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

Resumen

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. 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 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. El trabajo de investigación desarrollado aborda 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. 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 trabajo de investigación desarrollado es contribuir en el conocimiento de una 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. Se pretende también 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.