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Máquinas de aire húmedo

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Sobre el uso de máquinas con sello líquido, para explotar muy bajos gradientes térmicos

autor:Ing. Jorge Hugo Cordero


Dentro de las máquinas de ciclo Stirling, las máquinas con sello líquido han sido poco estudiadas y en mi opinión podrían ser eficaces para el aprovechamiento de saltos de temperatura del orden de 30 ºC.

El presente trabajo pretende justificar esta opinión. Las planillas de cálculo que se adjuntan no deben considerarse como un método de diseño sino como un argumento para apoyar lo dicho.

El uso de un sello líquido para almacenar gases es una idea antigua (gasómetro) y uno esperaría encontrar numerosos ejemplos de máquinas, de aire caliente y baja presión, que lo utilicen.

Es posible que me equivoque, pero no parece ser así, la publicación más antigua que he encontrado es la patente “Plunging cylinder liquid piston stirling engine” US 4676066 A, presentada por Peter L. Tailer y Jonathan H. West en 1986.

El siguiente antecedente es una conferencia en la IECEC-89, “Experiments with plunging cylinder liquid piston Stirling engines”, expuesta por Tailer.

Posteriormente, William Gurstelle publica en “Make” Volume 07 de agosto del 2006, el artículo “Two-can Stirling engine”.


Hay bastantes trabajos sobre la fluidyne, que implica el uso de pistones  líquidos. También se investigan otras máquinas de pistón líquido. Pero he encontrado muy pocos trabajos sobre el uso de cilindros sumergibles.
Publicados en internet, hay algunos ejemplos de máquinas del tipo Gurstelle (aunque en algunos casos inspiradas en la máquina de Tailer) y muy poco más.

Las máquinas de las figuras a) y b) son Stirling del tipo alfa. En ambas, el cilindro móvil está rígidamente unido a una larga biela, y es la superficie del líquido la que funciona como pistón. En ellas las cavidades están conectadas por un tubo que actúa también como regenerador.

Mientras que en la máquina de Gurstelle, la presión interna es soportada por el desnivel del líquido y es el tanque el que sirve de guía para el cilindro, en la máquina de Tailer estas funciones son cumplidas por un sello circular ubicado por debajo de la superficie del líquido y las dimensiones del tanque no son importantes. Debido a que el líquido es mucho más viscoso que el aire, resulta mucho más sencillo construir un sello eficiente.

Ambas máquinas son simples, baratas y se pueden construir sin usar herramientas sofisticadas.

Pero, como hemos dicho, nos proponemos aprovechar saltos térmicos muy pequeños, y nuestra máquina tendrá inevitablemente un bajo rendimiento, requerirá grandes intercambiadores de calor y será necesaria una gran cilindrada para obtener una potencia aprovechable.

A primera vista, parece difícil construir máquinas suficientemente grandes sin efectuar algunas modificaciones en el diseño.
Una solución para este problema, consiste en usar cables y roldanas como se ve en la figura:










Por su semejanza con los gasómetros de campana flotante, prefiero llamar campanas a los cilindros.

El uso de campanas movidas por cables permite construir máquinas de grandes dimensiones, y da una gran flexibilidad en el diseño. Sin embargo tiene el inconveniente de que la cupla es mucho más irregular, y al ser máquinas lentas, el uso de volantes de inercia no parece conveniente. Quizás la mejor solución, sea acoplar tres máquinas desplazadas 120 grados entre si. En este caso, las fuerzas se balancean obteniéndose un par casi constante.

La configuración que vamos a estudiar es del tipo alfa, y el ángulo de fase se puede variar modificando la posición de las poleas. En primer lugar, se consideró que el ciclo que representa el funcionamiento de la máquina es del tipo Stirling, con la particularidad de que la presión es contenida por el nivel del agua (máquina de Gurstelle). Sin embargo, la presencia de agua a distintas temperaturas dentro de la máquina, hará que la humedad del aire varíe a lo largo del ciclo. Asociado con el ciclo de gas, habrá un ciclo de vapor.

Podemos considerar que el gas se comporta como una “cinta transportadora” para el vapor, por lo que el diseño de la máquina prácticamente no se modifica pero si su comportamiento. Como resultado, se producirá un aumento de la potencia y además tendremos una cierta cantidad de agua condensada.
Hay zonas donde la obtención de agua desalinizada resulta mas valiosa que la energía.
Esta es la razón por la que se decidió efectuar los cálculos modelando un ciclo de aire húmedo. El cálculo se desarrolló usando una planilla de cálculo, y para facilitar el debuging se programó el mismo modelo (en realidad muy similar) usando otra herramienta llamada Modellus X 0.4.05.
Ambas herramientas tienen defectos y virtudes. Modellus a pesar de haber sido desarrollado para resolver problemas menos complejos (fines didácticos), tiene la ventaja de un lenguaje que es intuitivo para todo aquel que conozca el álgebra, por lo que es muy útil para el debuging y para estudiar la secuencia de cálculos. Modellus permite además construir una imagen animada de la máquina, lo que ayuda a visualizar su funcionamiento.

En la planilla de cálculos se programó un modelo más completo. Es una herramienta más estable y de respuesta mucho más rápida, que resulta más cómoda para estudiar distintas configuraciones de la máquina.

La deducción de la ecuación de estado del sistema se encuentra en el Anexo.

Todos los archivos se encuentran en la página de descargas.

Como ejemplo, se estudiará una máquina, construida usando tambores de 208 litros (55 galones) unidos por un tubo de 10 cm de diámetro y unos 10 metros de longitud. Trabajando con un salto de temperatura de 20ºC y a una velocidad de 30 rpm. Se ha elegido la opción de hacer trabajar la máquina con presiones menores a la atmosférica. Esto elimina la necesidad del lastrado de las campanas, disminuye las fuerzas de inercia y eventualmente permite mayores velocidades máximas (hay otros factores que pueden limitar la velocidad máxima).

En las ecuaciones se supone que la presión es contenida por la altura de la columna de agua, por lo que esta varia a lo largo del ciclo. Para producir este desplazamiento, es necesaria una fuerza para vencer la inercia del agua. El resultado de los cálculos muestra que este valor es despreciable para nuestro caso.

Finalmente, la conclusión es que el uso de sello líquido limita la potencia de la máquina, pues esta depende fuertemente de las presiones máxima y mínima, cuyos valores dependen de la altura de las campanas. Para distintos valores del ks, (factor que mide la eficiencia del sello líquido, ver Anexo) modificando el ángulo de fase, la carrera, y la altura residual; se puede encontrar una máquina óptima para la cual obtenemos una potencia de alrededor de los 20 wats y una cantidad máxima de condensado del orden de 9 litros/hora. Para aumentar la potencia hay que aumentar los límites de la presión y la solución es aumentar la altura de la máquina o aumentar la rigidez del sello.

Si el sello es rígido, desaparecen las limitaciones en la presión, y probablemente la potencia máxima estará limitada por la magnitud de las superficies de intercambio. También habrá que colocar un lastre, pues debemos mantener la presión media dentro del rango que soporta el sello líquido.

Es por esto que pienso que la solución práctica es el uso de un sello sumergido como plantea Tailer, y la colocación de paneles dentro de las campanas para aumentar la superficie de intercambio de calor (y humedad). El sello se hace necesario además para evitar el bamboleo de las campanas.


Mientras es de esperar un incremento importante en la potencia, la cantidad máxima de agua que se puede obtener varía poco, pues depende fundamentalmente de la cilindrada, la velocidad y la variación de la presión de vapor saturado. Esto nos indica que cuando el objetivo es obtener agua desalinizada una máquina con un sello mediocre puede funcionar perfectamente.

He buscado y no he encontrado ejemplos de este tipo de máquinas.

O estoy muy equivocado, o estas máquinas aún no han sido desarrolladas, son máquinas simples que están al alcance de los aficionados entusiastas y que entran dentro de la moda de la energía renovable y casi dentro del mito de la “energía gratis”, en esta época deberían ser máquinas bastante populares.

Esta idea y otras similares deben haber surgido cientos de veces (la tecnología necesaria para construirlas pertenece al siglo XIX) pero, o no era la época adecuada, o el investigador tenía otro tema más importante, o la consideró solo una curiosidad, o ...

No basta que una idea sea buena, lo que debe ser bueno, es "la idea y su circunstancia".

Creo que el tema es importante, los argumentos convincentes. y la época adecuada, lo que queda es encontrar un equipo de profesionales con los recursos y la voluntad para resolver el problema.

Finalmente y saliéndonos del tema, hay que decir que el campo de las máquinas de aire húmedo y ciclo cerrado no tiene porque restringirse a las de sello líquido y presión atmosférica.

No parece difícil diseñar máquinas de alta presión con una gran potencia específica. Hay patentes sobre esta clase en particular, pero que usan válvulas o inyectores, y estamos hablando de diseños que no las necesitan.

Siguiendo este rumbo, en el extremo, podemos pensar en máquinas de vapor y ciclo cerrado, como la que construí en el año 2008 y que llamé ciclo de Piot (Desiree Thomas Piot fue un ingeniero que a finales del siglo 19 desarrolló los botes pofpof) ver https://sites.google.com/site/motorpofpof/octavavariante

Tampoco he encontrado gran cosa sobre estas máquinas, tienen el inconveniente de competir en un nicho donde hay máquinas ampliamente perfeccionadas (ciclo Otto, Diesel, turbinas gas o vapor, etc), pero siempre es posible encontrar una aplicación donde tengan ventajas.