Resumen
Este trabajo presenta
una propuesta de aplicación de un prototipo de microgenerador eléctrico
termoacústico, que funciona con el calor residual de una fuente térmica, para
iluminación o carga de pequeños dispositivos electrónicos; el sistema
transforma la energía térmica en energía mecánica acústica, mediante un
gradiente de temperatura (∇T) entre un foco
caliente (fc) y un foco frío (ff) unidos por una tobera
de aluminio produciendo el efecto termoacústico; la acción de un pistón acoplado
a un transductor electrodinámico hace posible la generación eléctrica. Este
modelo termoacústico lineal de pequeña escala y baja temperatura utiliza materiales
estándar para su viabilidad de construcción, generando alrededor de 3W de
energía eléctrica, demostrando así: su funcionamiento, la física del efecto
termoacústico y el potencial para el desarrollo de termogeneradores eléctricos
(TEG).
Palabras clave Efecto
termoacústico, microgeneración eléctrica, recuperación de calor, intercambiador
de calor.
Correspondencia
[email protected]
Artículo
recibido: 15 de agosto ía mes 2022. Aceptado para publicación: 15 de septiembre
2022.
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Como citar Covarrubias Constantino, C. R., Farrera Vázquez.,
N., & Guillen Trujillo, H. A. (2022). Desarrollo de un microgenerador
eléctrico termoacústico, que funciona con el calor residual de una fuente
térmica. Ciencia Latina Revista Científica Multidisciplinar, 6(4), 5668-5680. https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v6i4.3040
Development of a thermoacoustic electric microgenerator, which
works with waste heat from a thermal source
ABSTRACT
This paper presents
a proposal for the application of a prototype of thermoacoustic electric
microgenerator, which works with the waste heat of a thermal source, for
lighting or loading of small electronic devices; the system transforms the
thermal energy into acoustic mechanical energy, by means of a temperature
gradient (∇T) between a hot spot (fc) and a cold light bulb (ff) joined by an
aluminium nozzle producing the thermoacoustic effect; the action of a piston
coupled to an electrodynamic transducer makes power generation possible. This
small-scale, low-temperature linear thermoacoustic model uses standard
materials for its construction feasibility, generating around 3W of electrical
energy, thus demonstrating: its operation, the physics of the thermoacoustic
effect and the potential for the development of electric thermogenerators
(TEG).
Keywords Thermoacoustic effect,
electrical microgeneration, heat recovery, heat recovery.
Introducción
Alrededor de 3 mil millones de
personas en el mundo dependen de las estufas de leña para uso básico, como la
coccion de alimentos, que funcionan con la biomasa como combustible, como la madera,
estiércol o carbón [1]. Además, cerca de Mil millones
de personas en el mundo no tienen acceso a la electricidad y se estima que mas
del 20% del consumo energético mundial se generará de las energías renovables, lo
que representa el 8% de la población mundial aproximadamente, esto si las tendencias
de las políticas públicas continúan de la misma manera [2].
Según la Agencia Internacional
de Energía (IEA), más de 2,500 millones de personas dependen de la leña como su
principal combustible para calefacción y cocción de alimentos; en México el 25%
de la población depende de la leña, y es muy común observar que los campesinos
utilicen el fogón de leña a campo abierto para cocinar sus alimentos, debido al
difícil acceso del sector rural [3].
La Encuesta Nacional sobre
Consumo de Energéticos en Viviendas Particulares (ENCEVI) de 2018, reconoce que
28 millones de personas en el país utilizan leña para sus necesidades básicas, alrededor
de 5 millones de personas no cuentan con energía eléctrica y otros 5 millones no
tienen acceso adecuado a la energia eléctrica.
Según la encuesta del Instituto
Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), Chiapas, alberga alrededor de 6
millones de habitantes, de los cuales el 51% viven en zonas rurales y el 2% de
ellos (alrededor de 120 mil habitantes) no cuenta con enérgia eléctrica o bien
tienen una insuficiente disponibilidad de ésta.
Según el Consejo Nacional de
Población (CONAPO), Chiapas es el estado en el que, más número de personas
sufre aislamiento geográfico en el país, con más de 1 millón de personas, las
cuales también carecen de alimentos, drenaje y electricidad.
En los últimos años se han
desarrollado diversos dispositivos para la generación de energía eléctrica
alternativa, en este sentido, a partir del calor residual que emiten los
calentadores o las estufas, los generadores TEG pueden funcionar con el calor residual
de las estufas ecológicas, las cuales son ampliamente utilizadas en las zonas
marginadas de los países en vía de desarrollo, donde no se tiene acceso a la electricidad
[4].
La recuperación del calor en las
fuentes térmicas de calor residual en las viviendas, se percibe
significativamente conveniente para reutilizarla y evitar que se desaproveche,
disipandose al medio ambiente sin uso, con ello, poder mejorar el entorno
reduciendo las emisiones con un proceso multifísico para generar energía eléctrica.
La termoacústica es una tecnología emergente de conversión de energía que se
puede aplicar para calefacción, refrigeración [5,6] o generación de energía [7,8],
que no implica gases dañinos que atenuan el ozono y no utiliza energía
eléctrica.
En la búsqueda de aprovechar el
calor residual de los sistemas que generan calor, con el fin de rescatar esas
emisiones contaminantes y reutilizarlas, los sistemas de Recuperación de Calor
Residual (RC) implantados en los sistemas de Combustión Interna, han presentado
soluciones prometedoras en el marco de los convertidores de energía térmica. Su
auge ha motivado a los fabricantes de automóviles, para su introducción, como las
máquinas Stirling [9], las máquinas termoacústicas y los generadores
termoeléctricos [10,11]. Los sistemas de RC pueden determinarse por la
temperatura de la fuente de calor residual, principalmente dividida en dos
categorías: fuentes de calor residual a baja temperatura y fuentes de calor
residual a temperatura media y alta.
El micro generador (1)
termoacústico posee ventajas propias, como: seguridad, respeto al medio
ambiente, flexibilidad y disponibilidad de componentes [12-13]. Sin olvidar de
que es otra tecnología alternativa para coadyuvar necesidades básicas para
disponibilidad de energía eléctrica.
Efecto termoacústico
El prototipo de microgenerador
eléctrico termoacústico se compone de un recolector de calor externo llamado
foco caliente (fc), producido por una fuente térmica, que mediante
un tubo de borosilicato, en donde el aire dentro de tubo es expuesto a
temperaturas de más de 100°C, transformandola en energía térmica potencial en
un proceso isocórico (isométrico), el cual no realiza trabajo presión-volumen 
, es decir, el calor
tranferido al sistema queda a razón de su energía interna 
y el incremento de
energía es proporcional al incremento de la temperatura 
, por esta diferencia
de temperaturas, el aire pasa por un paso tipo tobera de aluminio hacia el foco
frío (ff), forzado por un gradiente de temperatura (
T) ayudado de un intercambiador
de calor tipo carcasa (HEX) que ayuda a facilitar el proceso de enfriamiento,
donde el delta de temperaturas tiene un impacto significativo en la presión
final del flujo hacia el transductor colocado en el foco frío, el sistema es
susceptible a sufrir deterioros, por las condiciones ambientales [14]. En la
actualidad existen muy pocas tecnologías disponibles comercialmente que puedan
hacer uso de fuentes de calor de sistemas térmicos como lo pueden ser las
estufas ecológicas, también, es importante considerar los materiales para
lograr la eficiencia requerida y viabilidad de construcción [15].
Las oscilaciones mecánicas
acústicas que ocurren dentro del regenerador, hacen que el fluido experimente
un ciclo de calentamiento (compresión, enfriamiento y expansión). La energía
térmica potencial, procedente de la fuente externa de calor, que se aprovecha
para convertir la energía térmica en energía mecánica acústica y finalmente en enérgía
eléctrica, a través de un transductor electrodinámico. Las temperaturas para el
funcionamiento del sistema termoacústico, se pueden obtener de fuentes
arbitrarias de calor, como de las emisiones de las estufas cuando se encuentran
en actividad.
El fenómeno
termoacústico trabaja con temperaturas constantes, y estas se pueden obtener en
las áreas de los sistemas térmicos donde los perfiles del flujo térmico son más
estables. Éste sistema describe un ciclo
termodinámico, con una determinada eficiencia (
), una potencia
acústica de entrada (
) a la salida del
generador, al cual, se propone la ecuación (1) [16].
(1)
El efecto
termoacústico se produce, cuando una misma masa de aire caliente comprimida (fc),
por una diferencia de densidad se transporta naturalmente al foco frío (ff),
y es descomprimida por un diferencial de temperaturas, aumentando así su
potencia mecánica hacia el transductor.
Nomenclatura
𝛼
Velocidad de sonido (ganancia acústica, m/s)
K Conductividad térmica (W/m°K)
r Densidad (Kg/m3)
L Longitud de estudio
(m)
X Longitud seccional
(m)
h Transferencia de calor
(convección) (W/m2°k)
k Transferencia de calor
(radiación) (W/m°k)
Rc Resistencia
convectiva (°k/W)
Configuración
experimetal
Se examinaron
diferentes tipos de generadores comerciales, para determinar el transductor
electrodinámico más adecuado,
además, se
realizó un análisis de los sistemas de producción de energía eléctrica a partir
de las emisiones de las fuentes de calor, así como, la definición de los
elementos principales que exponen la propuesta de este proyecto.
Se definio la
geometría del sistema a partir de materiales disponibles y se realizaron experimentos
para cuantificar su generación energética y eficiencia.
El receptor de
energía térmica (fc) instalado con un tubo de borosilicato de 27 mm.
de diámetro y 200 mm. de largo, conectado a una tobera de aluminio de 5 cm. de
largo y 3 mm. de paso, que a su vez está conectado al tubo de enfriamiento (ff)
inmerso en un discipador tipo carcasa de 250 ml. con refrigerante líquido. (fig
2).
El gradiente de
temperatura 
tiene un impacto
significativo en el flujo de calor y finalmente en la presión final del flujo
hacia el transductor, por ésto para el prototipo se utiliza un disipador de
calor tipo carcasa de aluminio de 100 mm. de diámetro y 200 mm. de largo, con
etilengliclol al 50%. Se utilizó una tobera de aluminio, inmersa en el refrigerante,
para propiciar un delta más amplio en la temperatura del foco frío.
La tobera del generador,
discipa y aumenta la presión final del sistema hacía el transductor, con un
orificio nueve veces menor que el tubo hidráulico del sistema (fig. 4).
El aislamiento entre
el foco frío y el foco caliente, se establece por una tapa de aluminio de 5 mm.
de grosor y la tobera de 50 mm. la cual támbien une a los dos focos (fc)
y (ff), funcionando como un brecha de temperaturas, el cual, ayuda al
efecto termoacústico (fig. 3).
La conductividad
térmica del sistema esta determinada por el coeficiente global de transferencia
de calor por conveccion y radiación: h=50
y k=0.024 
(1) [17][18].
; 
(1)
Con ello, se puede
llegar a la siguiente formula, que describe el flujo de la onda térmica en el
sistema (2).
; 
(2)
Así se tiene que la
temperatura de trabajo (T1) es la que soportará el aislante, es
decir, la temperatura con la que deberá enfriar, se obtiene con: 
.
Se puede explicar, la
similitud del fenómeno TEG que utilizan toberas y stacks, como paso entre el fc
y ff, donde el perfil de onda (fig. 5), las condiciones de frontera
y las temperaturas se pueden determinar con (3) [19].
(3)
(fig. 5
Una opción de
instalación del TEG, es donde se encuentra el calor residual y donde el perfil
de calor de la fuente térmica es más estable, por ejemplo: en una estufa, este
punto puede ser a 25 cm. en el punto 2 aproximadamente de la chimenea, medida realizada con
un termómetro FLIR E-60
(fig. 6).
En la preparación
experimental, se sugirió la simulación del sistema, induciendo la temperatura
de trabajo, adaptando un motor de escobillas, que mediante un eje se acopló a
un torquimetro Futek de 0 a 20 N-m, con margen de 0.01, todo conectado a
un monitor Futek IPM650.
La expresión de la
potencia acústica promedio en función de la presión del flujo de trabajo (p)
y la velocidad (v), se
puede concluir si será posible generar energía eléctrica con una diferencia de
fase de 90º, entre dos puntos (4) y se considera la siguiente ecuación de estado del gas
ideal para el fluido de trabajo (aire), esto proporciona una ecuación adicional
para vincular los parámetros físicos del fluido, considerando una presón de 7
Pa. como condición de entrada (fc) y presión atmosférica (ff)
(4) [20].
(4)
Con una temperatura especifica
y utilizando cargas de leds de 2.4 W, para forzar una caida de frecuencia en el
torquimetro donde se evaluó el TEG, para medir: 
La potencia
eléctrica extraída, con una resistencia de carga, se determina con la ecuación
(5) [21].
(5)
Los experimentos muestran
que el sistema difícilmente oscila independientemente, debido a pérdidas de
fuerzas mecánicas dentro del sistema, por ello, se coloca un volante con
contrapeso [22].
Además, se puede analizar la sensibilidad paramétrica del rendimiento
termodinámico y la energía libre de Helmholtz F=U-T(S), que describe el potencial
termodinámico del trabajo útil de un sistema cerrado en condiciones de
temperatura y volumen constante, que es la
diferencia de la energía interna (U) menos el producto de la temperatura
(T) por entropía (S).
Resultados
Estableciendo condiciones de
frontera en el sistema y las similitudes en relación a modelos existentes, se obtuvo
un modelo conceptual del TEG, con dimensiones y materiales viables y con capacidad
de generación eléctrica; se forzó la temperatura en el foco caliente e indujo una
temperatura para el funcionamiento del dispositivo; determinando la eficiencia
del dispositivo con la relación de la energía eléctrica generada y la cantidad
de calor recibido (fc) [23]. 
La potencia mecánica
(Wm) o par (M) del sistema, calculada con la velocidad angular (w), y
con la velocidad de salida en un punto elegido a tempertura constante (8).
El comportamiento del
torque en el sistema cuando se le aplica una carga 
inducida de una conexión
leds de 2.4 W, para frenar gradualmente el sistema, ocasionando una disminución
de velocidad por cada carga activada al sistema, tal como se muestra en la
gráfica (9).
La relación del
comportamiento de la potencia mecánica 
y la eficiencia 
,
con respecto a la
temperatura de entrada, se muestra cuando la temperatura oscila los 300°C, después de ésta temperatura
las dos variables tienden a descender de manera similar (10).
Conclusiones
En esta propuesta de termogeneración
se encontró que, teoricamente el microgenerador eléctrico termoacústico puede
generar energía a partir de las emisiones del calor residual de fuentes
térmicas, como las estufas de leña, en primera instancia, para su
aprovechamiento y solucionar una necesidad básica de energía eléctrica y
aportar opciones para suavizar las estadísticas de pobreza energética en poblaciones
marginadas, además, se proponen áreas de instalación de las tecnologías TEG, como
en las chimeneas convencionales de metal, comunmente usadas en este tipo de estufas.
También se construyó y se dispuso de un prototipo de tecnología termoacústica
para microgeneración eléctrica, apartir del calor residual de fuentes
térmicas.
Los TEG pueden ser aplicados
para distintas tareas como: ventilación de las cámaras de combustión para
mejorar su eficiencia, iluminación de pequeños espacios y/o para la carga de
dispositivos electronicos de uso diario.
Se seguirá evaluando
el dispositivo termoacústico, además, de incursionar en la utilización y
evaluación de diferentes tipos de sistemas de termogeneración eléctrica (TEG), que
nos sirva para seleccionar la tecnología adecuada en diferentes condiciones y las
distintas necesidades de la población.
Las posibles mejoras a
futuro de éste sistema, se describen a continuación:
• Se demostró que el modelo es
capaz de generar electricidad y en medida que se recupera el calor de la fuente
térmica y se es capaz de enfriar el mismo, es posible aumentar la generación
eléctrica, es decir, la capacidad de enfriamiento (∇T) del fluido de trabajo, es
directamente proporcional a la capacidad de generación,
pudiendo
hacer un prototipo ampliado proporcional geométrica y térmicamente para generar
mayor energía.
• Se pueden mejorar los diferentes
elementos del sistema, para lograr menor fricción, contribuyendo al subsistema
rotativo utilizado, el cual es manifiestamente susceptible a ser mejorado.
• El subsistema de enfriamiento,
es la parte mas crítica del sistema TEG, pudiéndose utilizar diferentes
mecanismos de enfriamiento, es necesario que sea lo suficientemente capaz de
enfriar durante el tiempo que se mantiene en funcionamiento, mejorando así, su
capacidad para lograr un delta de temperatura mayor y constante, con esto, estimular
una mayor eficiencia; las lecturas exponen el uso de gases inertes, como el
argón, que puede mejorar la capacidad de disipación de calor en el sistema.
Ésta propuesta de un prototipo
de microgeneración eléctrica termoacústica, resulta interesante para continuar
con estudios y construcción de termogeneradores (TEG) como generadores de
energía eléctrica alternativa, apoyados en materiales y tecnologías existentes;
finalmente el dispositivo construido resulta ser económico y viable, pero a su
vez demuestra una intermitencia en la generación eléctrica, esto derivado de
las partes sensibles dentro del sistema termogenerador y en la poca estabilidad
en los perfiles de calor de las fuentes térmicas, provocando una problemática
para su aprovechamiento total y su utilización en comunidades alejadas.
Agradecimientos
A los doctores que directa o
indirectamente contribuyeron en el proyecto. Este trabajo se desarrolló con
recursos propios, gracias a la beca del CONACYT.
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