Desarrollo de una metodología de cálculo para el diseño de una bomba de calor Stirling oscilante

Abstract

Estudios recientes muestran que las medidas de la UE y los esfuerzos relacionados con la industria deberían aumentarse para alcanzar el objetivo de ahorro de energía. Una de las medidas de ahorro de energía en el entorno de la construcción es la mejora de la conversión de la energía en los edificios mediante la sustitución de las tecnologías menos eficientes por otras más eficientes. Las alternativas más destacables en este campo son los sistemas de microcogeneración y las bombas de calor. Los sistemas de micro-cogeneración basados en la tecnología Stirling han demostrado ser una alternativa altamente competitiva, alcanzando eficiencias globales en torno al 90%. En comparación, las centrales eléctricas más modernas de ciclo combinado ofrecen un rendimiento en torno al 58%. Recientes estudios proponen a la tecnología Stirling como una potencial alternativa a las máquinas de compresión de vapor empleadas en aplicaciones de calefacción. Las bombas de calor Stirling se plantean como una eficiente alternativa evitando el uso de sustancias perjudiciales para el ozono. En su lugar se emplean gases respetuosos con el medio ambiente, como puedan ser el nitrógeno o el helio. Son numerosos los desarrollos en torno a la tecnología durante los últimos años, cabe destacar como ejemplo los Stirling de pistón libre. En comparación con las configuraciones clásicas, se busca simplificar la tecnología Stirling, ya que a pesar de haber demostrado una alta eficiencia y confiabilidad, las soluciones disponibles siguen siendo complejas. Otra evolución más reciente son los Stirling giratorios y oscilantes. Al igual que en el caso de los Stirling de pistón libre, estas alternativas pretenden simplificar las máquinas Stirling. Para ello, se trata de simplificar o eliminar el mecanismo de transmisión, uno de los componentes de coste más elevado del equipo. El presente trabajo de investigación propone abordar las arquitecturas Stirling oscilantes. En este tipo de configuración, un motor oscilante es directamente acoplado a los pistones de trabajo, de modo que no es necesario ningún mecanismo de transmisión intermedio consiguiéndose así aumentar la eficiencia global y reducir el coste del equipo. Un punto crucial para el futuro desarrollo de soluciones basadas en la tecnología Stirling es la falta de metodologías de diseño fiables que consideren las peculiaridades de configuraciones novedosas como la considerada en el presente estudio. Dada la complejidad de una aplicación Stirling, el diseño de este tipo de sistemas suele realizarse de un modo secuencial, de modo que cada etapa de diseño aborde con más detalle los diferentes fenómenos que ocurren. Inicialmente se emplean modelos sencillos, para una vez obtenido un diseño preliminar pasar a emplear modelos más complejos. La correcta modelización de los diferentes componentes de un equipo Stirling es fundamental para garantizar la fiabilidad de una herramienta de diseño. Entre los diferentes componentes, los intercambiadores de calor son los que en mayor medida afectan al rendimiento y costo del conjunto. Estos, trabajan bajo condiciones de flujo oscilante transitorio y turbulento, para las que se desconoce de la existencia de correlaciones válidas que caractericen la caída de presión y transferencia de calor. El objetivo del presente trabajo de investigación es contribuir en el conocimiento de una novedosa configuración Stirling oscilante analizándose su modo de funcionamiento y estudiando su respuesta ante posibles situaciones en funcionamiento como son la fase de arranque y cambios en las temperaturas de trabajo. Se propone una nueva metodología de diseño para el dimensionamiento preliminar de bombas basadas la configuración Stirling oscilante. En segundo lugar, se pretende contribuir al desarrollo de futuras metodologías y herramientas de cálculo, aportando conocimiento en torno al flujo oscilante y al proceso de transferencia de calor en los intercambiadores de calor empleados en la tecnología Stirling.

Europar batasunean finkatutako energia aurrezpen helburuak lortu ahal izateko, gaur egun arte bultzatutako neurri eta ahaleginak areagotu beharko liratekeela erakusten digute azkenaldian burutu diren hainbat ikerketek. Eraikuntza arloan, energia aurrezteko neurrietariko bat, energiaren eraldaketaren hobekuntza da teknologia efizienteagoen erabilera eginez. Aipagarrienak kogenerazio eta bero ponpak dira. Stirling teknologian oinarritutako kogenerazio sistemek, aukera lehiakorra direla frogatu dute, %90 inguruko efizientziak lortuz, ziklo konbinatuko zentralek, ordea, %58 inguruko efizientziak lortzen dituztelarik. Ikerketa berri ezberdinek, Stirling teknologia bero ponpen alternatiba gisa proposatzen dute; bai efizientzia aldetik, eta baita erabiltzen dituzten ingurumenarekiko kutxakorrak ez diren gasengaitik ere: nitrogenoa edo helioa. Azken urteotan aurrerakuntza ugari egin da Stirling teknologiaren inguruan: Stirling akustikoak edo sistema oszilatzaileak. Ikerketa lan hau, sistema oszilatzaileetan oinarritutako Stirling teknologia buruz jardungo da. Konfigurazio mota honetan, transmisio mekanismorik ez da behar, eta ondorioz, efizientzia handiagoak eta kostu txikiagoak lortzen dira. Stirling teknologiak aurrera egin dezan, ezinbestekoak dira konfigurazio berritzaileen berezitasunak kontuan dauzkaten diseinu metodologia fidagarriak garatzea, aztergai dugun lan honetan izan diren berezitasunak kasu. Stirling teknologian oinarritutako makinen konplexutasuna dela eta, diseinua urrats desberdinetan banatzen da. Era honetan urrats bakoitzean gertatzen diren fenomenoak modu sakonago batean azter daitezke. Hasiera batean eredu soilak erabiltzen dira, hauen bidez aurrediseinu bat egin da eta ondoren eredu konplexuagoak erabiltzen dira. Diseinu erreminta baten fidagarritasuna bermatzeko, ezinbestekoa da Stirling makinaren osagarri desberdinen modelaketa zuzena egitea. Osagarri desberdinen artean, bero trukagailuak dira efizientzia eta kostuan eragin nabarmenena dutenak. Hauek, fluxu oszilakor iragankor eta zurrunbilotsu balditzetan egiten dute lan. Gaur egun, ez dira ezagutzen lan baldintza hauetan onargarriak diren korrelaziorik bero transferentzia eta presio galera kalkulatu ahal izateko. Ikerketa honen helburua Stirling teknologian oinarritutako kalkulu metodologien garapenean laguntzea da. Honetarako, lehenik eta behin, konfigurazio oszilakor berritzaile batean oinarritutako diseinu metodologia baten garapena egin behar da. Bigarrenik, diseinu metodologietan erabilgarriak diren korrelazioen garapena du helburu lan honek. Korrelazio hauek, fluxu oszilakor iragankor eta zurrunbilotsu balditzetan bero transferentzia eta presio galera kalkulatu ahal izateko baliagarriak izango dira.