Fondo
El motor Stirling ha atraído mucha atención en los últimos años. Su potencial para una alta eficiencia y la capacidad de utilizar una amplia variedad de combustibles ha convertido en un serio candidato para fuentes alternativas de energía, especialmente en aplicaciones de automoción. El potencial de los motores Stirling para reemplazar el motor de combustión interna (ICE) en los automóviles se exploró a finales de los años 1970 y 1980.
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En 1986, un informe técnico fue lanzado por la NASA esbozar el desarrollo de la MOD I y II MOD motor Stirling automotriz . El motor utiliza hidrógeno a presión como gas de trabajo.Ha sido desarrollado y producido por un esfuerzo de colaboración entre la NASA y MTI (Tecnología Mecánica Incorporated). El motor MOD II, en particular, podría alcanzar una eficiencia térmica de 38,5% (significativamente mayor que un ICE ignición de chispa), y con una potencia comparable a ICE del mismo tamaño (83,5 CV). Se quemó combustible con emisiones más limpias que un ICE debido al hecho de que se quema el combustibleexternamente al motor. También produce mucho menos ruido durante el funcionamiento.Por lo tanto, no silenciador o catalizador sería necesario para el tubo de escape.
Los problemas técnicos fueron en su mayor parte relacionada con los requisitos de alta presión del motor (hasta 15 MPa), que requiere componentes voluminosos y sellos especializados. No obstante, se prevé que el coste de producción debido a la economía de escala sería competitivo con un ICE. Por desgracia, no logró atraer gran inversión en la industria automotriz, principalmente porque todavía estaba en su infancia con el desarrollo inteligente, y no podría competir con un ICE sobre la base de la capacidad de respuesta.Motores Stirling no responden rápidamente a los cambios en los requerimientos de energía como ICE y tardan más en calentarse antes de llegar a la máxima potencia. Grandes progresos se podría hacer para resolver este dilema mediante el uso de complejos sistemas de control que regulan la presión, etc, pero en las palabras de los fabricantes de automóviles grandes, tales como GM, el mercado "no toleraría esto", a pesar de que las ganancias de eficiencia y reducción de las emisiones del tubo de escape nocivos fueron significativas.Además, la energía barata (petróleo) era abundante y nadie se preocupaba en el momento de invertir fuertemente en un motor considerado "económicamente arriesgada".
Y ahora aquí estamos hoy, frente a un futuro de energía que ya no puede confiar ciegamente en los combustibles fósiles para satisfacer nuestras necesidades. Conservación es cada vez más importante, así como las fuentes alternativas de energía. El motor Stirling es una de las posibilidades para el destete a nosotros mismos de los combustibles fósiles, ya que se puede utilizar cualquier fuente de calor para funcionar, incluida la biomasa y la energía solar. Cada vez es más claro que el interés en este tipo de motor no va a desaparecer. De hecho, existe un interés creciente. Uno sólo tiene que mirar a los generadores de motor Stirling y motores Stirling Solar para ver que ya hay algunos avances importantes que se realizan.
Fundamentos del motor Stirling - ¿Qué es un motor Stirling?
Un motor Stirling es un motor de calor que funciona sobre la base de una diferencia de temperatura externa aplicada. Al mantener una diferencia de temperatura fría y caliente el motor es capaz de ejecutar y producir energía mecánica. Es diferente de motor de combustión interna (ICE) en que es un ciclo cerrado, es decir, el gas de trabajo es cerrado (sellado) en el interior del motor. Esto está en contraste con el ICE en el cual se extrae el gas de trabajo (aire) en el medio ambiente, en combustión con el combustible, y expulsado como gases de escape. En tales válvulas de un motor y los mecanismos de temporización son necesarios. Pero en un motor Stirling, no se requieren tales componentes. Además, el motor Stirling no se limita al tipo de combustible utilizado. Es indiferente a la fuente de calor, lo que abre muchas posibilidades, incluyendo no contaminante de energía solar, o la quema de biomasa (madera, cáscaras, etanol, etc), que son el carbono-neutral. El carbono-neutral significa que absorben el dióxido de carbono como mucho (durante su crecimiento - debido a la fotosíntesis), ya que emiten cuando se queman. Esto es a diferencia de los combustibles fósiles, los cuales suman un importe neto de dióxido de carbono a la atmósfera cuando se quema.
El principio básico de que el motor Stirling es esta. El motor se llena (bajo presión), con un gas tal como aire, helio o hidrógeno. Esto se llama el "gas de trabajo". Dentro del motor el gas se calienta. Esto aumenta su presión y mueve los pistones como resultado. El gas se enfría, se reduce su presión. Luego se calienta de nuevo, y se repite el ciclo. En un motor real esto sucede típicamente muy rápido, en el mismo orden de velocidad como un ICE. El gas de trabajo es y venía muy rápidamente en el interior del motor, entre los extremos fríos y calientes, de forma continua ganan y pierden calor y la producción de energía como resultado.
El gas de trabajo en el interior del motor se calienta con un calentador, y se enfría con un enfriador.
El calentador y el enfriador son típicamente intercambiadores compactos de calor compuestos por tubos estrechos (o pasos) en el que los flujos de gas de trabajo. Es a través de estos pasajes que el gas de trabajo ya sea calor ganancias (cada vez más caliente), o pierde calor (cada vez más frío).
La superficie exterior del calentador se expone a una fuente de alta temperatura, tales como la llama de un quemador, o la energía solar concentrada. La superficie exterior del enfriador se expone a una fuente de temperatura de frío, tal como aire ambiente, o agua.
En entre el calentador y el enfriador es un regenerador. Un regenerador aumenta la eficiencia de un motor Stirling mediante la reducción del requisito de entrada de calor del calentador y el requisito de la eliminación de calor del enfriador. No es necesario disponer de un regenerador para que el motor funcione pero en interés de la reducción de costes, especialmente cuando el costo de combustible del calentador se refiere, es conveniente tener uno.
El funcionamiento del regenerador es mediante el almacenamiento de algunos de la energía calorífica del gas de trabajo cuando se mueve desde el calentador al refrigerador, lo que reduce la demanda de refrigeración en el refrigerador. Y en el camino de regreso, a medida que el gas hábiles a partir de la nevera al calentador, se "gana" recuperar parte de la energía térmica, lo que reduce las necesidades de calefacción del calentador. Un regenerador básicamente pre-calienta el gas de trabajo antes de que entre en el calentador, y pre-enfría el gas de trabajo antes de que entre en el refrigerador.
El regenerador se hace generalmente de un material de matriz compleja, hecha de pantallas de metal o de metal apiladas fieltro, tejido de alambre fino. Esto ofrece la gran área de superficie necesaria para el intercambio de calor eficiente con el gas de trabajo.
En general, el diseño de los motores Stirling de alta potencia y hay varios factores importantes que deben ser abordados:
(1) Mantenga el volumen muerto a un mínimo. Volumen muerto se reduce la potencia del motor. Volumen muerto es el volumen que está "unswept" por los movimientos de los pistones. Este es el volumen contenido en el calentador, refrigerador, regenerador, y todos los espacios libres. Este volumen es constante en todo momento.
(2) Diseñar el calentador para maximizar el calentamiento del gas de trabajo, es decir, una vez que el gas sale del calentador de su temperatura debe estar lo más cerca posible a la de las paredes del calentador. Esto se puede lograr mediante el uso de tubos estrechos y largos / pasajes para el gas fluya a través.
(3) Diseñar el enfriador para maximizar el enfriamiento del gas de trabajo, es decir, una vez que el gas sale del enfriador de su temperatura debe ser lo más cercana posible a la de las paredes más frías. Esto se puede lograr mediante el uso de tubos estrechos y largos / pasajes para el gas fluya a través.
(4) Diseñar el regenerador para maximizar el intercambio de calor con el gas de trabajo.Esto se puede lograr mediante el uso de un material de matriz suficientemente denso con una gran superficie.
(5) Mantener las pérdidas de bombeo a un mínimo. Las pérdidas de bombeo son la fricción (flujo) las pérdidas causadas por el gas de trabajo, ya que "empuja" a través de los tubos estrechos / pasadizos del calentador y enfriador, y la matriz de regenerador. Minimizar estas pérdidas se puede lograr mediante el uso de un gran número de tubos / pasadizos situados en el calentador y enfriador, y un regenerador con un gran volumen.
Ahora, los puntos (2) - (5) todo puede ser satisfecha al mismo tiempo. Sin embargo, la satisfacción de estos puntos está en conflicto directo con el punto número (1). Si se desea mantener el volumen muerto lo más pequeño posible tendrán dificultad de diseñar un buen calentador, enfriador, y el regenerador, manteniendo de bombeo bajas pérdidas.
La solución es poner en peligro tanto en los cinco puntos con el fin de lograr el mejor diseño posible. El reto es encontrar el equilibrio óptimo que resulta en el mejor diseño de motor.
Las tres configuraciones de motor Stirling
Hay tres configuraciones estándar para motores Stirling. Ellos son: 'alfa', 'beta', y los motores "gamma".
Alfa Engine
La siguiente figura muestra un motor de alfa estándar.
Uno de los motores Stirling más eficientes jamás formuladas fue la MOD II motor de automóvil , producido en la década de 1980. Alcanzó una máxima eficiencia térmica de 38,5%. Comparemos esto con un moderno de encendido por chispa (gasolina) del motor, que tiene una máxima eficiencia de 20-25%.
A pesar de su mayor economía de combustible, el motor MOD II se suspendió debido a alto coste de desarrollo, y las preocupaciones que no compiten con los motores de combustión interna (gasolina y diesel) en términos de capacidad de respuesta.
Haga clic aquí para leer más acerca de la eficiencia del motor Stirling.
Stirling Engine Kit
Una excelente manera de aprender acerca de los motores Stirling es conseguir un kit de motor Stirling . Este es un kit para construir una versión pequeña de un motor Stirling. Lo primero que me tiene fascinado en los motores de Stirling estaba viendo videos de YouTube de pequeños modelos de motores Stirling. En el momento en que parecía "mágico" que un motor puede funcionar con sólo una diferencia de temperatura (calor y frío). Era algo que nunca había visto antes, y fue esta observación que realmente consolidó el concepto de "máquina térmica" para mí. Esto marcó el comienzo de mi propio viaje al mundo de los motores Stirling, y aprender todo lo que pueda sobre ellos. Como resultado, muchos posts en este blog son acerca de los motores Stirling.
DIY Stirling Engine
Hace años, mi objetivo era hacer un motor Stirling de potencia decente (100 W o menos) a partir de materiales cotidianos que puedes comprar en Canadian Tire, Home Depot o tu ferretería local. Un verdadero proyecto de bricolaje, que sólo pasa a ser de bajo presupuesto también. Ahora, dada esta restricción auto-impuesta, este fue un gran reto, ya que quería hacer algo más que un lindo bajo consumo modelo como el tipo que se ve en YouTube. Así que me fui a él, y para ser sincero nunca tuve un motor real de trabajo, a pesar de que se hizo un montón de información sobre cómo funciona. Y me mostró que al encender el motor en marcha atrás (como una bomba de calor), se puede hacer una nevera fuera de él. Haga clic aquí para ver una descripción detallada de este proyecto.
Stirling Engine Software y Manual de Información
He creado Stirling software de diseño de motor que ayudará a los diseñadores y aficionados a construir de alta potencia motores Stirling. El programa de diseño ayuda a diseñar los diversos componentes de un motor de Stirling para máxima potencia y eficiencia. Es práctico y fácil de usar, y se presentarán en un formato comprensible para una persona común, lo que significa que usted no tiene que ser un experto para usarlo. Además, hay un manual de información incluido que da una descripción detallada de los motores Stirling y los diferentes componentes. He creado este programa y manual con claridad en la mente porque quería ayudar a cerrar la brecha de conocimiento entre aquellos que entienden motores Stirling y los que no lo hacen. Hay una gran cantidad de información de calidad por ahí, que por desgracia es dispersa y difícil de entender para la persona promedio. Así que me dirigí a esto. He leído toda la información que pude tener en mis manos. Yo también pasé por algunos esfuerzos serios de diseño mis propios con el fin de obtener un conocimiento práctico de estos motores. El resultado final es un manual práctico que la información sea clara y accesible, y un programa de diseño. Haga clic aquí para obtener más información acerca de este programa de software y manual.
Información variada sobre motores Stirling
• Los componentes del motor que están expuestas a altas temperaturas son generalmente de acero inoxidable. Estos incluyen: 1) el espacio de expansión del pistón (en motores alfa), 2) del cilindro espacio de expansión, 3) de desplazamiento (en motores beta y gamma), 4) del calentador, 5) matriz regenerador, 6) vivienda regenerador.
• El mejor gas de trabajo a utilizar para el logro de alta potencia y rendimiento térmico es hidrógeno. El helio es el segundo mejor. Sin embargo, el helio es probablemente la opción más segura, especialmente para aquellos que no desean tomar riesgos "explosivos".
• El ciclo de Stirling ideal es muy diferente del ciclo de prácticas (reales) a los motores. En muchas descripciones de los motores Stirling un espacio de trabajo solo es dado, y el análisis termodinámico de que sigue. El gas de trabajo se expande y se comprime usando un solo pistón. Y el calentamiento y el enfriamiento tiene lugar en la superficie exterior. A pesar de que funciona bien como una descripción básica del ciclo de Stirling, este análisis no puede aplicarse directamente a la producción de energía reales-motores. En un motor real que necesita una expansión separada y el espacio de compresión, en el que se transporta el gas de trabajo hacia atrás y adelante a través de intercambiadores de calor. Esta es la única manera de permitir el rápido calentamiento y enfriamiento del gas de trabajo necesario para motores de alta potencia, que operan a altas velocidades. Por lo tanto, el análisis del ciclo ideal no puede ser usado para modelar los motores reales.
• El motor real siempre tendrá alguna fuga, aunque sea pequeño. Si se utiliza aire como el gas de trabajo puede tener un pequeño compresor para mantener la presión del motor. Si se utiliza un gas tal como hidrógeno o helio que es mejor utilizar un tanque de almacenamiento a alta presión para mantener la presión. Una vez que la presión del motor cae por debajo de un cierto valor el depósito libera gas en el motor hasta que la presión se restablezca. Si se utiliza hidrógeno se puede incluso tener un dispositivo de electrólisis, que puede producir hidrógeno a partir de agua utilizando electricidad. Esto hace que sea fácil de reemplazar el gas que se ha escapado.
• Cuando se utiliza el aceite para la lubricación, asegúrese de que no se filtre en el motor. El calor y la presión dentro del motor se evaporará rápidamente el aceite y ensuciar los intercambiadores de calor, como resultado. Para combatir esto, algunos pistones utilizar una combinación de diferentes sellos, tanto para evitar que el gas se escape del motor y evitar que el aceite se filtre pulg
• Cuando se utiliza la biomasa como combustible para el calentador (por ejemplo, virutas de madera o virgatum), hay que tener cuidado con la acumulación de ceniza en los tubos de calor. La ceniza volátil, puede fundir debido a la alta temperatura, y formar una capa aislante sobre los tubos de calor, evitando que el calor de conseguir a través. Esto matará el rendimiento. Esto se puede evitar con una unidad de gasificador-quemador, que convierte la biomasa a gases combustibles, que se queman de manera limpia y no contaminará el intercambiador de calor.
• Si se usa agua como medio de refrigeración para el refrigerador, que se mezcla típicamente con anticongelante, especialmente si el motor está expuesto a climas más fríos.
• Hay dos tipos de mecanismos de accionamiento para motores Stirling. El primer tipo escinemática , en las que los movimientos del pistón y el desplazador se prescriben; lo que significa que están conectados a los vínculos y el cigüeñal, que a su vez están conectados a decir, un generador. El otro tipo es de pistón libre , en el que no existen vínculos y el cigüeñal al pistón y el desplazador. Esto permite, por ejemplo, que el generador se conecta directamente al pistón, y está directamente accionada por su parte posterior-y movimiento de vaivén. El primer tipo de mecanismo de accionamiento es más común, aunque este último permite un cierre perfectamente hermético en el que un generador (tal como un alternador lineal) puede ser completamente hermética en el interior del motor, dando como resultado prácticamente ninguna fuga de gas de trabajo.
• Una forma de mejorar significativamente la eficiencia térmica en el diseño es el de mejorar la eficiencia de transferencia de calor de la fuente de calor a los tubos del calentador. Un mecanismo de pérdida común a este respecto es la pérdida de calor al medio ambiente circundante (por ejemplo, gases de escape caliente de un quemador). Una manera de minimizar esta pérdida es con un precalentador de aire. Uso de la corriente de escape, un precalentador calienta el aire antes de que entre en la cámara de combustión, y más de la energía térmica de los combustibles utilizados se. Este es también más económico, ya que reduce el consumo de combustible. Además, también puede minimizar la pérdida de calor mediante la colocación de una caja de material aislante alrededor de la fuente de calor.
• Un sistema bien diseñado fuente de calor, tal como quemador con precalentador de aire, puede tener una eficiencia de transferencia de calor de 90%. Esto significa que 10% del calor se pierde en el ambiente. Esta pérdida reduce aún más la eficiencia térmica por varios puntos porcentuales. Por ejemplo, un motor que opera a 40% de eficiencia térmica con (teóricamente) de transferencia de calor ideal a partir de la fuente de calor, funcionaría a 36% de eficacia con eficiencia calor 90% de transferencia (0,90 × 0,40).
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