MÁQUINA STIRLING.

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN.

La presente invención puede ser aplicada principalmente en la industria de licuefacción de gases, industria criogénica de separación de aire, para producción de oxígeno y nitrógeno, y otros sectores que requieren temperaturas criogénicas, tales como la licuefacción de gas natural, hidrógeno, gas LP y otros de la industria petroquímica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.

Los refrigeradores Brayton inverso tienen gran eficiencia; además, prácticamente no producen vibraciones en el sistema debido a la alta velocidad de compresor y turbina, su reducido tamaño y la utilización de conductos de gas de alta precisión. Tal vez su principal inconveniente es que compresor y turbina, aunque pequeños, son difíciles de miniaturizar y, por tanto, es complicado el desarrollo de dispositivos de dimensiones reducidas. Sin embargo, se podrán obtener temperaturas muy bajas, incluso inferiores a los 10 K.

Un ejemplo de utilización de este tipo de refrigeradores es el dispositivo CREARE utilizado para la recuperación del instrumento NICMOS en el telescopio espacial Hubble.

MAQUINA STIRLING CON ENERGÍA SOLAR

Entre los sistemas basados en motores Stirling para conversión de energía solar, los sistemas Dish - Stirling son los más desarrollados. Estos sistemas se pueden analizar en tres grandes componentes: Concentrador/ Sistema de seguimiento; Receptor de cavidad; Motor Stirling.

Los concentradores solares utilizados en los sistemas Dish / Stirling suelen ser paraboloides de revolución con foco puntual (en realidad existe un volumen focal). En ocasiones se utilizan concentradores en forma de casquete esférico, ya que cuando la curvatura del concentrador es pequeña, el comportamiento del espejo esférico se aproxima al paraboloide. Normalmente los concentradores están fabricados en un material altamente reflexivo de los rayos solares, variando desde metales pulidos a plásticos o vidrios con deposiciones de plata u otros metales.

El receptor es el componente del sistema que sirve como nexo entre el concentrador que capta la radiación electromagnética del Sol y el motor que convierte esa energía térmica en mecánica. La misión del receptor es por tanto convertir la energía electromagnética en energía térmica, de la forma más eficaz posible. Por ello la mayor parte de los receptores son de cavidad, con una pequeña apertura por la que entra la radiación proveniente del concentrador. El absorvedor se sitúa detrás de la apertura, dentro de la cavidad y convierten la radiación en calor, alcanzando elevadas temperaturas.

El receptor puede ser directo o indirecto, dependiendo de la forma en la que transmite el calor desde el absorbedor al gas de trabajo del motor Stirling. En los receptores directos los tubos de intercambio de calor situados en el receptor funcionan como área de intercambio de calor en el área de calentamiento del motor Stirling. En los receptores indirectos se utilizan fluidos en cambio de fase como sistema de intercambio térmico entre el absorbedor y los tubos del calentador del Motor Stirling.

El tercer elemento del los sistemas Dish - Stirling es el propio motor Stirling. La principal característica de estos motores, que los hacen idóneos para esta aplicación, es el hecho de ser máquinas de combustión externa, lo que les permite adaptarse a la energía solar, además del hecho de ser máquinas que desarrollan ciclo regenerativo, de forma que el rendimiento teórico es el máximo alcanzable.

La propuesta de desarrollo consiste en acoplar tres tecnologías de diverso grado de madurez, a saber: un sistema de concentración de energía electromagnética solar y su transformación en energía térmica; un sistema de transformación de energía térmica en energía mecánica por medio de una máquina Stirling de ciclo regenerativo; y un dispositivo criogénico basado en el ciclo de refrigeración conocido como Brayton inverso, con intercambiador de calor regenerativo, que lo posibilitará para lograr temperaturas criogénicas. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Se tiene un motor alimentado por energía solar conformado por un concentrador de energía solar (1) parabólico segmentado en cuyo punto focal se encuentra dispuesto un cilindro de desplazamiento (2) con pistón de desplazamiento (3) de un motor de ciclo Stirling; dicho pistón de desplazamiento (3] dispuesto de manera reciprocante dentro del cilindro de desplazamiento (2) y que recibe el calor captado por el concentrador solar (1), un cilindro de potencia (4} que en su interior contiene un pistón de potencia [5) dispuesto reciprocantemente; dicho cilindro de desplazamiento (2) permite la admisión y expulsión de helio al interior del cilindro utilizando una tubería de interconexión (6) que conecta al cilindro de desplazamiento (2) con el cilindro de potencia (4) y que tiene una cámara (7) de aislado térmico en su parte media con un filtro (13) en su interior fabricado de aluminio y adherido a las paredes de la cámara (7) y con aletas en su exterior para ayudar a eliminar el calor; dicha tubería permite el flujo de gas de un cilindro al otro. Un vástago de desplazamiento (10) del pistón de desplazamiento (3) que se conecta mecánicamente con el vástago de potencia (11) del pistón de potencia (5) mediante una volanta (12); ambos cilindros dispuestos en un arreglo linealmente opuestos entre si y en la cual el pistón de desplazamiento (3) adelanta mecánicamente al pistón de potencia (5) por 90 grados.

La energía mecánica rotatoria de salida de la máquina Stirling se utilizará para proporcionar el trabajo requerido por un dispositivo de refrigeración de ciclo Brayton inverso y se transmite por medio de un eje de transmisión (19) conectado directamente a las turbinas. Este dispositivo cuenta con un binomio compresor-turboexpansor; y además incluye un intercambiador de calor regenerativo, que posibilita alcanzar temperaturas de orden criogénico en el área de sustracción de calor.

El sistema brayton está compuesto por una turbina de expansión (15), un intercambiador de calor (16) regenerativo (recupera parte del frío producido), un interfaz térmica (17) con la carga que se pretende enfriar y diversos dispositivos de expulsión de calor. Podrían extenderse más líneas de refrigeración con más cargas, así como tener como carga otro refrigerador para obtener diversas etapas de refrigeración sucesivas.

En el compresor (14) se presuriza el gas. Éste pasa a continuación por un aislador térmico (18) que expulsa calor del gas al exterior, enfriando en parte el gas comprimido. El gas pasa a continuación por el intercambiador de calor (16) y en él es enfriado por el gas que vuelve al final del proceso hacia el compresor (14). A continuación el flujo de gas llega a la turbina de expansión (15) donde se expande y se enfría. De allí es conducido hacia la interfaz térmica (17), donde absorbe calor y atraviesa el intercambiador de calor (16) en su camino de vuelta hacia el compresor (14). Tanto el compresor (14) como la turbina de expansión (15) cuentan con sus propios dispositivos de refrigeración, que pueden ser simples radiadores que expulsen hacia el exterior el calor generado debido a su funcionamiento.