Estudio teórico-experimental de un motor stirling termoacústico compacto para la recuperación de energía

Resumen

La transición energética puesta en marcha a nivel global implica restricciones y regulaciones que afectan en gran medida al sector transporte. La Agencia Internacional de Energía estima que un 23% de las emisiones de gases de efecto invernadero corresponden a dicho sector. Los vehículos utilizados hoy en día, ya sean de combustión o híbridos, son máquinas que presentan grandes ineficiencias inherentes durante su operación. Según se estima, en los vehículos con motores de combustión interna, aproximadamente un 20 % de la energía química almacenada en el tanque de combustible se convierte en trabajo útil que se invierte en el funcionamiento del propio vehículo. El resto de energía se pierde en varios de sus sistemas por mecanismos de disipación mecánica (transmisión, suspensión, rodadura, etc.) y en su mayor parte, más de la mitad, por disipación térmica (refrigeración, y principalmente escape). Para intentar recuperar la energía térmica “desperdiciada” se han desarrollado diferentes tecnologías en el campo de “Waste Heat Recovery”, que tratan de hacerla útil sin alterar el funcionamiento original del vehículo. En este contexto, para aumentar la eficiencia global de un vehículo, la recuperación de calor residual resulta necesaria. El presente trabajo se enfoca en el estudio teórico-experimental de un motor Stirling termoacústico demostrador compacto para la recuperación de energía térmica en condiciones de laboratorio, denominado en inglés: Thermoacoustic Stirling-Like Cycle Engine (TA-SLiCE). Esta tesis contiene un estudio del estado del arte sobre TA-SLiCE exhaustivo, clasificando cada una de las tecnologías que se presentan en la literatura según la potencia eléctrica proporcionada. Se muestran datos de la potencia de los sistemas desarrollados por cada autor, así como también sus eficiencias, su temperatura de activación o sus parámetros de operación acústica. Las tareas llevadas a cabo dentro del contexto de esta tesis están centradas, primero, en plantear un diseño conceptual del demostrador TA-SLiCE y proponer, en base a dicho diseño, modelos matemáticos y computacionales para su posterior simulación. En estos modelos se analiza la sensibilidad paramétrica del campo acústico del demostrador aplicando RSM, lo que permite identificar los parámetros críticos en el diseño. En segundo lugar, se presenta y aplica una metodología no existente hasta la fecha, que permite analizar y optimizar el modelo del demostrador existente, evaluando y comparando distintas configuraciones acústicas, entre sí. Y, en tercer lugar, se fabrica el demostrador y se realizan ensayos para medir la potencia acústica obtenida experimentalmente con cada una de las configuraciones simuladas. Estos ensayos permiten la validación tanto de los modelos computacionales, como del método de análisis y optimización propuestos. La primera de las principales aportaciones de esta tesis es la conceptualización, diseño y fabricación de un motor Stirling termoacústico compacto recuperador de energía, operativo en condiciones de laboratorio (TA-SLiCE). El estudio experimental de este demostrador permite la validación del estudio teórico desarrollado y presentado en esta tesis. Además, el dispositivo es en sí mismo una herramienta académica para la transferencia del conocimiento. Dicha herramienta es muy valiosa en la etapa de creación de la nueva línea de investigación dentro del Grupo de Investigación Nebrija de Ingeniería de Vehículos (GREEN) perteneciente al Departamento de Ingeniería Industrial y del Automóvil (DIIA) de la Universidad de Nebrija orientada a la recuperación de energía térmica en sistemas de escape. La segunda de las principales aportaciones de esta tesis es la presentación y aplicación de una metodología de análisis energético y optimización de dispositivos termoacústicos, no existente hasta la fecha en la literatura especializada. Con este método, basado en la distribución del flujo de potencia acústica activa y reactiva, se reportan al detalle los flujos de potencia acústica y las pérdidas en función del circuito acústico pasivo. Además, el método permite la optimización del demostrador TA-SLiCE evaluando y comparando los distintos circuitos acústicos estudiados. Este método se aplica a nivel teórico con los modelos y simulaciones desarrollados y posteriormente se valida con su aplicación a nivel experimental, realizando ensayos en el demostrador TA–SLiCE fabricado, para cada uno de los circuitos acústicos evaluados.