desarrollo de motores stirling para aplicaciones solares

349 Pages·2013·20.23 MB·Spanish

T D
ESIS OCTORAL

DESARROLLO DE MOTORES
STIRLING PARA APLICACIONES
SOLARES

David García Menéndez 2013

Programa de Doctorado de Fluidomecánica y Termotecnia

T D
ESIS OCTORAL

DESARROLLO DE MOTORES
STIRLING PARA APLICACIONES
SOLARES

Autor: David García Menéndez 2013
Director: Dr. Jesús Ignacio Prieto García

Programa de Doctorado de Fluidomecánica y Termotecnia

Muy tarde por la noche Nasrudín se encuentra dando vueltas alrededor de una farola,
mirando hacia abajo. Pasa por allí un vecino.
- ¿Qué estás haciendo Nasrudín, has perdido alguna cosa?- le pregunta.
- Sí, estoy buscando mi llave.
El vecino se queda con él para ayudarle a buscar. Después de un rato, pasa una vecina.
-¿Qué estáis haciendo? - les pregunta.
- Estamos buscando la llave de Nasrudín.
Ella también quiere ayudarlos y se pone a buscar.
Luego, otro vecino se une a ellos. Juntos buscan y buscan y buscan. Habiendo buscado
durante un largo rato acaban por cansarse. Un vecino pregunta:
- Nasrudín, hemos buscado tu llave durante mucho tiempo, ¿estás seguro de haberla
perdido en este lugar?
- No, dice Nasrudín
- ¿Dónde la perdiste, pues?
- Allí, en mi casa.
- Entonces, ¿por qué la estamos buscando aquí?
- Pues porque aquí hay más luz y mi casa está muy oscura.

A Eva y Almu

AGRADECIMIENTOS
Desde que comencé esta aventura, hace ya unos años, siempre tuve en mente
intentar acordarme de todas las personas que de una u otra manera me habían ayudado.
Ahora llega el momento y siento que la memoria me falla. Si alguien no está entre las
personas que voy a comentar a continuación, y cree que debería estar, por favor, que se
considere incluido.
Me gustaría comenzar agradeciendo todo el apoyo incondicional que he recibido
de toda mi familia, en especial de mis padres y de mi hermana (tan lejos pero tan cerca).
Almu, no sé cuantas horas de las que he dedicado a este trabajo son tuyas, porque siento
que te las he robado, gracias. Gracias también a Eva, ¿cómo es posible en tan poca
materia se concentren tantas ilusiones? A través de tus ojos estoy aprendiendo cómo
aprendí.
Gracias a Sera y a Jorge, qué siempre han confiado en mí y eso me ha dado
fuerzas para seguir.
Dentro de la Universidad de Oviedo hay muchas personas que me han ayudado:
Carlos Suárez y Agustín, con la fabricación de piezas, José Ángel Huidobro con alguna
integral, Belén, José Carlos y Montse con apoyo continuo durante estos años y el resto
de compañeros del Departamento de Física que al final tenían la delicadeza de no
preguntarme ¿cómo va la Tesis? También quisiera agradecer la ayuda desinteresada que
me prestaron Susana Montes, José Manuel Sierra, Modesto Cadenas, Juan Carlos
Campo y alguno más.
Con especial gratitud recuerdo a mis compañeros de diferentes proyectos, que
siempre me han animado, especialmente a Ruth, que siempre tenía una sonrisa
disponible.
Gran parte de esta Tesis se ha elaborado a partir de trabajos realizados en
colaboración con la Fundación Tekniker. Es a la gente que trabaja en Tekniker a
quienes quiero agradecer en primer lugar el respeto, aprecio y cariño con el que me han
tratado, y en segundo lugar quiero agradecerles todo lo que me han enseñado. Cristóbal,
Susana, Iván, Saioa, Alberto, Roberto, Íñigo, Norberto, Castaño, Patxi, Marcelo,
Elena…gracias de corazón.
Otra parte de esta Tesis no existiría sin la iniciativa de Impulso Industrial
Alternativo, S.L. ni sin el empeño de Alberto Cueto. Además la materialización del
motor de bajo salto térmico habría sido más difícil sin la colaboración de Advanced
Simulation Technologies S.L., que además del trabajo de Roberto y Juncal ha
financiado la implementación de una aplicación para adquisición de datos, ejecutada por
Iván Rodríguez. Gracias a todos ellos.
Finalmente quisiera agradecer a Miguel Ángel González su ayuda en todos los
aspectos técnicos, y como no, al Director de esta Tesis, Jesús Ignacio Prieto, por todo el
tiempo y paciencia que ha mostrado conmigo. Sin su aportación posiblemente me habría
perdido. Gracias Jesús por todo cuanto me has enseñado, y disculpa por todo aquello
que no he sabido comprender.

RESUMEN
Los sistemas de conversión termosolar basados en motores Stirling figuran entre
las líneas de investigación actuales que pretenden contribuir al uso racional de la
energía y al desarrollo sostenible.
La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo proporcionar criterios de
análisis, diseño, fabricación y ensayo útiles para el desarrollo de motores Stirling
alimentados con energía solar, a diferentes niveles de salto térmico.
La metodología empleada está basada principalmente en técnicas de Análisis
Dimensional y Teoría de Semejanza empleadas en trabajos anteriores, que se completan
con las correspondientes pruebas experimentales.
Los trabajos de investigación se iniciaron con recursos propios de la Universidad
de Oviedo, y se continuaron formando parte de proyectos y contratos de colaboración
con centros de investigación y empresas.
En el rango de altas temperaturas, se caracterizaron los diversos subsistemas de
uno de los prototipos con mayor éxito en el mercado actual, empleando simulaciones y
datos experimentales, algunos previamente publicados y otros obtenidos en
colaboración con la Fundación Tekniker y el Centro de Desarrollo de Energías
Renovables (CEDER-CIEMAT). Paralelamente, tareas relacionadas con esta parte de la
Tesis se realizaron en el marco del proyecto CENIT ConSOLI+Da, liderado por
Abengoa Solar New Technologies. No obstante, los resultados de esta participación no
se muestran en la Tesis por estar sometidos a acuerdos de confidencialidad hasta 2016.
En el rango de medias temperaturas, se desarrolló un micro-cogenerador solar en
colaboración con la Fundación Tekniker, diseñado mediante técnicas de escala a partir
del motor Philips M102C. Una parte esencial del micro-cogenerador es su calentador de
geometría no tubular, objeto de gran parte del trabajo experimental de la Tesis. Se
analizó la influencia de la geometría del calentador en el funcionamiento global del
motor y se obtuvieron las correlaciones características de las pérdidas de presión y de la
transmisión convectiva de calor. Se concluyó que la compresibilidad del gas tiene un
efecto despreciable en ambos fenómenos y que el nuevo diseño puede ser interesante en
motores que alcancen valores relativamente altos del número de Reynolds.
Una vez fabricado y montado el conjunto del micro-cogenerador se hicieron
pruebas estáticas de estanqueidad y pruebas de arrastre en frío y en caliente, empleando
como únicos cierres los anillos de guiado de los pistones. Aunque se detectó la
presencia de fugas en los anillos de guiado a regímenes de giro por debajo de unas 700
rpm, el análisis de los diagramas de presión y de indicador, y de la variación de la
temperatura del foco caliente funcionando como máquina inversa, ha proporcionado
resultados interesantes. Parece razonable esperar que el motor pueda producir una
potencia indicada del orden de la especificada cuando se disponga de anillos de cierre
eficaces, pero se descartó realizar la experimentación correspondiente, dado que las
tareas asociadas de montaje y desmontaje son inviables sobre los propios pistones del
motor. En futuros trabajos está previsto optimizar los cierres empleando un dispositivo
experimental específico, así como finalizar la fabricación de otro calentador alimentado
por aire caliente o gases de combustión con el que se podrán alcanzar temperaturas algo
mayores y realizar comparaciones.