Power improvement of the Stirling Amazon engine using modeling tools

Abstract

Brasil tiene un gran potencial de la biomasa, el cual puede ser utilizado para la generación de electricidad. Además, gran parte de su territorio está cubierto por bosques, que están habitados o que tienen regiones habitables, pero se enfrentan al problema de la escasez de energía (Wilke & Silva, 2004). En este escenario, una alternativa como el motor Stirling se presenta como una buena opción para el suministro de energía en estas regiones aisladas. Por esta razón, el Núcleo de Excelencia en Generación Termo- Eléctrica y Distribuido (NEST), de la Universidad Federal de Itajubá, ha diseñado un prototipo de motor Stirling para proporcionar electricidad a las regiones aisladas de Brasil. Este artículo presenta los modelos matemáticos de los intercambiadores de calor (caliente, frío y regenerador) integrados en un modelo adiabático de segundo orden. El modelo general tiene en cuenta las pérdidas de caída de presión del fluido de trabajo y los gases de escape, así como las pérdidas térmicas en el regenerador (no ideal), la histéresis y las pérdidas debido a la transferencia de calor interna. Los resultados de este modelo matemático fueron comparados con los resultados del software PROSA ®, permitiendo mejoras que aumentan la potencia de salida del motor Amazonas en 3,3 kW y reducen el volumen muerto a 7330 cm3.

Brazil has a great potential of biomass that can be used for electric generation. Furthermore, much of its territory is covered by forests, which are inhabited or have habitable regions, but face the problem of power shortages (Wilke & Silva, 2004). In this scenario, an alternative such as the Stirling engine is presented as a good way of energy supply in those isolated regions. This is the reason, the Excellency Group in Thermo-electric and Distributed Generation (NEST, for its acronym in Portuguese) at the Federal University of Itajubá, has designed a Stirling engine prototype to provide electricity to isolated regions of Brazil. This paper presents mathematical models of heat exchangers (hot, cold and regenerator) integrated into second order adiabatic models. The general model takes into account the pressure drop losses in the working Àuids and exhaust gases, the thermal losses in the regenerator (not ideal), the hysteresis and losses due to internal heat transfer. The mathematical model, experimentally validated in the software PROSA ®, allowing improvements that increase the output power in the Amazon engine in 3,3 kW and reduce the dead volume to 7330 cm3