maqueta.

La representación completa se hará, generando una maqueta del Puerto Dos Bocas, Veracruz.

Creando los quemadores correspondientes, acondicionando el motor a estos y posteriormente haciendo circular la energía eléctrica generada hacia las viviendas o elementos que se sitúen en la maqueta.

Diseños de referenciales al deseado.

Componentes del Motor Modelo físico

FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los

cambios volumétricos del fluido de trabajo como resultado de los cambios 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.

A continuación se explicará el funcionamiento del motor con la ayuda de una serie

de diagramas:

3. Si el proceso del estado 1 se repite, pero ahora uniendo el émbolo a una

volante. El incremento de la presión forzará al émbolo a moverse ocasionando el

giro de la volante, con lo cual se consigue que el “cambio volumétrico” se

transforme en movimiento.

1. Si se tiene aire encerrado en un cilindro y luego se

calienta, se observa que la presión dentro del cilindro

se incrementa. Se asume que una de las tapas del

cilindro es un émbolo y que éste es hermético;

entonces habrá una expansión del gas y aumentará el

volumen interior del cilindro hasta cierta posición final

del émbolo. 2. Si al mismo cilindro, en su estado de

expansión, se enfría rápidamente, la presión

disminuye; entonces, el volumen se contrae y la

posición del émbolo vuelve al estado inicial.

4. Si se repite el proceso del estado 2, enfriando rápidamente, el pistón retorna por

efecto del movimiento de la volante y se produce la disminución de la presión y el

volumen.

5. Si se juntan los procesos 3 y 4, en un solo cilindro, con un desplazador, se

producirá el movimiento del motor debido a la expansión del gas, y, durante la

compresión el pistón retornará a su posición debido a la energía de la volante.

Con lo anterior se ha explicado el principio de funcionamiento del motor Stirling.

Descripción de los componentes de un motor Stirling

Un motor Stirling está compuesto, generalmente, de las siguientes partes:

Zona caliente

Esta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por

consiguiente, estará sometido a altas temperaturas (alrededor de 800ºC). Los

materiales a utilizar para su fabricación deberían ser materiales resistentes al

CREEP. Se podría utilizar acero inoxidable autentico, acero al Cr-Mo, etc.

Esta parte puede ser de varias formas. Su forma más simple es cuando no hay

ningún tipo de presurización dentro del cilindro, ésta puede ser un cilindro con una

tapa plana, como se muestra en la figura 2.7. Esta configuración la podemos

adoptar en motores pequeños y experimentales que no estén presurizados.

En el caso que se desee presurizar el cilindro del motor Stirling, debería tener una

forma de tal manera que aumentemos el área de transferencia de calor, debido a

que la cantidad de fluido de trabajo que se requiere calentar es mayor (debido a la

presurización).

El diseño de la zona caliente varía de acuerdo al fluido de trabajo a utilizar, esto es

debido a las propiedades del fluido. Por ejemplo, el He tiene una conductividad

térmica de seis veces la conductividad del aire, por esta razón el diámetro interno

de los tubos de la zona caliente debería ser mas pequeño si utilizamos aire como

fluido de trabajo, esto es para hacer más eficiente la transferencia de calor debido

a la baja conductividad térmica del aire. Un motor diseñado para utilizar aire, si

funciona eficientemente utilizando He y H2 , pero no ocurre lo contrario.

Las configuraciones mostradas anteriormente nos dan una idea para diseñar esta

parte del motor Stirling, para la aplicación que deseemos, esto no quiere decir que

tiene que ser de la misma forma como se muestran en las fotografías, sino de

captar la esencia de esto y hacerlo de la forma más conveniente para la

configuración del motor Stirling a utilizar, sin aumentar mucho el volumen muerto.

Zona fría

En esta parte se extrae calor del motor. La extracción de calor puede realizarse

por convección libre o forzada. En el caso que sea libre, ésta puede realizarse

mediante la colocación de aletas de aluminio para disipar rápidamente el calor.

En el caso de una refrigeración forzada, ésta se realiza acondicionando una

camiseta de agua. Esta parte puede hacerse de acero inoxidable, fierro fundido,

aluminio, cobre, etc.

Estos dos últimos materiales se pueden utilizar en motores de baja potencia o

experimentales, ya que en motores de alta potencia sería necesario un mayor

espesor de éstos, y el costo sería elevado.

Sistema de refrigeración de un motor Stirling

El sistema de refrigeración tiene como objeto evacuar el calor del fluido de trabajo

hacia un medio exterior más frío. Este es una parte muy importante del motor,

porque debe ser capaz de evacuar por lo menos el 50% del calor que recibe el

motor, y que lo debe hacer a la menor temperatura posible para mejorar la

eficiencia térmica del motor. Existen dos tipos de refrigeración:

Refrigeración por aire: Puede ser por convección natural o forzada. Es

necesario acoplar aletas al cilindro; es una transmisión poco eficiente y se utiliza

en motores lentos y no presurizados, mayormente se utiliza en pequeños motores

demostrativos.

Refrigeración por agua: Es la más eficiente si se dispone de una fuente

inagotable de agua a temperatura ambiente (ríos, lagos, red pública). Sólo se

puede utilizar en motores estacionarios. En motores que no son estacionarios lo

más recomendable es utilizar un circuito de agua con radiador, el único

inconveniente es que se consume energía para bombear el agua e impulsar el

aire.

Para las pruebas en el motor construido se utilizó los dos tipos de refrigeración. A

continuación hablaremos de la experiencia adquirida durante este trabajo

Regenerador

Esta es una parte muy importante del motor Stirling. Es sumamente necesario

hacer uso del regenerador cuando el motor Stirling es presurizado, y, también,

cuando el motor tenga grandes dimensiones a pesar que no esté presurizado. El

regenerador absorbe y entrega calor al fluido de trabajo compensando una parte

del calor perdido por el motor, haciendo que la potencia y velocidad del motor se

incrementen, esto sucede porque cuando trabaja el regenerador el fluido de

trabajo necesitaría absorber menos calor en cada ciclo, con lo cual hace que el

ciclo necesite de menos tiempo para realizarse y también se consuma menos

cantidad de combustible.

El regenerador trabaja de la siguiente manera: suponiendo que el gas en la zona

caliente está a 400ºC y en la zona fría a 40ºC. Cuando el gas pasa de la zona fría

a la zona caliente, un regenerador ideal elevaría la temperatura del gas hasta

300ºC, por lo tanto, el calentador tiene que entregar menos cantidad de calor para

subir la temperatura del gas de 300 a 400ºC; de la misma manera, cuando el gas

pasa de la zona caliente a la zona fría, el calor absorbido por el regenerador

dejaría al gas que está en el lado frío a una temperatura de 100ºC, y sólo se

tendría que enfriar un poco para pasar de 100 a 40ºC. Con esto se lograría, en

ambos casos, reducir el tiempo de calentamiento y enfriamiento del gas con lo

cual el ciclo se desarrolla más rápidamente.

Existen varias disposiciones de los regeneradores, entre los cuales están los

estáticos y los móviles. Los móviles mayormente están dentro del desplazador y

los estáticos pueden estar dentro o fuera del cilindro.

El material del regenerador debe tener una alta capacidad de almacenar energía

térmica para que su temperatura sea estable. También, debe tener una

conductividad térmica baja en la dirección del flujo, para generar un gradiente de

temperatura. La capacidad térmica volumétrica de un material se mide con el

producto en Cp (J/m3 .K), a mayor valor el material puede absorber más calor.

Otro parámetro importante es la difusividad térmica, en este parámetro mide la

capacidad de un material para conducir la energía térmica en relación con su

capacidad de almacenar energía térmica.

Los materiales que se utilizan mayormente en los regeneradores, son láminas,

lana o hilos de acero inoxidable bastantes delgados (0,1 mm). La NASA hizo un

regenerador de hilos de fibra de carbono [30], tal como se muestra en la siguiente

figura, el cual es un regenerador móvil, ya que está dispuesto en el desplazador

del motor.

Se observa en la figura que la longitud del desplazador es relativamente pequeña,

esto es porque la conductividad de esta fibra de carbono, en su sentido

transversal, es 1/100 veces su conductividad longitudinal. La conductividad

longitudinal es de 20 a 67 veces mayor que la de un acero inoxidable, lo cual lo

hace un material casi ideal para usarse como regenerador, ya que al estar

dispuestos de la manera como se muestra en la figura la conducción de calor a lo

largo del desplazador es mínima, lo cual aumenta la diferencia de temperaturas

entre las dos zonas. Siempre se debe procurar disminuir al máximo el volumen

muerto en el regenerador, sin que exista resistencia al paso del fluido, porque esto

influye sobre la potencia del motor.

ECONOMÍA

Las CFE cobrarán a 0.687 pesos cada uno de los kilowatts de los primeros 150

kilowatts consumidos en un mes, estos 150 kilowatts suman 103 pesos cinco

centavos.

Un motor Stirling de magnitudes del tamaño de un coche, que produce 1000 Mw cuesta alrededor de $50 mil pesos, al ser un producto no muy comercial solo se hace bajo pedido, en Japón. Y puede tener una ligera variación en la corriente.

En el proyecto tenemos que proponer modificar los quemadores para poder adaptar varios motores Stirling, ya que estos motores trabajan con poco calor. Ya que cada motor puede trabajar con 7200 pies cúbicos de gas al día, siendo unos 60 quemadores en serie.

Como sabemos el puerto de dos bocas tiene una quema de gas diario de 5, 000,000 de pies cúbicos entonces podemos introducir varios motores Stirling. Ósea que si aprovecharemos todo el calor desperdiciado podríamos meter de 15 motores Stirling, de dimensiones 10 veces mayores a las de un automóvil ya que contamos solo con 3 hectáreas para acomodar los motores. Como ya mencionaba los quemadores se tendrán que modificar para hacer unos 60 quemadores en serie para poder surtir a los motores Stirling.

Maso menos tenemos que meter unos 15 motores Stirling para satisfacer un porcentaje significativo de electricidad del puerto.Haciendo una inversión de 15, 000,000 de pesos.

Cada motor producirá 20,000 megawatts, con un costo de 1,000,000 de pesos

Como sabemos el puerto de dos bocas tiene un gasto diario de 10 millones de megawatts los cuales son producidos por 300 turbogeneradores distribuidos en todo el puerto de dos bocas-

Con los 15 motores Stirling lograremos obtener 3, 000,000 de megawatts ósea que podremos obtener el 30 % de la electricidad que se gasta en el puerto.

Sabemos que el puerto de dos bocas gasta casi 20 millones de pesos cada semestre en diésel para los turbogeneradores, entonces al ahorrarle el 30 % en gastos de diésel podemos decir que le ahorraremos 6, 600,000 pesos.

Haciendo los cálculos finales podemos decir que en 3 semestres se recupera la inversión de los motores Stirling adquiridos y que como los motores tienen una vida mayor a los 25 años, podremos decir que tendremos más de 23 años de beneficios, ahorrando 1, 200,000 por año que multiplicando por 23 años podemos obtener una ganancia para el puerto (PEMEX) de 27, 600,000 pesos. En el peor caso, pero con un buen mantenimiento obtendríamos mayores ganancias.

Como sabemos este proyecto nos da ganancias monetarias pero también nos da ganancias en el sentido de que aprovechamos energía que se estaba desperdiciando y disminuimos la quema de diésel para la generación de electricidad.

Por ultimo cabe mencionar que debemos de contratar un técnico entrenado por el proveedor para que de mantenimiento a los motores, esto debe de ser monitoreado las 24 horas para optimizar el funcionamiento de los motores Stirling. Es importante mencionar que el técnico debe de estar preparado en materia de mecánica y de electricidad ya que son las dos partes fundamentales de donde parte este proyecto.

VENTAJAS

1.- El Puerto de Dos Bocas obtiene una baja en el consumo de diésel al prescindir

de él y aprovechar la economía del gas que está saliendo de las plataformas.

Lo cual, también se traduce en una ganancia para Pemex, porque se le da uso a

ese gas y deja de ser una perdida.

2.- A nivel ambiental consume menos agua que otros sistemas y a nivel

económico y de ingeniería, sus rendimientos teóricos son mayores que otros

métodos.

3.- Los gases en el interior de un motor Stirling no salen nunca del motor. No hay

válvulas de escape para ventilar los gases de alta presión, como en los motores

de gasolina o diésel, y no hay explosiones internas. Los motores Stirling son casi

silenciosos.

4.- En un inicio el proyecto representara una fuerte inversión pero con el paso del

tiempo, se transformara en un rendimiento satisfactorio para las empresas y los

usuarios.

El aporte de calor es externo, por lo que las condiciones de combustión son

flexibles.

Funciona con cualquier fuente de calor, no solo por combustión, por lo que se puede utilizar fuentes de calor como solar, geotérmica, nucleares, biológicas, etc.

Se puede usar un proceso de combustión continua, por lo cual se pueden reducir la mayor parte de las emisiones (NOx, hollines, hidrocarburos, …)

La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco frío, y por tanto necesitan menos lubricación y duran más que otras máquinas alternativas.

Los mecanismos son más sencillos que en otras máquinas alternativas, estos es, no necesitan válvulas, el quemador puede simplificarse.

Una maquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión. En comparación una máquina de vapor usa agua en estados líquido y vapor, por lo que un fallo en una válvula puede provocar una explosión peligrosa.

En algunos casos, las bajas presiones, permiten utilizar cilindros ligeros.

Se pueden construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio.

Arrancan con facilidad (despacio y después del calentamiento inicial) y funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de combustión interna que arrancan con facilidad en temperatura templada pero con problemas en temperaturas frías.

Se pueden usar para bombear agua, pudiendo diseñarse para utilizar el agua como refrigerante del foco frío, (a menor temperatura del agua mejor funcionamiento)

Son extremadamente flexibles pudiéndose utilizar para cogeneración en invierno y como refrigeración en verano.

DESVENTAJAS

1.- Es necesario hacer una inversión en la construcción de la infraestructura

necesaria para el uso del motor Stirling, (instalaciones adecuadas y personal

capacitado).

2.- El motor Stirling adolece de un problema que lo condena a ser el propulsor de

un número limitado de maquinaria: no es posible ponerlo en funcionamiento en

forma instantánea.

Esto es debido a que necesita un intervalo para que el motor responda a los

cambios en la cantidad de calor que se aplica al cilindro; toma tiempo para que el

calor sea conducido a través de las paredes del cilindro y el gas en el interior del

motor.

Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que tienen que contener el fluido de trabajo a alta temperatura, así como soportar los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera. Esto supone un encarecimiento de la maquina .

Los motores que funcionan con pequeños diferenciales térmicos son muy grandes en comparación al trabajo realizado por culpa de los intercambiadores. Aumentar la diferencia de temperatura o la presión permite motores más pequeños.

La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica. Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños compactos. Esto junto con los costes de materiales, ha sido uno de los principales factores limitantes a la hora de su uso en automoción, pero existen otros usos donde el ratio peso potencia no es tan crítico como propulsión naval, cogeneración, …

Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, tiene que primero “calentarse”. Esto es cierto para todos los motores de combustión externa, pero menor que otros como la máquina de vapor. Su mejor uso es en motores que requieran una velocidad constante.

El trabajo realizado por un motor Stirling tiende a ser constante y para ajustarlo se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Generalmente se hace variando el desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo. Esta característica es menos crítica en el caso de motores de propulsión híbrida eléctrica o en la producción de electricidad de base de carga, donde esa producción constante es deseable.

El Hidrogeno por su baja viscosidad, alto calor especifico y conductividad térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de fluidos. Sin embargo presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales. […]. Por ello se usa generalmente Helio con propiedades muy semejantes, que además es inerte, y no inflamable como el Hidrogeno. El aire comprimido presenta riesgo de explosión por la presencia de Oxigeno, por lo que la alternativa es eliminarlo por combustión o utilizar Nitrógeno.

3.- Los motores Stirling funcionan a muchas menores revoluciones para facilitar el

intercambio. Esto tiene como consecuencia menos ciclos por minuto y por tanto

menos potencia.

APLICACIÓN A LA TERMODINAMICA

El motor Stirling se basa en un funcionamiento de cuatro pasos termodinámicos:

Supongamos n moles de un gas ideal encerrado en un recipiente con un émbolo que se puede desplazar. El gas experimenta los siguientes procesos:

Proceso 1→2: Es una expansión isotérmica a la temperatura T1, desde el volumen inicial V1 al volumen final V2.

Variación de energía interna:

El gas realiza un trabajo W12 y por tanto, tiene que absorber una cantidad igual de energía del foco caliente para mantener su temperatura constante.

Q 12 =W 12 =∫ V 1 / V 2  p⋅dV=∫ V 1 / V 2  nRT 1  V  ⋅dV=(nRT 1) (lnV 2 / V 1)    

Proceso 2→3: Es un proceso isócoro o a volumen constante.

El trabajo realizado es nulo W23=0

El gas ideal cede calor disminuyendo su energía interna y por tanto, su temperatura

ΔU 23 =Q 23 =nc v (T 2 −T 1 )=−nc v (T 1 −T 2 ) 

Proceso 3→4: El gas se comprime a la temperatura constante T2, desde el volumen inicial V2 al volumen final V1. Como el gas está a baja presión, el trabajo necesario para comprimirlo es menor que el que proporciona durante el proceso de expansión.

Variación de energía interna:

Se realiza un trabajo W34  sobre el gas y por tanto, tiene que ceder una cantidad igual de calor del foco frío para mantener su temperatura constante.

Q 34 =W 34 =∫ V 2 / V 1  p⋅dV=∫ V 1 / V 2  nRT 2  V  ⋅dV

=(nRT 2)

(lnV 1 / V 2)   =−nRT 2 lnV 2V 1

    

Proceso 4→1: Es un proceso isócoro o a volumen constante.

El trabajo realizado es nulo W41=0

El gas ideal absorbe calor aumentando su energía interna y por tanto, su temperatura:

ΔU 41 =Q 41 =nc v (T 1 −T 2)

APLICACIÓN A LA INGENIERIA PETROLERA.

Nos centramos en un proyecto propuesto para una problemática real.

Observando como ya se explicó la cantidad extensa de gas quemada en el Puerto

de Dos Bocas en Tabasco, más que una problemática se trata de la proposición

de una innovación y una mejora que evidentemente traerá consigo reducciones en

en el presupuesto invertido por PEMEX en esa zona. ingeniería petrolera

El diagrama Presión-Volumen aporta la ventaja de poder “ver” gráficamente el trabajo externo desarrollado por la máquina pues coincide con el área encerrada en el ciclo (al multiplicar volumen las unidades físicas resultantes son de trabajo).

Realizando entonces la instalación del motor Stirling, acondicionando los que

madores al mismo y creando las conexiones de cableado requerido para para

solucionar el desperdicio del gas y poderle dar una utilidad que ayudará a eliminar

los castos en la energía eléctrica, obteniendo ahorros substanciales.

http://www.youtube.com/watch?v=UQsqkSu7FAE

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingenieria y ArquitecturaUNIDAD: “Ticoman”

Ciencias de la Tierra

Termodinámica1er Parcial

Avance 1Profa. Ana Margarita Granados Molina

2PM2

EQUIPO 9Integrantes:

Azuara Ramírez Sergio LeonardoCruz Tirado Verónica Gabriela

Galindo Rosales Jovann AlbertoOntiveros Caballero Alejandra Azyadeth

Gonzáles Montero Ernesto OrlandoMorán Hernández Vianey

México D.F., a 05 de Septiembre del 2013

REFERENCIAS

TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS IRREVERSIBLESS. R. de Groot Editorial AlhambraAño 1968Versión española de José Aguilar Peris y Gristóbal Fernández Pineda.

FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA Álvaro Iván Guevara EslavaEditorial Universidad de BoyacáEdición Primera, 2008Archivo PDF

PROCESOS Y TECNOLOGÍA DE MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOSArrègle, Jean (2002). España: Universidad Politécnica de Valencia. ISBN 9788497052733.

TERMOTECNIA BÁSICA PARA INGENIEROS QUÍMICOSLucas Martínez, Antonio de (2007). España: Universidad de Castilla-La Mancha. ISBN 9788484274995.

http://www.todomotores.clhttp://www.ecotec2000.dehttp://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/maquinastermicas/index.htmlhttp://ventanadelaciencia.blogspot.com/2007/12/el-motor-stirling-en-aplicaciones-de.htmlhttp://www.fisicarecreativa.com/guias/procesos.pdfhttp://www.youtube.com/watch?v=kplJrmY9F58http://www.youtube.com/watch?v=AnZ-uobEhRchttp://www.youtube.com/watch?v=LBAYLs-8oM

(Videos explicativos)