.....::
fonte.es
2016-11-14
|
|||
Motor Stirling Vs panel solarO motor Stirling foi inventado e patentado en 1816 polo reverendo escocés Robert Stirling. Inicialmente foi ideado co fin de substituír ás máquinas de vapor que, debido ás frecuentes explosións, causaban numerosos accidentes nas fábricas. Robert Stirling patentou este motor xunto cun dispositivo que melloraba o rendemento térmico e que el denominou economizador de calor (hoxe coñécese como rexenerador). Así, foi capaz de desenvolver un motor que traballaba con aire quente a unha presión moi baixa, polo que era máis seguro e tiña menor risco de explosión que as máquinas de vapor que se usaban naquela época. A facilidade de uso, o funcionamento silencioso con calquera tipo de combustible e a seguridade, fixeron que os motores Stirling fosen moi populares ata o final do século XIX, e utilizábanse con frecuencia e con bons resultados en aplicacións de bombas de auga e maquinaria lixeira como mesturadoras, bombas de aire, aserradoras, etc. Con todo, estes motores dispoñían de baixa potencia en relación ao seu peso e tamaño. Posteriormente, coa invención do motor de explosión, o uso do motor Stirling foi decaendo aos poucos ata quedar case no esquecemento. A crise do petróleo de 1973 reabriu o interese, pero foi a NASA, coa súa investigación sobre sistemas de alta eficiencia térmica alimentados por enerxía solar, a que lle deu un novo impulso a esta tecnoloxía que parecía obsoleta. Durante estes últimos anos, a popularidade das máquinas Stirling aumentou debido ao gran número de características favorables que presentan, xa que teñen o potencial para ser moito máis eficientes que os motores diesel ou gasolina. O Stirling é un motor termodinámico. Este tipo de motores son capaces de transformar enerxía térmica (calor) en traballo mecánico aproveitando a diferenza de temperatura existente entre unha fonte de calor, denominada foco quente, e un sumidoiro de calor, denominado foco frío. Poden ser de combustión interna (tamén chamados endotérmicos), como os motores dos coches, ou de combustión externa (ou exotérmicos), como é o caso do motor Stirling. Que sexa de combustión externa quere dicir que o motor pode funcionar con calquera fonte de calor externa por exemplo, gases de escape de motores, combustión de biomasa, enerxía nuclear ou enerxía solar. Isto fainos intuír a enorme versatilidade deste tipo de máquinas, que o único que necesitan para poñerse en marcha é calor e que no seu funcionamento non emiten ningún tipo de contaminante á atmosfera. Existen sistemas que utilizan motores Stirling para producir electricidade a partir da enerxía solar. Moitos expertos cren que esta tecnoloxía ten un futuro prometedor, xa que demostrou eficiencias superiores ás demais aplicacións de enerxía solar. A Plataforma Solar de Almería (PSA), pertencente ao Centro de Investigacións Enerxéticas, Ambientais e Tecnolóxicas (CIEMAT), é o maior centro de investigación, desenvolvemento e ensaios de Europa dedicado ás tecnoloxías solares de concentración. A PSA desenvolve as súas actividades integrada como unha División de I+D dentro da estrutura do Departamento de Enerxía do CIEMAT. Descrición do motor StirlingEtapas de funcionamento - Ciclo de StirlingCÁLCULO DO FUNCIONAMENTOAs características do noso motor Stirling son as seguintes: VOLUMES A cámara térmica ten unha capacidade de 231 cm3. Calculamos este volume de gas en base ao volume dun cilindro de 7,0 cm de diámetro (R1 = 3,5 cm) e unha carreira de émbolo desprazador d1 = 6 cm. V1 = π·R12·d1 V1 = 3,14·3,52·6 = 230 cm3 A este volume hai que lle engadir o situado entre o desprazador e a cámara. O desprazador ten de radio R2 = 3,2 cm e d2 = 15 cm. Con isto: V2 = π·(R12 – R22)·d2 V2 = 3,14·(3,52 – 3,22)·15 = 95 cm3 Por último calculamos o volumen do cilindro de potencia, que ten 2,1 cm de diámetro e 4,0 cm de carreira (d3): V3 = π·R32·d3 V3 = 3,14·1,052·4,0 = 15 cm3 Existe un volume adicional do conector metálico do cilindro de potencia que ten 1,0 cm de diámetro e 6,0 cm de altura. V4 = 3,14·0,52·6,0 = 5 cm3 O volume total de aire encerrado no motor co émbolo de potencia extendido é: VC = VD = Vmáx = V1 + V2 + V3 + V4 = 345 cm3 O volume total de aire encerrado no motor co émbolo de potencia no punto cero é 15 cm3 menor: VA = VB = Vmin = 330 cm3
MASAS Estimamos a masa de aire encerrada na cámara térmica en condicións normais, 25 ºC e 1 atmosfera: Vmin = 340 cm3 = 0,00034 m-3 densidade aire = 1,184 kg·m-3 masa (m) = Vmin·densidade → m = 0,00034·1,184 = 0,00040 kg = 0,40 g peso molecular aire (80% N2 e 20% O2) = 28,9 g·mol-1 nº de moles (n) = masa/peso molecular → n = 0,40 / 28,9 = 0.014 moles
A masa conxunta dos mecanismos que se moven (émbolos, bielas, cigüeñal, volante de inercia e poleas), é de 300 gramos, correspondendo a metade ao volante de inercia.
Características do aire:
PRESIÓNS A presión no interior da cámara foi estimada mediante unha columna líquida de auga. Como cada 10 metros de nivel de auga equivalen a unha atmosfera, determinamos que o noso gas variou de presión entre 0,8 e 1,4 atmosferas nas etapas de compresión e dilatación respectivamente.
FONTES DE ENERXÍA En canto as fontes de calor empregadas diremos que substituímos as lentes de Fresnell por dous chisqueiros de alcol, un que proporciona unha potencia en auga de 50 w e outra que aporta 100 w. As lentes de Fresnell que conseguimos por Internet son de material plástico de 26x18 cm2 (468 cm2) e de 30 cm de distancia focal. Como a potencia da enerxía solar é duns 750 w·m-2, con estas lentes poderiamos sacar uns 35,1 vatios. O calculo da potencia da chama dos chisqueiros fixémola mediante o cálculo da calor absorbida por 100 gramos de auga (100 cm3) en certo tempo. Hai que ter en conta que a conductividade térmica da auga (en condicións normais) é moi superior á do aire (24 veces maior) polo que a potencia da chama será moito mellor aprobeitada no caso da auga. Conductividad térmica H2O = 0,58 w·m-1·K-1 Conductividad térmica aire = 0,024 w·m-1·K-1 Estas conductividades varían coa temperatura con tendencia a subir ao ascender a temperatura. Xa adiantando resultados, o que para a auga son 100 w de potencia calorífica para o aire serán moitos menos. O aire absorbe a enerxía subministrada moito máis lentamente que a auga (24 veces máis lento). Estimamos que dos 100 w de potencia que absorbe a auga, o aire atrapado na cámara térmica vai absorber entre 5 e 10 watios de potencia calorífica. O resto emitiranse ao entorno en forma de radiación. Calor específica da auga = 4,18 J·g-1·K-1 Q = m· Ce· ΔT Q = 100·4,18·65 = 29260 J para pasar auga de 30 ºC a 100 ºC en 4,6 min. P = Q/t → P = 29260/(4,6·60) = 106 w.
TRABALLO, POTENCIA e RENDEMENTO Designaremos o traballo coa letra W e medirémolo en xulios, seguindo o sistema internacional de unidades. En sistemas mecánicos coma o noso o traballo pódese considerar coma o produto da forza realizada co pistón de potencia polo desprazamento deste. Pero tamén se pode calcular multiplicando a presión exercida sobre o pistón polo volume de aire desprazado. W = p·ΔV Pero tamén sabemos que a enerxía interna dun sistema debe conservarse. Así, a calor procedente do foco quente se converte en traballo máis enerxía residual que pasa ao foco frío. W = Qabsorbida – Qemitida En canto á potencia dunha máquina dicir que se obtén dividindo o traballo realizado entre o tempo empregado: P = W/t O rendemento máximo dunha máquina térmica ven determinado polo ciclo de Carnot. Deste xeito temos que o rendemento dunha máquina reversible ven dado pola fórmula: Rmáx = W / Qabsorbida Rmáx = (Qabsorbida – Qemitida ) / Qabsorbida Rmáx = 1 – Qemitida / Qabsorbida Se o sistema é reversible, debido á ausencia de cambios de entropía, podemos escribir que o rendemento máximo é: Rmáx = (Tfoco quente – Tfoco frío) / Tfoco quente ou Rmáx = 1 – Tfoco frío / Tfoco quente Medimos a temperatura do foco quente e do foco frío da nosa máquina e obtivemos que, en liñas xerais, o quente oscila entre os valores de 250 e 350 ºC (523 e 623 K) mentres que o foco frío oscila entre 20 e 50 ºC (293 e 323 K). Despois de 20 minutos de funcionamento o motor estabilízase nos máximos de temperatura. Así podemos establecer que se a nosa máquina fose completamente ideal e reversible tería un rendemento de traballo de: Rmáx = 1 – 323 / 623 → Rmáx = 0,48 (un 48% de rendemento teórico!)
Se temos en conta que o ciclo é tipo Stirling, moi parecido ao de Carnot pero non reversible, o balance enerxético calcúlase do seguinte xeito: Calor absorbida na 1ª etapa do ciclo (quentamento isocórico) → Q1+ = n·cv·ΔT Q1+ = n·cv·(TB-TA) Calor absorbida na 2ª etapa do ciclo (quentamento isotérmico) → Q2+ = nRTB ln(VC/VB) Calor cedida na 3ª etapa do ciclo (enfriamento isocórico) → Q3- = n·cv·ΔT Q3- = n·cv·(TD-TC) = - n·cv·(TB-TA) Calor absorbida na 4ª etapa do ciclo (enfriamento isotérmico) → Q4- = n·R·TD·ln(VA/VD) Con esto temos que o traballo máximo realizable pola nosa máquina vale: W = Q1+ + Q2+ - |Q3-| - |Q4-| Escribimos as calores Q3- e Q4- entre valores absolutos para deixar de manifesto que son calores que restan porque o seu valor é negativo (son enerxías que desprende o sistema cara o foco frío) NOTA: A calor específica do aire seco a volume constante “cv” vale cv = 717.63 J/K·kg = 0.71763 J/K·g = 20.74 J/K·mol A constante dos gases ideáis vale: R = 0,082 atm·L·mol-1·K-1 = 8,314 J·mol-1·K-1
No noso caso temos os seguintes resultados: Calor absorbida na 1ª etapa do ciclo (quentamento isocórico) → Q1+ = n·cv·(TB-TA) = 0,014·20,74·(623-323) = 87,1 J Calor absorbida na 2ª etapa do ciclo (quentamento isotérmico) → Q2+ = n·R·TB·ln(VC/VB) = 0,014·8,314·623·ln(345/330) = 3,2 J Calor cedida na 3ª etapa do ciclo (enfriamento isocórico) → Q3- = n·cv·(TD-TC) = 0,014·20,74·(323-623) = -87,1 J Calor cedida na 4ª etapa do ciclo (enfriamento isotérmico) → Q4- = n·R·TD·ln(VA/VD) = 0,014·8,314·323·ln(330/345) = -1,7 J Observamos que as calores correspondentes á primeira e terceira etapas son reversibles xa que son calores extraídas e devoltas ao recuperador de calor mentres o gas pasa por el. Se o recuperador estivese ben illado, esta calor non se desperdiciaría e a máquina sería moi eficiente. Tamén vemos que os procesos non reversibles son o segundo e o cuarto, no tránsito polas isotermas (liñas de temperatura constante). As calores que aquí se calculan son a que se absorbe do foco quente, na segunda etapa, e a que se libera ao foco frío na cuarta etapa. O traballo máximo que desenvolvería a nosa máquina idealmente en cada ciclo é: Wmáx = 87,1 + 3,2 – 87,1 – 1,7 = 1,5 J obtidos por cada ciclo. Medimos o réxime de funcionamento da máquina ao cabo de 20 minutos e observamos que fai 250 r.p.m. Sendo isto así, o período (ou tempo por cada ciclo) é de 0,24 segundos. A potencia teórica da máquina calcúlase de: P* = Wmáx/t → P* = 1,5 / 0,24 = 6,25 w (vatios) O rendemento teórico da máquina é: Rmáx = 1 – Qemitida / Qabsorbida → Rmáx = 1 – 1,7 / 3,2 = 0,47 = 47% Valor do rendemento lixeiramente inferior ao estimado mediante o ciclo de Carnot. Pero este rendemento é utilizado para manter a máquina en movemento. Se desexamos extraer parte desa potencia, as condicións do ciclo cambian e a máquina empeza a “fallar”. Acoplamos un sistema de bombeo de auga de refrixeración á máquina de Stirling de tal xeito que consome arredor de 2 w (sobre todo pola fricción do bombeo) Ao conectalo, o réxime de revolucións do motor descende drasticamente e tarda un anaco en retornar ao equilibrio que acontece a unhas 120 r.p.m. A temperatura do foco quente sube ata os 400 ºC. Se refacemos o cálculo teórico con estes datos sáenos que o traballo realizado por ciclo sobe a 2 J cun período de 0,5 s. por ciclo. Isto supón unha potencia de 4 w para manter o movemento da máquina a 120 r.p.m. Se temos en conta que a potencia térmica subministrada polo chisqueiro era de 106 w e, deles, só se aproveitan 6,25 w, podemos concluír que estamos ante un rendemento no intercambio enerxético do 6 %, moito máis baixo do desexable. Cómpre ter en conta que un panel solar pode render un 18% sen ter ningunha parte móbil e sen facer ningún outro intercambio enerxético a maiores, só pasar de luz a electricidade. No noso caso colocamos un pequeno xerador eléctrico tipo dinamo que produce 12 voltios e 3 vatios de potencia cun rendemento do 35%. Ao acoplala cunha polea sen redución, apenas se move. O Stirlin non tarda en parar. 3 vatios xerados significa que se deberon consumir 8,5 vatios para así obter o rendemento do 35%. O noso motor non é capaz de xerar tanta potencia.
Medimos tamén o par realizado polo émbolo de potencia na carreira de 4 cm que fai. Resulta que o émbolo fai unha forza media de 5 N tanto na dilatación do gas como na compresión. Así queda que: A velocidade angular é de 250 r.p.m (ω = 26,2 rad·s-1, no sistema internacional) O cilindro de potencia ten un par de torque “M” no cigüeñal de valor: M = F· d3/2 = 5·0,04/2 = 0,1 N·m P = M·ω → P = 0,1·26,2 = 2,6 w Esta potencia é moito menor que os 6,2 w que saen do cálculo teórico. O rendemento enerxético respecto da fonte de calor baixa ata un 2,5 %. R = 2,6 /106 = 0,025 → 2,5 % de rendemento enerxético!!!
|