Introducción

El motor Stirling fue inventado en 1816 por el reverendo Robert Stirling (1790-1878) en Escocia, unos ochenta años antes de la invención del motor diésel y unos cuarenta años después de la construcción de la máquina de vapor de James Watt (1736 - 1819). La búsqueda de potencia en las máquinas de vapor condujo al desarrollo de calderas de alta presión, sin embargo tenían el problema de que explotaban con facilidad. Motivado por la resolución de dicho problema, Stirling diseñó un motor más simple y eficiente que una máquina de vapor. Este no necesitaba válvulas que regulasen el paso del fluido y obtenía mayor cantidad de trabajo con la misma cantidad de calor aportado. Mejoró la eficiencia gracias al economizador, dispositivo que intercambia calor, posteriormente llamado regenerador. El economizador permitía almacenar una cantidad de calor en una de las fases de ciclo y devolverlo al mismo en otro punto del ciclo.

Obtuvo éxito comercial hasta principios de 1900 compitiendo con las máquinas de vapor para mover maquinaria y como bomba de agua. Sin embargo fue desplazado rápidamente por los motores de combustión interna y los motores eléctricos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Marco Teórico

Todos los motores termodinámicos funcionan con ciclos de calor, llamados con mayor propiedad ciclos termodinámicos. Cada uno de estos ciclos tiene un nombre. Los motores termodinámicos se clasifican en endotérmicos (combustión interna) y exotérmicos (combustión externa). Como ejemplo de motores de combustión interna son los que se usan en los autos, estos funcionan con el ciclo Otto, los camiones, trenes y barcos con el ciclo Diesel, las plantas de poder frecuentemente funcionan con el Ranking, mientras que las turbinas de gas funcionan con el ciclo Brayton. En los motores de combustión externa destaca uno en especial el motor Stirling cuyo ciclo fue entre los primeros de los ciclos termodinámicos en ser operados por los ingenieros.

La idea del ciclo Stirling fue alternando aire caliente y frío en un cilindro usando brazos mecánicos articulados y un volante para lograr que el motor funcione en un suave e interminable ciclo.

Los motores térmicos transforman un flujo de calor en trabajo mediante una serie de procesos termodinámicos que realizan de forma continuada sobre un fluido motor. En conjunto estos procesos forman un ciclo termodinámico. Un ciclo termodinámico es una evolución cíclica de procesos térmicos dentro de un intervalo de temperaturas.

CICLO STIRLING

 

Imagen  1.  Diagrama  presión-­‐volumen  Ciclo  Stirling.    

Descripción del ciclo Un ciclo de Stirling ideal se compone de cuatro procesos reversibles: Compresión isoterma A→B El gas se comprime desde un volumen inicial VA hasta uno final VB, inferior, manteniendo su temperatura constante en un valor T1 (a base de enfriar el gas de forma continuada). Calentamiento a volumen constante B→C El gas se calienta desde la temperatura T1 a la temperatura T2 mantenientdo fijo su volumen. Expansión isoterma C→D El gas se expande mientras se le suministra calor de forma que su temperatura permanece en su valor T2. Enfriamiento isócoro D→A Se reduce la temperatura del gas de nuevo a su valor T1 en un proceso a volumen constante.

Intercambiadores de calor en un Motor Stirling

Calentador. Se parte de un calentador formado por tubos. Estos tubos contienen el fluido de trabajo, en el exterior se encuentra el fluido que aporta calor. El fenómeno de transferencia de calor tiene las siguientes fases:

a) Transferencia de calor por convección desde el fluido exterior a la pared exterior del tubo.

b) Transferencia de calor por conducción de la pared exterior del tubo a la pared interior.

El calentador es un intercambiador difícil de diseñar debido a los requisitos térmicos y mecánicos de este. En cuanto a los requisitos mecánicos, las tensiones producidas por la diferencia de temperatura y presión entre el interior y exterior del tubo limitan la temperatura máxima que puede alcanzar el fluido de trabajo entorno a los 800oC. Mientras que los requisitos térmicos de la pared exterior e interior del tubo son diferentes. La superficie exterior del tubo está bañada por un fluido con baja presión, alta temperatura y flujo estable. La superficie interior contiene un fluido con alta presión, alta temperatura y velocidad de flujo variable. Por todo esto, los coeficientes de transferencia de calor y las áreas necesarias son significativamente diferentes. Para aumentar la potencia del motor se intenta maximizar la superficie de intercambio de la pared interna del tubo. Este aumento de potencia está reñido con una disminución del rendimiento debido al aumento del volumen muerto y en consecuencia a un aumento de la relación de compresión.

La relación entre la transferencia de calor por convección en la pared interna del tubo y las pérdidas por fricción en el fluido de trabajo ha de ser máxima. Para esta difícil tarea se recurre al estudio del calentador por medio de las correlaciones que

aportan números adimensionales, cómo el número de Reynolds, Prandtl y Nusselt, con el objetivo de alcanzar una relación óptima.

Enfriador. Si aumenta la temperatura del intercambiador de calor a frío disminuye la eficiencia térmica del motor, así que es deseable mantener la temperatura del enfriador tan baja como sea posible. Esto puede conseguirse enfriando con aire o con agua. Si se enfría mediante agua pueden necesitarse dos intercambios térmicos como en un motor de combustión interna. Si se refrigera con agua se consiguen menores temperaturas pero aumenta el trabajo de ventiladores y bombas auxiliares y aumenta la complejidad del sistema.

Por una parte en el enfriador, las condiciones del fluido de trabajo son similares a las que tienen lugar en el calentador pero a menor temperatura. Por otra, el intercambiador de calor auxiliar agua-aire experimenta condiciones de flujo similares a las de un motor de combustión interna, por lo que está ampliamente estudiado y documentado. Por esto la mayor parte de los diseñadores de motores han adoptado la refrigeración por agua.

Regenerador.

Este dispositivo se podría considerar que es un almacén de calor, el cual absorbe o cede éste dependiendo del punto del ciclo en el que se encuentre. La regeneración ideal se produce cuando las temperaturas a la salida y entrada del regenerador son las temperaturas del final del espacio de expansión y compresión.

Funcionamiento

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. El ciclo teórico de Carnot es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al Ciclo de Carnot, además el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos, mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales, conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión.Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante)

Existe un elemento adicional al motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. El regenerador es un intercambiador de calor interno que tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador consiste en un medio poroso con conductividad térmica despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.El motor Stirling utiliza un foco caliente para expandir el aire dentro de el y así el motor va aumentado el volumen; seguidamente, utiliza un foco frio para contraer el aire reduciendo el volumen; esta diferencia de volúmenes activa un pistón el cual ejerce trabajo al motor y así poder concluir, como el aire realiza trabajo al expandirse y contraerse moviendo dicho pistón.Es necesaria la presencia de una diferencia de temperatura entre dos focos para que el motor pueda funcionar por eso se le denomina motor térmico.

El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir de cuatro procesos cíclicos consecutivos: aporte de calor, expansión con el aporte de calor de la fuente de calor, extracción de calor hacia un acumulador térmico regenerativo y compresión con extracción de calor hacia el foco frío.

Se plantea un modelo o esquema de un motor Stirling ideal donde el fluido esta confinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio, dividiendo el espacio, se dispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo condiciona para adecuarlo a la temperatura

de la cámara en que se encuentra. A un lado se dispone la cámara de compresión, a temperatura baja, y en el otro la cámara de expansión, a temperatura alta.

Imagen 2. Esquema ideal de una máquina Stirling.

El proceso al que se somete el fluido consta de cuatro pasos:

1. La totalidad del fluido se encuentra a baja temperatura en la cámara fría, por lo que el volumen de esta cámara es máximo, mientras que la cámara caliente esta a volumen mínimo.

2. El fluido sigue en la cámara fría, el volumen es mínimo para el fluido, pero intermedio para el mecanismo. La cámara caliente continua a volumen mínimo.

3. Todo el volumen está en la cámara caliente con volumen mínimo para el fluido, siendo el volumen del mecanismo volumen intermedio para la cámara caliente, mientras que la fría a pasado a tener volumen mínimo, es decir, nulo.

4. La cámara caliente y el fluido están a volumen máximo, y mientras que la cámara fría sigue a volumen mínimo.

Ventajas del motor Stirling:

• Funciona con cualquier fuente de calor como solar, geotérmica, nucleares, etc.

• Los mecanismos son más sencillos que en otras máquinas térmicas. • Tiene una buena eficiencia. • Utiliza prácticamente cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso,

mediante la instalación del quemador adecuado.

• Puede cambiar de combustible con solo sustituir dicho quemador. • Mantiene su interior sellado (ya que no tiene válvulas de admisión o de

escape) y, por lo tanto, limpio, lubricado y con mínimo desgaste de sus partes.

Desventajas del motor Stirlng:

• El motor no arranca de inmediato sino que tiene que calentarse previamente.

• Baja potencia debido a la combustión externa. • Lento tiempo de respuesta.

Utilidades Generalmente el motor Stirling se usa para producir energía mecánica, la cual sucede por la transformación de la energía térmica; sin embargo, este motor también es usado para generar energía eléctrica y de otros tipos. Mencionaremos algunas aplicaciones de este motor:

En refrigeradoras pero trabaja de forma inversa.

En submarinos ya que el motor Stirling puede recargar las baterías a altas profundidades.

Además, se ha creado un tipo de motor Stirling especial para yates.

Motor diseñado:

Motor tipo Alfa

Este tipo de motor no utiliza desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos.

Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.

Uno de los cilindros se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua.

El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.

Imagen 3. Partes de un motor tipo alfa

Conclusiones

El motor Stirling no requiere de la generación de energía térmica en su interior, solo necesita que se le agregue calor en uno de sus extremos y que en el otro se extraiga. Ese calor puede provenir de cualquier fuente, ya sea energía solar, nuclear o la de los combustibles- por ejemplo gasolina o alcohol- y el Stirling lo aprovecha mejor que un motor de otro tipo. Su rendimiento es mayor que el de los motores Otto, Diesel y turborreactores; de toda la energía térmica que se le suministra para su funcionamiento, un porcentaje importante se devuelve como energía mecánica. Mientras un motor Otto posee un rendimiento de entre 25% y 30%, el del motor Stirling llega a ser hasta del 50%. Además, el regenerador, situado siempre entre el calentador y el refrigerador, tiene que ser capaz de permitir el paso correctamente del fluido de trabajo entre estos dos elementos.

Sin embargo, la fabricación de un motor Stirling requiere de mucha más precisión, pero se desgasta menos que otro tipo de motor, sin embargo se tiene un difícil control de la velocidad.