Motor Stirling de bajo salto térmico.

Motor Stirling de bajo salto térmico que comprende un pistón desplazador (13) con un regenerador (22) para el paso del gas de trabajo a su través,

un pistón de trabajo (12) y un conducto (26) que comunica los dos cilindros asociados a cada pistón. Comprende además una placa calentadora (1) para cerrar por un extremo ambos cilindros del pistón desplazador (13) y del pistón de trabajo (12) y para transferir calor al gas de trabajo contenido entre dicha placa calentadora (1) y dichos pistones (12, 13); una placa enfriadora (2) para cerrar el otro extremo del cilindro del pistón desplazador (13) y para refrigerar el gas de trabajo contenido entre dicho pistón desplazador (13) y dicha placa enfriadora (2). La superficie en contacto con el gas de trabajo de la placa enfriadora (2) es menor que la de la placa calentadora (1).

Campo técnico de la invención

La invención pertenece al campo de las máquinas térmicas. Más concretamente de aquellas destinadas al aprovechamiento de corrientes energéticas residuales de baja temperatura para producción de energía eléctrica o combinada con energía térmica (cogeneración).

Antecedentes de la invención

Es conocida la capacidad de operar entre focos con baja diferencia de temperatura en los motores Stirling llamados de bajo salto térmico (inferior a 100°C, aproximadamente).

Existen diseños de motores Stirling que disponen dos pistones de simple efecto en cilindros diferentes (configuración tipo `alpha). El gas encerrado entre los pistones es desplazado alternativamente entre el foco caliente y el frío del motor como consecuencia del movimiento de dichos pistones. En otro tipo de motores el desplazamiento del gas se consigue mediante un pistón llamado desplazador y un pistón de trabajo en el mismo cilindro (configuración tipo `beta). El pistón desplazador no realiza trabajo útil, pues tiene sus dos secciones extremas rodeadas por el gas interno. Otra variante dispone el pistón desplazador y el pistón de trabajo en cilindros diferentes (configuración gamma).

La configuración `alpha proporciona los valores más altos de potencia específica empleando pistones de doble acción. El intercambio de calor con los focos térmicos se realiza a través de intercambiadores de haz tubular con diámetros tan pequeños que pueden calificarse de capilares. Esta geometría cilindrica es ventajosa para resistir presiones elevadas, así como para proporcionar un coeficiente de transferencia convectiva suficiente y la superficie de intercambio necesaria con el menor volumen muerto posible.

En Takeuchi et al. (Takeuchi, et al., 2000. Studie zur Konstruktion einer Niedertemperatur-Stirling-Maschine mit hoher Drehzahl. Proceedings of the European Stirling Forum 2000, pp. 347-354, Osnabrück, Germany.) se propone un motor en configuración de tipo `alpha conocido como motor Yamanokami 2. Este motor Yamanokami 2 desarrolla unos 600 W con aire a la presión media de 0.7 MPa. Los

intercambiadores de calor están dispuestos en coronas cilindricas concéntricas con el cilindro de expansión y con el de compresión. La amplitud del volumen de barrido, diferencia entre el máximo y el mínimo volumen ocupado por el gas durante un ciclo, es superior a 10 litros.

De otra parte, entre las propuestas de motores en configuración `gamma capaces de desarrollar potencias interesantes para aplicaciones industriales en el entorno de 100°C de salto térmico se destacan las siguientes.

En Iwamoto et al. (Iwamoto, et al., 1997. Comparison of low and high temperature differential Stirling engines. Procedings of the 8th International Stirling Engine Conference and Exhibition, pp. 29-37, Ancona, Italy.) se propone un prototipo denominado motor Yamanokami 1 que es un voluminoso prototipo con amplitud de volumen de barrido superior a 25 litros y un peso del orden de 1000 kg, que produce unos 150 W con aire a la presión media de 0.1 MPa. El intercambio de calor con los focos se realiza a través de tubos dispuestos en la corona cilindrica existente entre el cilindro y el pistón desplazador. El fluido calefactor o refrigerante circula por el interior de los tubos y el gas de trabajo (aire) circula por el exterior.

Otros prototipos con salto térmico del orden de 100°C y desarrollo más reciente (Kongtragool and Wongwises, 2007a, 2007b y 2008) son menos voluminosos pero la potencia producida es menor en dos órdenes de magnitud, realizándose el intercambio de calor a través de las bases planas situadas en los extremos de cilindros con configuración `gamma. Las bases con reducida curvatura o incluso planas pueden ser suficientemente resistentes cuando el ciclo se realiza con presión media atmosférica.

En resumen, los actuales motores Stirling de bajo salto térmico son escasos y principalmente del tipo `gamma CEC (coid end connected), pues disponen un pistón de trabajo y un pistón desplazador en cilindros diferentes y los cilindros están conectados por el lado frío. Algunos de tales motores alcanzan potencia interesante para aplicaciones industriales de bajo salto térmico aunque son poco compactos. El intercambio de calor lo realizan a través de superficies cilindricas coaxiales con el cilindro de expansión que contiene al pistón desplazador. Es de notar que si el intercambio de calor se realizara a través de la base plana situada en un extremo del cilindro caliente, la potencia desarrollada sería mucho menor.

Por otra parte, existe otra configuración de tipo `gamma HEC (hot end connected) que tiene los cilindros del pistón desplazador y del pistón de trabajo conectados a través del lado caliente del motor. Hasta la fecha no ha sido muy estudiada debido a las dificultades tecnológicas que presenta lograr anillos de cierre resistentes a altas temperaturas.

La presente invención propone un motor Stirling en configuración `gamma HEC que permite lograr potencias específicas interesantes en aplicaciones con bajo salto térmico y que tiene en cuenta los problemas mencionados.

REFERENCIAS:

Kongtragool, B. and Wongwises, S., 2007a. Performance of low-temperature differential Stirling engines. Renewable Energy, Vol. 32, pp. 547-566.

Kongtragool, B. and Wongwises, S., 2007b. A four power piston low-temperature differential Stirling engine powered by a solar simulator. Solar Energy, Vol. 81, pp. 88410 895.

Kongtragool, B. and Wongwises, S., 2008. Performance of a twin power-piston low- temperature differential Stirling engine using simulated solar energy as a heat source. Solar Energy, Vol. 82, pp. 493-500.

Prieto, J. I. and Méndez, A., 2001. Comparison between conventional and inverted 15 Ross yoke drive mechanisms. In Proceedings of the 10th International Stirling Engine Conference, ISBN 3-931384-38-1, Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (ed.), pp.173- 180, Osnabrück, Alemania.

Takeuchi, M., Suzuki, S., Abe, Y. and Kitahara, A., 2007a. Development of 1 kW Class Low Temperature Difference Indirect Heating Stirling Engine using a+-type Mechanism. 20 In Proceedings of the 13th International Stirling Engine Conference, pp.38-41, Tokyo, Japan.

Takeuchi, M., Abe, Y. Suzuki, S.,Nakaya, Z. and Kitahara, A., 2007b. Development of 10 kW Class Low Temperature Difference Indirect Heating Stirling Engine using a+- type Mechanism. In Proceedings of the 13th International Stirling Engine Conference, 25 pp.42-45, Tokyo, Japan.

Las características principales de estos motores de bajo salto térmico se resumen en la Tabla 1 donde muestra:

Comparación entre motores con salto térmico próximo a 100°C