Dresden, Techn. Univ., Diss., 2004. / Computerdatei im Fernzugriff.

Dresden, Techn. Universiẗat, Diss., 2004.

Es bien conocida ya la crisis energética a la que se enfrenta todo país alrededor del mundo. En el caso particular de Chile, la disminución en los recursos hidrocarburos y la inestabilidad en las lluvias han generado recortes energéticos que han producido no sólo molestias a los usuarios domésticos, sino considerables pérdidas en el sector industrial. El gobierno ha reaccionado creando una serie de políticas para estimular la utilización de fuentes renovables no convencionales, y ha generado programas de eficiencia energética. El presente trabajo de título tiene por objetivo diseñar un motor capaz de utilizar recursos energéticos no convencionales de bajo potencial. En particular, el motor Stirling es capaz de trabajar con distintas fuentes calóricas, ya que es una máquina de combustión externa. Se ha considerado la disponibilidad de una fuente de agua termal con un recurso de 28 [lt/min] a 70°C, y una fuente de agua fría a 5°C con el mismo caudal. Una de las características mías sobresalientes del motor Stirling, es que es el único que teóricamente alcanza el rendimiento de Carnot, que es el mayor rendimiento que puede lograr una máquina térmica. El diseño consta de dos partes: un diseño termodinámico y un diseño mecánico. Para el diseño termodinámico se ha utilizado un modelo de simulación preparado especialmente para las características del recurso descrito, incorporando parámetros reales del motor que se pretende construir. Este diseño permite obtener las dimensiones más apropiadas para reproducir el ciclo Stirling de la mejor manera posible. El diseño mecánico presenta los materiales y las dimensiones finales que deben tener las piezas constituyentes del motor para reproducir el ciclo que se determinó en el análisis termodinámico. Se obtiene como resultado un modelo termodinámico para este motor en particular, pero que es fácilmente adaptable a otras configuraciones de motor y a otras características de recurso. Este modelo se utiliza como herramienta para optimizar las dimensiones de las distintas piezas del motor, de tal forma que se obtenga la máxima potencia posible. Después de diversas consideraciones sobre resistencia de materiales y propiedades de transferencia de calor de las mismas, se definen los materiales y dimensiones finales, las cuales quedan consignadas en los planos de construcción. La conclusión final de este trabajo es la realización completa del diseño del motor, estimándose una potencia generada de 156,8[W] a 310[RPM]. Se asegura la factibilidad constructiva del mismo con recursos nacionales y se presenta una discusión sobre los modelos termodinámicos utilizados.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecácnica / Ingeniero Civil Mecánico / En la línea de la generación energética en Chile, existe un gran potencial aprovechable de energías renovables. De estos potenciales destaca la existencia fuentes geotérmicas de baja entalpía, donde el uso de motores Stirling resulta atractivo por su versatilidad y autonomía. Sin embargo, actualmente son escasos las trabajos de motores Stirling que aprovechen fuentes de baja entalpía. Asimismo, el uso de fluidos de trabajo distintos al aire con estos gradientes o referidos a fuentes geotérmicas es aún menor. El presente trabajo tiene como objetivo el diseño, tanto termodinámico como mecánico, construcción y posterior análisis experimental de un prototipo de motor Stirling de baja entalpía que aporte con nueva información respecto al uso de bajos gradientes térmicos con fluidos de trabajo como aire y helio. Se confeccionó una plataforma numérica, con la que se realizó la modelación y posterior optimización de un prototipo de motor Stirling en función de parámetros dimensionales representativos. Con el modelo numérico, se procedió al diseño mecánico y construcción del prototipo. En paralelo, se conformó un banco de pruebas para medir parámetros de desempeño, tales como presión, temperaturas, torque, rpm y potencia. Con el banco de pruebas se obtuvieron las curvas de potencia y torque con uso de aire y para una temperatura de la sección caliente de 220 C, 280 C y 310 C donde se obtuvieron potencias máximas de 0.4, 0.9 y 1.46 Watts respectivamente y para el caso de helio se utilizaron temperaturas de la sección caliente de 170 C, 238 C y 287 C que llevaron a potencias máximas de 0.87, 2.41 y 2.76 Watts respectivamente. También se realizó un balance de energía por medio del diagrama indicador para aire a 310 C y helio a 170 C. Por último, se contrastaron los resultados experimentales con la modelación numérica del prototipo. Con los resultados experimentales se comprobaron las tendencias de desempeño del prototipo respecto al modelo numérico para distintos gradientes térmicos, y también para el uso de aire y helio como fluidos de trabajo. Por otro lado, las pérdidas conductivas no ponderadas por la carcasa del prototipo real mermaron la eficiencia térmica global y provocaron la falta de ajuste con el modelo numérico. Se ha contribuido también al conocimiento de motores Stirling de baja entalpía, por medio de la metodología de análisis, y la experiencia relativa a la construcción, toma de datos y estudio práctico del funcionamiento del motor. Entregando con este trabajo un referente y una base para futuros trabajos experimentales en prototipos de motores Stirling de baja entalpía.

El objetivo general de esta memoria es diseñar un motor Stirling de baja entalpía para estudiar la posibilidad de generar electricidad mediante fuentes geotérmicas con esta tecnología, principalmente para red domiciliaria. Para esto, se analizó el desempeño de un prototipo de motor Stirling en las dependencias del Departamento de Ingeniería Eléctrica. Así, los resultados obtenidos en el análisis de esta última fueron la base para el diseño del motor Stirling de baja entalpía. Se procedió a la recopilación de antecedentes en cuanto a la tecnología a utilizar, los costos asociados, y la potencialidad de los recursos disponibles. Posteriormente, se elaboraron modelos termodinámicos con el fin de estudiar el comportamiento de un motor Stirling ante las condiciones térmicas de las fuentes geotermales. Estos modelos permitieron seleccionar las dimensiones y la configuración de los elementos constituyentes de la máquina. Los modelos entregaron información valiosa sobre la potencia útil generada por la máquina y sus pérdidas asociadas, identificando sus partes críticas y las soluciones posibles. Se estudió en detalle los tipos de tecnología que se utilizan para motores Stirling de baja entalpía con el fin de elaborar un diseño óptimo. En este sentido, el diseño se basó en experiencias anteriores en este tema, buscando las mejores alternativas y optimizando aquellos diseños. Finalmente, se diseñó un motor Stirling para las condiciones específicas de las fuentes geotermales en Chile, utilizando tanto la información recopilada como las conclusiones obtenidas tras el trabajo en la minicentral.

[pt] O presente trabalho estuda um motor de deslocamento positivo Stirling rotativo. Dois modelos de simulação para este motor Stirling rotativo são desenvolvidos. O primeiro modelo utiliza o método isotérmico, mediante o qual a câmara de expansão/compressão do motor está à mesma temperatura do reservatório térmico com que troca calor. O segundo modelo utiliza o método de volumes de controle, no qual o motor é dividido em cinco volumes de controle: as câmaras de expansão e compressão, o aquecedor, o resfriador e o compartimento rotativo. Para cada volume de controle aplicam-se as equações de conservação de massa e energia e de equações de estado do gás. O sistema de equações diferenciais ordinárias resultantes do segundo modelo, é integrado, permitindo obter-se a variação no ângulo do eixo para todas as variáveis termodinâmicas do motor (pressão, temperatura, etc.). Dadas as condições de operação e a geometria do motor rotativo em estudo, os modelos preveem resultados globais e transientes ângulo a ângulo. Os resultados dos modelos são confrontados com resultados teóricos disponíveis na literatura. / [en] The present work studies a positive displacement rotary Stirling engine. Two simulation models for this rotary Stirling engine are developed. The first model applies the isothermal method, in which the gas at the engine expansion / compression chamber has the same temperatures of the thermal reservoir. The second model uses the control volume method, in which the engine is divided into five control volumes: the expansion and compression chambers, the heater, the chiller and the rotary chamber. For each control volume the equations of conservation of mass and energy and the equation of state, are applied. The system of ordinary differential equations resulting from the second model is integrated allowing to obtain the variation in the axis angle for all thermodynamic variables of the motor (pressure, temperature, etc.). Given the operating conditions and geometry of the rotating motor under study, the models provide global and transient results from angle to angle. Results from two models are confronted with theoretical results available in the literature.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-01-13T13:09:46Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Laura Vitória Rezende Dias - 2016.pdf: 6797582 bytes, checksum: 102b4a133abc8e93649bbe49a562dcad (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-01-16T11:03:49Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Laura Vitória Rezende Dias - 2016.pdf: 6797582 bytes, checksum: 102b4a133abc8e93649bbe49a562dcad (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-16T11:03:49Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Laura Vitória Rezende Dias - 2016.pdf: 6797582 bytes, checksum: 102b4a133abc8e93649bbe49a562dcad (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-12-05 / This work is the development of a prototype for Stirling engine which was designed with the aim of understanding the machine mainly about the component parts, construction difficulties and type of relevant parameters for its performance. Starting from geometric and thermodynamic data from the prototype, with application of the Schmidt modeling, a digital program was developed to calculate values such as power output and efficiency. The prototype was also used to carryd out bench tests using a data acquisition system implemented in electronics platform Arduino Uno. Using Hall-effect and temperature sensors, following the steps of the algorithm proposed by Conner, it was possible to raise data as temperature and revolutions per minute (rpm) for the flywheel coupled to the prototype shaft, these variables made possible to estimate the power output and operational conditions such as the gas temperature in compression and expansion spaces, etc. The comparison between results from simulations and the bench tests demonstrated the great influence of prototype construction data (volumes, source temperature, etc.) on the output power and the performance of the equipment and also how far is the constructed device from the ideal model proposed by Schmidt. The experiments have shown that the prototype can reach a rotation speed up to 1.200 rpm at 159 degrees Celsius of external engine heat source, with output power of 100 milliwatt. The prototype resulting from this research, although small, has allowed the access to important information that can open paths to the construction of larger Stirling engines and consequently with output powers closer to practical use. / Este trabalho consiste no desenvolvimento de um protótipo didático de motor Stirling, que foi concebido com o intuito de compreender a máquina principalmente em relação as partes componentes, as dificuldades construtivas e os tipos de parâmetros relevantes para o desempenho. Partindo de dados geométricos e termodinâmicos do protótipo, com aplicação da modelagem de Schmidt, elaborou-se um programa digital que permite calcular grandezas como potência de saída e rendimento. Empregando o protótipo, foram também realizados ensaios em bancada de laboratório, para os quais utilizou-se um sistema de aquisição de dados implementado na plataforma eletrônica Arduino Uno. Através do uso de sensores de efeito Hall e de temperatura, seguindo os passos do algoritmo proposto por Conner, foi possível levantar dados como temperatura e revoluções por minuto (rpm) do volante acoplado ao eixo do protótipo, o que permitiu estimar sua potência de saída e as condições operacionais, como a temperatura do gás nos espaços de compressão e expansão, etc. A comparação entre a simulação computacional e os resultados dos ensaios em bancada demonstrou a influência dos dados construtivos do protótipo (volumes, temperatura da fonte, etc.) sobre a potência de saída e o rendimento do protótipo e também o quão distante está o dispositivo construído do modelo ideal proposto por Schmidt. Os resultados obtidos pelos ensaios mostraram que o protótipo alcança velocidade de rotação de até 1.200 rpm a uma temperatura de 159 graus Celsius da fonte térmica externa ao motor, com potência de saída de 100 miliwatt. O protótipo resultante desta pesquisa, apesar de pequeno porte, permitiu a obtenção de informações importantes que podem abrir caminhos para a construção de motores Stirling de maiores dimensões e consequentemente com valores de potências de saída para utilização prática.

Submitted by Rodrigo Orefise Dentello null (rodrigodentello@gmail.com) on 2017-09-26T19:16:11Z No. of bitstreams: 1 Dissertação de Mestrado Rodrigo Orefise Dentello.pdf: 3135657 bytes, checksum: b5e87e13e54b4ab1c494888ed13cc131 (MD5) / Rejected by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com), reason: Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo as orientações abaixo: No campo “Versão a ser disponibilizada online imediatamente” foi informado que seria disponibilizado o texto completo porém no campo “Data para a disponibilização do texto completo” foi informado que o texto completo deverá ser disponibilizado apenas 6 meses após a defesa. Caso opte pela disponibilização do texto completo apenas 6 meses após a defesa selecione no campo “Versão a ser disponibilizada online imediatamente” a opção “Texto parcial”. Esta opção é utilizada caso você tenha planos de publicar seu trabalho em periódicos científicos ou em formato de livro, por exemplo e fará com que apenas as páginas pré-textuais, introdução, considerações e referências sejam disponibilizadas. Se optar por disponibilizar o texto completo de seu trabalho imediatamente selecione no campo “Data para a disponibilização do texto completo” a opção “Não se aplica (texto completo)”. Isso fará com que seu trabalho seja disponibilizado na íntegra no Repositório Institucional UNESP. Por favor, corrija esta informação realizando uma nova submissão. Agradecemos a compreensão. on 2017-09-28T13:17:05Z (GMT) / Submitted by Rodrigo Orefise Dentello null (rodrigodentello@gmail.com) on 2017-10-02T12:11:48Z No. of bitstreams: 1 Dissertação de Mestrado Rodrigo Orefise Dentello.pdf: 3135657 bytes, checksum: b5e87e13e54b4ab1c494888ed13cc131 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-10-04T15:16:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dentello_ro_me_guara.pdf: 3135657 bytes, checksum: b5e87e13e54b4ab1c494888ed13cc131 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-04T15:16:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dentello_ro_me_guara.pdf: 3135657 bytes, checksum: b5e87e13e54b4ab1c494888ed13cc131 (MD5) Previous issue date: 2017-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O motor Stirling é um motor de combustão externa que opera com diferenças de temperaturas, produzindo trabalho mecânico e eletricidade. Esse tipo de motor opera em um ciclo fechado, que através do uso de uma fonte quente e uma fria, expande e comprime um fluido de trabalho (ar, hélio ou hidrogênio, dentre os mais comuns), fornecendo assim o movimento de um pistão. Pode operar com calor residual e também com a queima de qualquer tipo de combustível (gás natural, diesel, gasolina, etc). Essa tecnologia tem se destacado para o desenvolvimento de sistemas que operam com biocombustíveis (biogás e syngas) e com energias renováveis, como por exemplo, caso de uso de concentradores solares. Este trabalho tem como objetivo estudar as performances termodinâmica, econômica e ambiental de um sistema Stirling operando com sistema de alimentação a biogás e energia solar, aplicado para a geração de energia elétrica descentralizada. São realizados estudos dos aspectos termodinâmicos do ciclo Stirling, com foco no funcionamento e no trabalho do motor. São efetuadas análises técnicas do sistema operando com câmara de combustão a biogás e utilizando energia de concentrador solar parabólico. Em etapa final são analisados e comparados os aspectos econômicos e ambientais do sistema acionado por biogás e energia solar. Os resultados obtidos mostraram pela teoria de Schmidt uma eficiência do motor Stirling de 67%. Da análise econômica, fica evidente que um maior número de horas de operação corrobora com a viabilidade econômica. Quantos aos aspectos ambientais, o valor da eficiência ecológica do motor Stirling operando a biogás é de 98,02%. No caso do sistema solar utilizando concentrador para alimentar o motor Stirling, a eficiência ecológica indica é de cerca de 98%. Conclui-se que o uso de fontes renováveis, permitem bons níveis de eficiência de geração de energia elétrica de sistemas utilizando motores Stirling de pequeno porte, reduzindo níveis de poluição atmosférica e contribuindo para a redução do efeito estufa. / The Stirling engine is an external combustion engine that operates at varying temperatures, producing mechanical work or electricity. This type of engine operates in a closed cycle, which through the use of a hot and cold source expands and compresses a working fluid (air, helium or hydrogen, among the most common), thus providing the movement of a piston. It can operate with residual heat and also with the burning of any type of fuel (natural gas, diesel, gasoline, etc.). This technology has been outstanding for the development of hybrid systems that operate with biofuels (biogas and syngas) and with renewable energies, as for example, case of use of solar concentrators. This work aims to study the thermodynamic, economic and environmental performances of a Stirling system operating with a biogas and solar energy supply system, applied for the generation of decentralized electric energy. Studies are carried out on the thermodynamic aspects of the Stirling cycle, focusing on the operation and work of the engine. Technical analysis of the system is carried out using a biogas combustion chamber and using parabolic solar concentrator energy. In the final stage are analyzed and compared the economic and environmental aspects of the system activated by biogas and solar energy. The results showed that through the thermodynamic analysis by the Schmidt theory, a Stirling engine efficiency of 67% was obtained. From the economic analysis, it is evident that a greater number of hours of operation corroborates with economic viability. As for the environmental aspects, the ecological efficiency value of the Stirling engine operating biogas is 98.02%. In the case of the solar system using concentrator to power the Stirling engine, the ecological efficiency indicates is about 98%. It is concluded that the use of renewable sources, allow good levels of efficiency of electric power generation of systems using small Stirling motors, reducing levels of air pollution and contributing to the reduction of the greenhouse effect.