Estudio De La Rentabilidad Del Motor Stirling Para La Generacin De Energa elctrica A Comparacin De un Generadores de energa elctrica por una central hidroelctrica

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERA MECANICA

Estudio De La Rentabilidad Del Motor Stirling Para La Generacin De Energa elctrica A Comparacin De un Generador de energa elctrica por turbina Pelton TESISPARA OPTAR EL TTULO PROFESIONAL DE:INGENIERO MECNICO(AVANCE)Aquino Quiroz, David.PROMOCION 2011PROFESOR GUA:Ing. Rolan Anbal Ordinola

INDICE1.- GENERALIDADES41.1.- TITULO41.2.- AUTOR51.3.- ASESOR51.4.- TIPO DE INVESTIGACION51.5.- REGIMEN DE INVESTIGACION51.6.- INSTITUCION51.7.- INSTITUCION Y LUGAR DONDE SE EJECUTARA EL PROYECTO51.8.- DURACION DEL PROYECTO52.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA52.1.- DESCRIPSION DE LA REALIDAD PROBLEMTICA52.2.- DELIMITACION DE LA INVESTIGACION62.2.1.- DELIMITACION ESPACIAL62.2.2.- DELIMITACION SOCIAL62.2.3.- DELIMITACION TEMPORAL62.2.4.- DELIMITACION CONCEPTUAL62.3.- PROBLEMAS DE INVESTIGACION62.3.1.- PROBLEMA PRINCIPAL72.3.2.- PROBLEMA SECUNDARIO72.4.- OBJETIVO DE LA INVESTIGACION72.4.1.- OBJETIVO GENERAL72.4.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS72.5.- JUSTIFICACION E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION72.5.1.- JUSTIFICACION82.5.2.- IMPORTANCIA82.5.3.- LIMITACIONES82.6.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION8I.En el Extranjero9A nivel Nacional9II.A nivel local102.7.- BASES TEORICAS11Ciclo termodinmico ideal del motor Stirling12Ciclo real del motor Stirling17Efecto de la velocidad de giro del motor.18Efecto de la relacin de temperaturas ().- 182.8.- DEFINICION DE TERMINOS BASICOS19TURBINA19ENERGIA HIDROELECTRICA.20CIGEAL..21PISTON..222.9.- HIPOTESIS222.9.1.- HIPOTESIS GENERAL222.9.2.- HIPOTESIS SECUNDARIA232.9.3.- VARIABLES232.9.4.- DEFINICION CONCEPTUAL232.9.5.- DEFINICION OPERACIONAL233.- METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION233.1.- Tipo de investigacin y nivel de investigacin243.3.- Poblacin y muestra de la poblacin243.3.1.- Poblacin243.3.2.- Muestra243.2.- Tcnicas e instrumentos de recoleccin de datos24IV: ADMINISTRACIN DEL PROYECTO DE INVESTIGACIN244.1 RECURSOS: Humanos y materiales244.1.1 Humanos244.1.2 Materiales244.1.3.- Presupuesto254.2.- CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES254.3.- REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS25

PROYECTO DE TESIS1.- GENERALIDADES 1.1.- TITULOEstudio De La Rentabilidad Del Motor Stirling Para La Generacin De Energa elctrica A Comparacin De un Generador de energa elctrica por una central hidroelctrica1.2.- AUTORAquino Quiroz, Wilder David1.3.- ASESOR Ing. Rolan Anibal Ordinola Lujan1.4.- TIPO DE INVESTIGACIONLa investigacin es de tipo aplicada 1.5.- REGIMEN DE INVESTIGACIONLa investigacin es de rgimen Libre1.6.- INSTITUCIONUniversidad Alas Peruanas1.7.- INSTITUCION Y LUGAR DONDE SE EJECUTARA EL PROYECTOLa investigacin se realizara en campo, en diversas centrales hidroelctricas y en taller para la toma de datos del motor Stirling.1.8.- DURACION DEL PROYECTODe Marzo a Diciembre de 20142.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2.1.- DESCRIPSION DE LA REALIDAD PROBLEMTICADebido a la gran demanda de energa elctrica en la actualidad y al elevado costo de dicha energa se realizara una investigacin del motor Stirling como generador de energa elctrica esperando hallar una mejora respeto a la economa.Unmotor Stirlinges unmotor trmicooperando por compresin y expansin cclica de aire u otro gas, el llamado fluido de trabajo, a diferentes niveles de temperatura tales que se produce una conversin neta de energacalorficaa energa mecnica. Esta inclusin de unregeneradores lo que diferencia a los motores Stirling de otros motores de ciclo cerrado.Conociendo estas referencias compararemos generador de corriente elctrica mediante una central hidroelctrica2.2.- DELIMITACION DE LA INVESTIGACION 2.2.1.- DELIMITACION ESPACIALEsta investigacin est comprendida en la localidad en el departamento, provincia y distrito de Cajamarca.2.2.2.- DELIMITACION SOCIAL Esta investigacin es especialmente para toda la sociedad existente en mencionada localidad2.2.3.- DELIMITACION TEMPORALEsta investigacin es de actualidad, por cuanto el tema de investigacin es vigente

2.2.4.- DELIMITACION CONCEPTUALEsta investigacin abarca el concepto econmico y la mejor forma de vida en la sociedad2.3.- PROBLEMAS DE INVESTIGACION 2.3.1.- PROBLEMA PRINCIPALSer ms econmico generar energa elctrica mediante un motor Stirling que con un generador de energa mediante una central hidroelctrica?2.3.2.- PROBLEMA SECUNDARIOP2 Cunta diferencia de rentabilidad puede haber entre el generador de energa mediante un motor Stirling y un generador de energa mediante una central hidroelctrica?2.4.- OBJETIVO DE LA INVESTIGACION2.4.1.- OBJETIVO GENERALInvestigar la rentabilidad de un generador de energa elctrica mediante un motor Stirling a comparacin de generadores de energa mediante una central hidroelctrica 2.4.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar el nivel de rentabilidad del generador de energa mediante un motor Stirling Identificar el nivel de rentabilidad de generador de energa mediante central hidroelctrica Disear y construir un motor Stirling Establecer el nivel de ventaja rentable al usar el generador de energa mediante un motor Stirling

2.5.- JUSTIFICACION E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION2.5.1.- JUSTIFICACIONConocer el funcionamiento del generador de energa mediante un motor Stirling para de esa manera hacer estudios de rentabilidad, gasto econmico que generara para el funcionamiento de dicho generador.Posteriormente el estudio y anlisis de generadores de energa elctrica mediante una turbina pelton usadas en la localidad en estudioFinalmente hacer el estudio de diferencias de rentabilidad de ambos generadores de energa para de esa forma permitirnos obtener la informacin beneficiosa.2.5.2.- IMPORTANCIAEconomizar en el consumo de energa elctrica en nuestra localidad de Cajamarca ya que es indispensable para la mejor forma de vida.2.5.3.- LIMITACIONESPor tratarse de una investigacin nueva en esta materia y muy profunda en el aspecto de su aplicacin y cumplimiento es que nos encontramos con una serie de limitaciones. Como carencia de materiales de medicin y hasta carencia del motor Stirling Hay que sealar que existir una dificultad en el desarrollo de la presente investigacin ya que ante la inexistencia de bibliografa y un problema en la aplicacin de normas del cual solo nos abocaremos del problema ya mencionado.

2.6.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIONSegn las investigaciones realizadas para la elaboracin de este proyecto obtenemos los siguientes antecedentes en las siguientes universidades: Universidad Nacional de Ingeniera, Universidad de Chile

I. En el ExtranjeroEn enero del 2008, en la republica de Chile, RODRIGO IGNACIO NAVARRETE RAGGA realiza una investigacin en DISEO DE MOTOR STIRLING PARA GENERACIN ELCTRICA CON FUENTES GEOTRMICAS con el objetivo de disear un motor Stirling de baja entalpa para aplicaciones geotrmicas y dar una solucin alternativa al problema energtico en el pas, adems establecer la base para estudios posteriores sobre el desempeo y la factibilidad de proyectos combinando motores Stirling y geotermiaSu metodologa fue mediante un diseo en algunos software como Matlab, Cad, solidwork y el funcionamiento de este motor mediante geotermia

A nivel NacionalEn el ao 2006 en la ciudad de Lima - Per el seor VCTOR RAL AGERO ZAMORA de la Universidad Nacional de Ingeniera (UNI) realiz una investigacin de DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOTOR STIRLING PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA con la finalidad de evitar la contaminacin ambiental generada con otros tipos de motores tales como motor Otto y diesel, segn su investigacin el afirma que uno de los causantes de estos cambios es la alta emisin de CO2 a la atmsfera, proveniente principalmente de la combustin del petrleo, ocasionando el calentamiento global por la destruccin de la capa de ozono. Este combustible no slo causa efectos nocivos durante su combustin, sino tambin durante su transporte, ya que es el causante de la destruccin ecolgica cuando ocurre algn derrame de petrleo en el marEl motor Stirling construido, se hizo de tal forma que sea fcilmente armable y desmontable. Tiene un diseo simple y compacto, y un costo de produccin relativamente bajo. En el diseo se busc una manera de reducir los efectos que pueden tener los errores humanos durante la construccin, porque esto se manifiesta en un aumento de la friccin debido a la desalineacin de sus partes. La sustancia de trabajo que se utiliz fue aire, ya que ste no tiene costo alguno y est en todas partes.

Concluy que la mayor potencia al eje desarrollada por el motor se encuentra en el rango de 300-400 RPM, que son velocidades relativamente bajas, esto es debido a que en este rango de velocidades se realiza un mejor ciclo del motor. Tambin se ve que la curva de generacin de energa elctrica, con focos, tiene la misma tendencia que las de potencia al eje (medida con freno de friccin Prony), cuya potencia mxima generada es aproximadamente la mitad de la mxima potencia al eje del motor y, que tambin, se encuentra dentro del rango de 300 400 RPM con el generador de imanes ferrticos.Se ve que al aumentar la carga, en la prueba de generacin elctrica, aumenta el amperaje entregado y disminuye el voltaje. Esto se traduce en una disminucin de las RPM del motor. Tambin se observ que con un generador con imanes de neodimio se carga la batera en aproximadamente la mitad de tiempo que con un generador ferrtico.Los resultados obtenidos muestran que la potencia que se le entrega a la batera es aproximadamente las 2/3 partes de la potencia elctrica que el motor puede generar.

II. A nivel localDebido a que en la localidad de Cajamarca es escasa la informacin acerca de motor Stirling se realiz una investigacin acerca de una central hidroelctrica que fue ejecutada por la empresa ELCTRICA RO DOBLE S.A. obteniendo la siguiente informacin.

2.7.- BASES TEORICAS

Ciclo termodinmico ideal del motor StirlingEl ciclo ideal Stirling se compone de dos procesos isotrmicos y dos isomtricos; la regeneracin se efecta a volumen constante, tal como se muestra en el grfico siguiente:

En primer lugar se parte del estado 1. Los elementos son: cilindro, pistn, fluido, desplazador. Todo el gas est en la zona fra, y el pistn est en la posicin inferior.

Proceso 1-2 Cuando el pistn pasa del estado 1 al 2, se realiza una compresin isotrmica a la temperatura ms baja. El proceso est representado en el diagramapresin-volumen anterior. Aqu se le extrae calor al ciclo.

El trabajo consumido en este proceso es igual al calor rechazado en el ciclo.

Proceso 2-3 Si se mantiene fijo el pistn y se mueve el desplazador, se hace pasar todo el fluido a la zona caliente, obteniendo un proceso isomtrico en el que aumenta la presin sin cambiar el volumen. Aqu el regenerador entrega calor a la sustancia de trabajo, elevando su temperatura de Tmin a Tmax.

Proceso 3-4 En este momento, se puede obtener una expansin isotrmica a la temperatura superior haciendo bajar juntos al pistn y al desplazador. En este proceso se le entrega calor externo a la sustancia de trabajo.

Proceso 4-1 Moviendo el desplazador al estado inicial, se obtendr otro proceso isomtrico que finalizar el ciclo termodinmico representado por el proceso 1-4.Aqu el regenerador absorbe calor.

La eficiencia trmica del ciclo Stirling se calcula de con la siguiente expresin:

Donde finalmente se obtiene:

Con esto queda demostrado que el ciclo ideal Stirling tiene la misma eficiencia que el ciclo de Carnot, la cual es la mxima eficiencia que puede alcanzar una maquina trmica considerando que todas las perdidas sean cero. El ciclo de Carnot utiliza procesos isotrpicos, no procesos regenerativos de intercambio de calor, asumiendo que el calor especfico del regenerador es infinitamente grande, como el ciclo Stirling. A continuacin se mostrara un esquema comparativo de los dos ciclos.

La figura anterior muestra una comparacin de los ciclos Stirling y Carnot funcionando entre dos temperaturas extremas iguales. Como se puede apreciar otra ventaja del cicloStirling es el mayor trabajo indicado realizado en comparacin con el ciclo de carnot(Wstiling > Wcarnot).

Ciclo real del motor StirlingDebido a que no existe un mecanismo que realice el movimiento ideal del pistn y del desplazador para la realizacin del ciclo y a la dificultad de obtener los ciclos puramente isotrmicos debido a los mecanismos de transferencia de calor, asociados a la velocidad con que se pretende realizar el ciclo, se pierde potencia y rendimiento, el resultado final es un ciclo redondeado en forma de elipse.

Efecto de la velocidad de giro del motor.- El giro del motor tiene el mismo efecto que la relacin de temperaturas , debido a que ste afecta directamente a la relacin de temperaturas. Esto sucede porque a mayor velocidad de giro, el tiempo de realizacin del ciclo se acorta. A mayor velocidad de rotacin incrementa su valor.Efecto de la relacin de temperaturas ().- La relacin de temperaturas de la zona fra yla zona caliente (= TC/TH), hace que el ciclo sea ms delgado a medida que el valor esmayor (0