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3. EL MOTOR GENOA 03

El motor objeto de este proyecto es una unidad del modelo GENOA03, un motor

Stirling de dos de cilindros tipo alfa, fabricado por la compañía italiana Genoastirling s.r.l.

con 3KW de potencia nominal eléctrica. Genoastirling trabaja en colaboración con la

Universidad de Génova, y su objetivo es el diseño y fabricación de motores Stirling para

calderas de cualquier tipología, y también para requerimientos específicos bajo encargo,

puesto que es una empresa que trabaja de momento a baja escala. Actualmente poseen

en stock dos modelos, el GENOA 01 de 1KW, y el GENOA 03, de 3KW, que es básicamente

el mismo modelo que el 01, pero con dos cilindros en lugar de uno, de esta manera son

dos motores independientes trabajando en paralelo. Para los próximos años el plan de

esta empresa es comercializar unidades de dos cilindros pero de mayor potencia, de 5, 7

y 10KW.

3.1. Características técnicas

Según la información que facilita el fabricante, para el modelo GENOA 03:

Tipo de motor Tipo alfa (Cilindros paralelos)

Cilindrada 2 x 522 cm3

Fluido de trabajo Aire

Presión media de operación

15 bar

Límite de sobrepresión 30 bar

Temperatura de operación (calentador)

1023 K

Temperatura de arranque (calentador)

793 K

Revoluciones operación 600 rpm

Lubricación No necesaria

Fluido refrigerante Agua

Peso en vacío 158 Kg

Dimensiones en mm Ver Fig. 12

Mantenimiento Requiere inspección cada 1000 h de trabajo

Alternador Imanes permanentes con rectificador a DC

Potencia nominal 3 KW e

Precio (pedido único) 14.000 € Tabla 1 Características técnicas.

Fig. 12 Modelo de CAD del GENOA03

3. EL MOTOR GENOA 03

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3.2. Descripción de componentes

Para comprender mejor el funcionamiento interno el motor es preciso conocer el

diseño y forma de cada uno de los componentes principales. Estos componentes son el

calentador, el regenerador, el enfriador, y los cilindros de expansión y compresión.

Calentador

Está diseñado específicamente para ser

acoplado al hogar de una caldera, y realizar

intercambio convectivo con los gases de

combustión. Por ser un motor tipo alfa, el

calentador recibe el flujo de gases de expansión

desde el cilindro interior, y lo debe redirigir a través

de los tubos al regenerador, que tiene una tipología

anular rodeando dicho cilindro, por ello el diseño

elegido. El material empleado es acero inoxidable

AISI 316. El aire fluye a través de 48 tubos de

diámetro interior 2mm con insertos interiores para

mejorar el coeficiente de película.

Regenerador

Consiste en una malla metálica de acero

inoxidable AISI 310, que ocupa un volumen con

forma de prisma anular, contenida entre dos

paredes cilíndricas de acero que delimitan el área

de paso a través de dicho intercambiador. La

porosidad de la malla es aproximadamente de un

80%.

Enfriador

Continuando con la forma de prisma anular

del regenerador, el flujo pasa a un intercambiador

de calor de carcasa y tubos, con un paso por tubos

para el aire, y un paso por carcasa para el agua de

refrigeración. El aire pasa a través de 216 tubos

simples de Ø2mm. El agua atraviesa la carcasa con

forma de prisma anular en flujo transversal

respecto al aire. . El material empleado es acero

inoxidable AISI 316.

Fig. 13 Modelos en CAD de los componentes del motor

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Cilindros de compresión y expansión.

Las paredes interiores del calentador, regenerador y enfriador definen el cilindro de

expansión del motor de 110mm de diámetro, con el pistón de potencia en la cara inferior

del cilindro. Mientras que el cilindro de compresión, y el pistón desplazador, también de

110mm, están delimitados por las paredes del bloque motor, y se conecta al enfriador

por un volumen de interconexión con forma de riñón. Para comprender mejor las

interconexiones entre elementos del motor, la Fig. 14 ofrece una vista en perspectiva del

conjunto, simplificando la forma del bloque motor original. En dicha figura, se han

seccionado a 180 grados varios componentes para ver el interior del motor, y apreciar

mejor las interconexiones entre elementos. Los espacios que definen los cilindros de

compresión y expansión aparecen rotulados en azul y rojo respectivamente.

Fig. 14 Sección en CAD del conjunto del motor

Los cuatro pistones del motor, dos de potencia y dos de desplazamiento, están

fabricados en aluminio con un tratamiento superficial de molibdeno para la cara en

contacto con el fluido de trabajo, mientras que el bloque están conectados a un cigüeñal

de acero, a la salida de este cigüeñal se encuentra el volante de inercia y la correa que

transmite el giro del motor al alternador, cerrando la cadena cinemática.

Todos los modelos de CAD han sido realizados en el software CATIA® V5

expresamente para este proyecto, tras un minucioso proceso de desmontaje y medición

de cada uno de los componentes del motor.

3. EL MOTOR GENOA 03

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3.3. Historia de la unidad

Para comprender completamente este proyecto, es importante conocer la historia

de la unidad de motor Stirling concreta sobre la que se ha trabajado, pues el uno de los

objetivos de este proyecto es dar algunas de las claves necesarias para en un futuro volver

a poner en marcha esta unidad en las instalaciones del laboratorio de motores de la

Escuela de Ingenieros de Sevilla.

3.3.1. Pruebas iniciales de la unidad en Génova

Esta unidad fue adquirida por la Universidad de Génova para formar parte de un

proyecto de planta de generación eléctrica inteligente, o “Smart Grid”. Este proyecto

involucraba diversas tecnologías entre otros una micro turbina, y el motor GENOA 03,

para generar energía eléctrica en una red interconectada y gestionada informáticamente,

con el con el objetivo primordial de realizar un uso eficiente y racional de la energía dentro

de esta red. Sin embargo la unidad de Stirling nunca llegó a participar en este proyecto

puesto que durante la fase de pruebas del motor una vez adquirido por la Universidad de

Génova, sufrió una grave avería.

Fig. 15 Motor arrastrado operando en frío (derecha) y daños en el pistón tras la avería (izquierda)

Según reza el documento “Stirling history” (Genoa), una memoria del trabajo

llevado a cabo en Génova con el motor, la avería se produjo durante el procedimiento de

adaptación del motor al generador eléctrico. Este procedimiento consistió en una serie

de horas de funcionamiento en frío con el motor arrastrado y sin presurización (ver Fig.

15), seguidamente, una serie de horas de funcionamiento en caliente, con motor

arrastrado e incrementando progresivamente la presión en el interior. En este proceso el

motor teóricamente debía alcanzar el punto de auto suficiencia, de forma que al retirar

el motor auxiliar se mantuviese en funcionamiento por el calor aportado al calentador.

Sin embargo, nunca se llegó a alcanzar este punto de auto suficiencia, pues según

se describe, el motor se bloqueó súbitamente, durante el proceso de presurización

cuando el motor giraba inducido por el motor auxiliar. Como se comprobó a posteriori,

ocurrió una rotura en los enfriadores del motor, que hicieron penetrar agua de

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refrigeración dentro de los conductos de aire del motor, hasta bloquear por completo el

movimiento de éste. Durante la investigación de la avería se desmontaron los

componentes principales del motor y se observó (ver Fig. 15) como el agua creó

abundante óxido en las paredes del regenerador, y los pistones, ya que estos

componentes no eran de acero inoxidable.

Fig. 16 Última prueba del motor, con quemadores, y detalle del quemador en contacto con el intercambiador

Tras horas de trabajo limpiando la mayor cantidad posible de este óxido, el equipo

encargado del proyecto realiza una reparación de los enfriadores que consiste en cegar

mediante soldadura los tubos cuya unión al intercambiador se habían abierto provocando

la entrada de agua en éste. Una vez reparado el motor, se trató de realizar un último test

para evaluar la viabilidad del motor Stirling dentro del proyecto de “Smart Grid”. Este

último test, se realizó en un en un pequeño confinamiento para los calentadores,

acoplados a unos quemadores de propano en lugar de la caldera convencional. La razón

para ello era que supuestamente es más sencillo obtener altas temperaturas de esta

forma. Sin embargo esta última prueba fue un nuevo fracaso, pese a que se alcanzaron

altas temperaturas por encima del punto de funcionamiento, pues las partículas de óxido

habían obstruido parte de ambos intercambiadores, empeorando el intercambio y

aumentando las pérdidas de carga. Además el enfriador operaba a menor rendimiento al

tener varios tubos cegados, y el calentador, sufría un calentamiento no homogéneo,

debido a la proximidad de la llama del quemador a sólo la mitad inferior del banco de

tubos, (ver Fig. 16).

Después de este intento fallido, el motor GENOA 03 quedó fuera del proyecto de la

Universidad de Génova, y permaneció almacenado hasta que a mediados de 2013 fue

cedido al grupo de motores térmicos de la Universidad de Sevilla.

3.3.2. Cesión de la unidad a la Universidad de Sevilla

Una vez el motor llegó a las instalaciones de la Universidad, se procedió a desmontar

completamente todos los componentes del motor afectados por la avería, con la idea de

evaluar y contrastar la información que entonces se tenía sobre el motor. El análisis

realizado en esta etapa al motor se basó en la inspección visual de las piezas, y en pruebas

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de fugas en todos los intercambiadores. Se comprueba que quedan numerosos restos de

óxido superficial y que los enfriadores se encuentran en muy mal estado.

Los pistones del motor aún presentan óxido de las paredes del regenerador que se

ha depositado en la superficie de éstos. Se hace por tanto necesaria una limpieza química

superficial de estas piezas (ver Fig. 15).

En el caso de los calentadores, se aprecian los efectos de la ya citada última prueba

al motor con quemadores de propano. Pues una mitad del intercambiador presenta

signos de haber sufrido sobrecalentamiento debido a las llamas del quemador. Sin

embargo después de realizar pruebas de fuga en ambos calentadores, se considera que

no han sufrido daños de gravedad, y pueden a priori funcionar normalmente. El efecto de

este sobrecalentamiento puede apreciarse en la Fig. 17.

Fig. 17 Estado actual de los calentadores, con muestras de sobrecalentamiento.

En el enfriador, la situación es mucho más grave, pues se pueden apreciar varios

tubos cegados a propósito en ambas piezas, suponiendo que esto tenía el objetivo de

sellar fugas. Sin embargo esta solución penaliza gravemente las prestaciones del

intercambiador, puesto que se disminuye el área de transferencia de calor, bajando con

esto la eficiencia, y se reduce la sección de paso, aumentando así las pérdidas de carga.

Otro aspecto a resaltar, es que estas reparaciones han sido realizadas con poco cuidado

y precisión, dejando un pobre acabado con protuberancias y exceso de material, lo cual

se puede observar a simple vista en la Fig. 18.

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Fig. 18 Vista inferior de uno de los enfriadores. (En rojo, defectos en la reparación)

Además, se realizaron varias pruebas de estanqueidad en los enfriadores. Las

pruebas consistían en cubrir una de las superficies del intercambiador que se querían

inspeccionar con una capa de espuma, mientras se aplica un flujo de aire a presión por el

orificio de entrada a la carcasa, sellando el orificio de salida. En un intercambiador en

buen estado, el aire a presión introducido en la zona de la carcasa debe no debe fugar al

exterior, en caso contrario, si el intercambiador no es estanco, la espuma colocada sobre

la superficie de estudio tenderá a desplazarse en el entorno de las fugas. En este caso se

observó (ver Fig. 19) cómo ambos intercambiadores presentan fugas en sus caras superior

e inferior.

Fig. 19 Pruebas de estanqueidad con aire a presión (izquierda). Detalle de una de las fugas descubiertas (derecha).

Como conclusión a este apartado, las pruebas realizadas ponen en manifiesto que

los daños en los componentes no son graves, exceptuando los enfriadores, que deben de

ser reparados o sustituidos si se pretende en el futuro volver a poner en marcha el motor.

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