universidad de chile facultad de ciencias físicas y matem ´aticas departamento de ingeniería mec

204 Pages·2008·10.13 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE CHILE
´ ´
FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS
´ ´
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
˜
DISENO DE UN MOTOR STIRLING TIPO GAMMA
DE BAJA DIFERENCIA DE TEMPERATURA
MEMORIAPARAOPTARALTI´TULODEINGENIEROCIVILMECA´NICO
WILLIAM ANTONY VIDAL GEISEL
PROFESORGU´IA:
CARLOSGHERARDELLIDEZEREGA
MIEMBROSDELACOMISIO´N:
ROBERTOROMA´NLATORRE
MARCOBE´JARVEGA
RAMO´NFREDERICKGONZA´LEZ
SANTIAGODECHILE
OCTUBRE2008
RESUMENDELAMEMORIA
PARAOPTARALT´ITULODE
INGENIEROCIVILMECA´NICO
POR:WILLIAMANTONYVIDALGEISEL
FECHA:27DEOCTUBRE2008
PROF.GU´IA:SR.CARLOSGHERARDELLI
“DISEN˜ODEUNMOTORSTIRLINGTIPOGAMMA
DEBAJADIFERENCIADETEMPERATURA”
Es bien conocida ya la crisis energe´tica a la que se enfrenta todo pa´ıs alrededor del mundo. En el caso
particulardeChile,ladisminucio´nenlosrecursoshidrocarburosylainestabilidadenlaslluviashagenera-
do recortes energe´ticos que han producido no so´lo molestias a los usuarios dome´sticos, sino considerables
pe´rdidas en el sector industrial. El gobierno ha reaccionado creando una serie de pol´ıticas para estimular la
utilizacio´ndefuentesrenovablesnoconvencionales,yhageneradoprogramasdeeficienciaenerge´tica.
Elpresentetrabajodet´ıtulotieneporobjetivodisen˜arunmotorcapazdeutilizarrecursosenerge´ticosno
convencionales de bajo potencial. En particular, el motor Stirling es capaz de trabajar con distintas fuentes
calo´ricas,yaqueesunama´quinadecombustio´nexterna.Sehaconsideradoladisponibilidaddeunafuente
de agua termal con un recurso de 28 [lt/min] a 70◦C, y una fuente de agua fr´ıa a 5◦C con el mismo caudal.
Unadelascaracter´ısticasma´ssobresalientesdelmotorStirling,esqueeselu´nicoqueteo´ricamentealcanza
elrendimientodeCarnot,queeselmayorrendimientoquepuedelograrunama´quinate´rmica.
El disen˜o consta de dos partes: un disen˜o termodina´mico y un disen˜o meca´nico. Para el disen˜o ter-
modina´mico se ha utilizado un modelo de simulacio´n preparado especialmente para las caracter´ısticas del
recurso descrito, incorporando para´metros reales del motor que se pretende construir. Este disen˜o permite
obtener las dimensiones ma´s apropiadas para reproducir el ciclo Stirling de la mejor manera posible. El
disen˜omeca´nicopresentalosmaterialesylasdimensionesfinalesquedebentenerlaspiezasconstituyentes
delmotorparareproducirelcicloquesedetermino´ enelana´lisistermodina´mico.
Se obtiene como resultado un modelo termodina´mico para este motor en particular, pero que es fa´cil-
menteadaptableaotrasconfiguracionesdemotoryaotrascaracter´ısticasderecurso.Estemodeloseutiliza
como herramienta para optimizar las dimensiones de las distintas piezas del motor, de tal forma que se
obtenga la ma´xima potencia posible. Despue´s de diversas consideraciones sobre resistencia de materiales
y propiedades de transferencia de calor de las mismas, se definen los materiales y dimensiones finales, las
cualesquedanconsignadasenlosplanosdeconstruccio´n.
La conclusio´n final de este trabajo es la realizacio´n completa del disen˜o del motor, estima´ndose una
potenciageneradade156,8[W]a310[RPM].Seaseguralafactibilidadconstructivadelmismoconrecursos
nacionalesysepresentaunadiscusio´nsobrelosmodelostermodina´micosutilizados.
I
Amipadre,
quienesperabaestemomento
quiza´sconma´sansiasqueyomismo.
II
AGRADECIMIENTOS
Haymuchaspersonasaquienagradecer.
En primer lugar, a mi Creador y Padre Jehova´, por darme las fuerzas necesarias para llegar al final de
estaempresa.
Amimadre,Patricia,quienpormuchosan˜osseesforzo´ ma´sdeloquepudieraimaginarmepordarmelo
necesarioparasubsistirycumplirmismetas.Amipadre,quiensiempremehainfundidoa´nimoyhacre´ıdo
en m´ı, quien siempre se ha esforzado por que ni a m´ı ni a mis hermanos nos falte lo necesario para seguir
adelante.
Tambie´namishermanos,todosquienesdeunauotraformacontribuyeronalarealizacio´ndeestetrabajo.
RecuerdoqueSorachmeescaneo´ unafoto.
Amisprofesores:aCarlosquemetuvomuchapacienciacuandotrata´bamosdesolucionarlosproblemas
que se presentaban, y al profe Roma´n porque siempre estuvo dispuesto a ayudar (cuando lo encontraba en
laFacultad),yleotorgo´ muchovaloraltrabajoquerealizaba.ElprofesorBe´jar,aunquealfinaldiounpaso
atra´s,siempreestuvomuydispuestoaguiarenlaspartesquelorequer´ıa.Aunqueextraoficialmente,A´lvaro
Valenciatambie´naporto´ bastanteenlarealizacio´ndealgunosmodelosyeldesarrollodeconceptos.¡Gracias
atodos!
Las secres de aca´ son un 7. Gracias a Soledad que, aunque hace mucho que no la veo, siempre estuvo
dispuesta a ayudar en lo que se pod´ıa. Tambie´n a Raquelita, muy atenta ella con los libros y los permisos
paravenirelfindesemanaalaU.Semerecenespecialreconocimientolasduen˜asdel4◦ piso,Maricarmeny
Mar´ıaEugenia...nuncapodre´ pagarlabuenavoluntadquetuvieronparaayudarmeentodocuantopudieron,
sindudamuchoma´sdeloqueimplicasutrabajo.Siemprelorecordare´,muchasgraciasdeverdad.
Mis compan˜eros, en especial Nacho, Arie´, Pili y Ba´rbara. Siempre fueron un gran aporte y apoyo en
todo.AFernandoBaeza,JP,He´ctor,WilsonytantosotrosqueporMSNmesacarondeapuros.
Mis amigos tambie´n se pasaron. Todos de una u otra forma fueron un apoyo. Agradezco a aquellos
que comprendieron cuando los tuve que dejar de lado unos d´ıas por causa del trabajo, y los que no me
comprendieron...¡alla´ ellos!
En especial a Araceli, que compartio´ mi preocupacio´n por el e´xito de este trabajo en incontables oca-
siones, y corrigio´ la ortograf´ıa de una o dos pa´ginas por entrega. Tambie´n Felipe que me presto´ su oficina
paratrabajar,ysiempremerecibio´ bien:¡graciasporloscafe´s!
Graciasatodosdeverdad,porhacerrealidadestesuen˜oquetomo´ ma´sdeseisan˜osdetrabajo.
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Indice General
1. Introduccio´n 1
1.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1. ObjetivoPrincipal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2. ObjetivosSecundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Antecedentes 3
2.1. ElmotorStirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1. Partesprincipales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2. CicloStirlingideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3. Ciclotermodina´micoreal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4. Configuraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. ContextoEnerge´ticoNacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3. DisponibilidaddelRecurso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1. Energ´ıaGeote´rmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2. Fuentesgeote´rmicasenChile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4. AplicacionesdeMotoresStirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5. ModelosTermodina´micos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.1. ModelosdePrimerOrden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2. ModelosdeSegundoOrden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6. Correccionesalmodeloideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.1. Correccionesenlatransferenciadecalor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2. Pe´rdidasdecarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7. Correlacionesutilizadasparamodelarelintercambiote´rmico . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.1. IntercambiadoresdeTubos:FlujoExterno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.7.2. IntercambiadoresdeTubos:FlujoInterno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.8. Sistemameca´nicobiela-manivela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3. Metodolog´ıa 42
3.1. Etapa1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
III
I´NDICEGENERAL IV
3.1.1. ModeloAdiaba´ticoIdeal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2. ModeloAdiaba´ticoCorregido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.3. Correccio´ndeT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
wall
3.2. Etapa2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1. Consideracionesparapiezassometidasacargasc´ıclicas . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3. Etapa3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4. ResultadosyDiscusio´n 50
4.1. Validacio´ndelModelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.1. ResultadosobtenidosconModelosPrimerOrden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.2. ResultadosobtenidosconModeloSegundoOrden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.3. ResultadosObtenidosconModeloAdiaba´ticoCompletamenteCorregido:MACC. . 55
4.2. Disen˜otermodina´mico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.1. Configuracio´ndearreglodetubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2. Dia´metroyCarreraDesplazador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.3. Porosidaddelamalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.4. Dia´metrodelalambredelamalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.5. Espaciamientoentrealetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.6. Dia´metrodeltubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.7. AlturadelaAleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.8. Nu´merodeMallasdelRegenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.9. CarreradelPisto´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.10. Espaciamientoentretubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.11. Conciliacionesgeome´tricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.12. Disen˜oTermodina´micoFinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.13. Ana´lisisalternativodelregenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3. Disen˜oMeca´nico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.1. VolantedeInercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.2. Rodamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.3. SellosMeca´nicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.4. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.5. Ana´lisisElementosFinitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5. Conclusio´n 101
Bibliograf´ıa 103
A. Ca´lculosmenores 106
I´NDICEGENERAL V
A.1. TemperaturaMediaEfectivaenelRegenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.2. Velocidadma´ximadelflujoexternoenunintercambiadordetubosconarreglotriangular . . 107
B. CriteriodeClapeyronparacargasnograduales 109
C. Memoriasdeca´lculo 111
C.0.1. VolantedeInercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
C.0.2. Rodamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
D. Co´digosComputacionalesModelodeSegundoOrden 116
E. Planos 189
Cap´ıtulo1
Introduccio´n
Enlaactualidad,lagraninestabilidadyconstantesaumentosdelospreciosdeloscombustiblesfo´siles,
juntoconlosproblemasdecontaminacio´nqueinvolucralautilizacio´ndehidrocarburos,poneendiscusio´nla
bu´squedadenuevasfuentesdegeneracio´ndeenerg´ıa,ma´slimpiasy,enloposible,renovables.Esteproblema
afecta particularmente a Chile, debido a que gran parte de su matriz energe´tica es alimentada a trave´s de
combustibles convencionales (gas, petro´leo o carbo´n), y estos no se producen de manera considerable en
el pa´ıs. Esta situacio´n crea una peligrosa dependencia que ya ha tenido efectos perjudiciales no so´lo en el
preciodeloscombustibles,sinotambie´neneldeproductosba´sicosdeconsumofamiliar,delaelectricidad
yalgunoscortesenelsuministrodegas,principalmenteenelsectorindustrial.
El problema no es menor, y ha llevado al gobierno a la generacio´n de campan˜as para promover la uti-
lizacio´neficientedelaenerg´ıa,elusodeenerg´ıasrenovables(minihidra´ulicas,solar,eo´licaentrootras),yla
creacio´ndeunalegislacio´nqueincentivelageneracio´ndelasmismas.
Este escenario deja claro que el proyecto de disen˜ar un motor que utilice recursos de bajo potencial
que hoy se desperdician resulta una idea muy atractiva, y que es necesario realizar estudios sobre el fun-
cionamientodeunmotordeestascaracter´ısticasparaevaluarsudesempen˜o.
El motor Stirling ha sido estudiado largamente desde su concepcio´n, en el an˜o 1816. Su desarrollo lo-
gro´ quellegaraacompetirconlama´quinaavaporduranteelsigloXIX.Sinembargo,despue´sdelacreacio´n
de los motores de combustio´n interna y la gran disponibilidad de combustibles fo´siles, fue desplazado por
motorescomoeldecicloOttooDiesel.
Una de las grandes ventajas de este motor es su versatilidad en cuanto a las fuentes de energ´ıa con las
quepuedetrabajar.Enparticular,elusodelaenerg´ıadelatierra,laenerg´ıageote´rmica,unrecursorenovable
y limpio, resulta una muy buena alternativa para alimentar un motor Stirling. Esto considerando adema´s el
granpotencialgeotermalqueposeeChilealolargodetodosuterritorio.
El presente trabajo describe el disen˜o completo de un prototipo de motor Stirling: desde el ana´lisis
termodina´micohastalageneracio´ndeplanosdeconstruccio´n.Sesabequeenlaszonastermalessepueden
1
encontrar flujos de agua caliente a 70◦C con caudales de hasta 15 kg/s[1]. En el mismo lugar, los afluentes
cordilleranostransportanaguaatemperaturascercanasalos5◦C.Estosdoselementossonlosnecesariospara
el funcionamiento de un motor Stirling: una fuente fr´ıa y una fuente caliente, ambos con una temperatura
relativamenteconstante.Estospara´metrosdetemperaturaycaudalhansidolabasedeldisen˜omencionado.
Elmotorutilizadosintercambiadoresdecalor,unoparaextraercalordelaguacalienteyentregarloalgas
detrabajoensuinterior,yelotroparaextraercalordelgasdetrabajoyevacuarloatrave´sdelaguafr´ıa.Este
intercambio continuo de calor en el gas de trabajo hace que este se expanda o contraiga, generando trabajo
u´tilqueesaprovechadopormediodeunpisto´nconectadoaunejepormediodeunsistemabielamanivela.
1.1. Objetivos
1.1.1. ObjetivoPrincipal
Elobjetivoprincipaldeestetrabajoesobtenereldisen˜ocompletodeunmotorStirlingdebajadiferencia
detemperatura.
1.1.2. ObjetivosSecundarios
ComprenderelfuncionamientogeneraldelmotorStirling.
Prepararunmodelotermodina´micoqueincluyalaspe´rdidaste´rmicasproducidasporconduccio´nnatural
enelmotor,yquemodeledeunamanerarealistalosprocesosdetransferenciadecalorquesesucedendentro
delmotor.
Seleccionarlosmaterialesapropiadosparalaconstruccio´ndelmotor,deacuerdoconlascondicionesde
trabajocalculadasconelmodelotermodina´mico.
Dimensionarlaspiezasdeformaqueseasegureelcorrectofuncionamientodelmotor,ylaseguridaden
cuantoasuestructura.
Prepararlosplanosdepiezasyconjuntosparalaconstruccio´ndelmotor.
1.2. Alcances
Eldisen˜onoesta´ orientadoaunmotorconfinesindustriales,sinoaunaunidadprototipodelaboratorio.
Noseprofundizara´ enlascaracter´ısticasdelrecursote´rmico.
2
Cap´ıtulo2
Antecedentes
2.1. El motor Stirling
ElmotorStirlingtrabajaidealmentesiguiendoelcicloStirling,oalgunadesusvariantes,dondefluidos
compresibles,comoaire,hidro´geno,helio,nitro´genooinclusovaporessonusadoscomofluidosdetrabajo.
ElmotorStrilingofrecelaposibilidaddegenerartrabajoconunaaltaeficiencia,ybajasonulasemisiones,
lo cual representa una ventaja con respecto a los motores de combustio´n interna. Los primeros motores
Stirling eran grandes y de baja eficiencia. Sin embargo, a trave´s del tiempo, se han desarrollado avances en
losmodelosdemotoresStrilingquehanpermitidomitigardichasdeficiencias.
LosmotoresStirlingmodernosadema´sdetenerunamejoreficienciapuedentrabajarconfuentesdecalor
amayortemperatura.Alsermotoresdecombustio´nexterna,puedenfuncionarconlamayor´ıadelasfuentes
decalorexistentes:geote´rmica,gasesdeescapeindustriales,solarte´rmica,biomasaocualquiercombustible.
ElmotorStirlingpuedeserusadoenmuchasaplicaciones,incluyendoaquellasdonde:
Serequiereutilizardiferentescombustibles.
Seencuentradisponibleunafuentedeenfriamientoabundante.
Serequiereunaoperacio´nconbajoruido.
Sepermitevelocidadesrelativamentebajas.
Sepermitetenerunaentregadepotenciademagnitudconstante.
Sepermitenvariacioneslentasenlapotenciadesalidadelmotor.
Sepermiteunper´ıodorelativamentelargodecalentamiento(per´ıodotransiente).
3