Motor Stirling
Un motor Stirling es un motor térmico operando por compresión y expansión
cíclica de aire u otro gas, llamado “fluido de trabajo”, a diferentes niveles de temperatura tales
que se produce una conversión de energía calorífica a energía mecánica, es lo que diferencia a los motores Stirling de otros
motores de ciclo cerrado.
El motor Stirling fue inventado en 1816 por el
escocés Robert Stirling quien lo concibió
como un primer motor para rivalizar con el motor de vapor.
Estos motores tienen una alta eficiencia, si se
los compara con los motores de vapor, y gran facilidad para ser aplicado a
cualquier fuente de calor. Estas ventajas están haciendo que vuelva a tener
interés este tipo de motores, y su aplicación en sistemas de energías renovables.
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 un 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.
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). Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor
eficiencia asociada a los dos focos
térmicos de
los que normalmente consta una máquina.
Existe
también una máquina similar según el ciclo
Ericsson,
la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de
regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling
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
tiene un fluido.
El regenerador divide al motor en dos zonas:
·
Una zona caliente
·
Otra zona fría
El fluido se desplaza de la zona caliente a la
fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. Puede
emplear 1, 2, 3 o más pistones.
Ciclo Stirling
ideal
El ciclo Stirling ideal consiste
de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre
el fluido de trabajo:
·
1-2. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior.
Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente
fría.
·
2-3. Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad
de calor Qr y aumenta su
temperatura, lo que provoca un aumento de presión.
·
3-4. Expansión isoterma del gas a alta
temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente.
·
4-1. Cesión de una cantidad de calor Qr al
regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.
Rendimiento del
ciclo
La
definición de rendimiento para una máquina térmica es:
El
trabajo neto será el debido a la expansión y compresión isotérmicas, puesto que durante
los procesos
isocóricos no
se realiza trabajo.
Para
un gas ideal se calcula como
Donde
Vmin y Vmax son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan
respectivamente, y Tc, Tf las temperaturas de las fuentes
calientes y frías respectivamente.
Definiendo
la relación de compresión como r = Vmax / Vmin y aplicando las propiedades de
logaritmo, se reduce a
El
gas solo absorbe calor durante dos etapas:
§
El calentamiento a volumen constante.
§
La expansión isotérmica.
Para un gas ideal esto representa
En la práctica es común el uso de regeneradores,
que permiten almacenar el calor cedido por el gas durante el enfriamiento a
volumen constante para luego devolverlo al sistema durante el proceso de
calentamiento. Si bien ambas cantidades son iguales en módulo, puesto que se
trata de procesos isocóricos entre las mismas dos temperaturas, el regenerador no
es perfecto y parte de esa energía se pierde.
Definiendo su eficiencia como
Se obtiene
Finalmente, el rendimiento total de la máquina
resulta
En la medida que el funcionamiento del
regenerador se acerca al caso ideal, el rendimiento del ciclo se aproxima al
del ciclo de Carnot
Tipos de motores
Stirling
§
Motores tipo alfa: consta de dos
cilindros independientes conectados por un tubo en el que almacena y cede el
calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90° 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.
§
Motores tipo beta: consta de un cilindro
con una zona caliente mediante un mechero de gas, alcohol, etc. Y una zona
fría, refrigerada por aletas, agua, etc.
Mediante un cigüeñal
especial, el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90°, lo
que permite que el motor funcione.
Desde el punto de
vista termodinámico, es el motor más eficaz, pero su construcción es complicada
ya que el pistón debe de tener dos bielas y permitir el paso del vástago que
mueve el desplazador.
§
Motores tipo gamma: es una variante del
tipo beta, con idénticos sistemas para calentar y enfriar, pero de construcción
más sencilla, similar al de un motor de motocicleta.
Consta de dos
cilindros separados. En uno se sitúa el desplazador y en otro el pistón de
potencia.
El pistón y el
desplazador se mueven desfasados 90°, lo cual se consigue mediante el cigüeñal
adecuado.
Desde el punto de
vista termodinámico, es menos eficaz que el tipo beta, puesto que la expansión
de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.
Motor alfa
Motor alfa
Motor beta
Motor gamma
Ventajas y
desventajas
VENTAJAS:
§
El aporte de calor es externo, por lo que las condiciones de combustión
son flexibles.
§
Funciona con cualquier fuente de calor, no solo por combustión, por lo
que se puede utilizar fuentes de calor como solar, geotérmica, nucleares,
biológicas, etc.
§
Se puede usar un proceso de combustión continua, por lo cual se pueden
reducir la mayor parte de las emisiones (hollines, hidrocarburos…).
DESVENTAJAS:
§
Baja densidad de potencia debido a la combustión externa, lo que
condiciona su tamaño.
§
Dificultad en la construcción del motor para sellar el fluido de trabajo
durante toda la vida útil, lo que eleva su costo.
§
Se requieren grandes superficies de intercambios de calor, lo que hace
aumentar desmesuradamente su tamaño en comparación con los motores de
combustión interna.
Aplicaciones
§
En submarinos, el motor
Stirling es la base de la propulsión de algunos motores, pues permite recargar
las baterías a altas profundidades.
§
En yates, existe un tipo
específico de motor Stirling que es especialmente diseñado para yates.
§
Se pueden usar para bombear agua, pudiendo diseñarse para utilizar el
agua como refrigerante del foco frío (a menor temperatura del agua, mejor
funcionamiento).
Webgrafía
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