Motores Stirling
El Motor Stirling fue inventado 1816 por Robert
Stirling, reverendo de origen escocés. El objetivo era tener un motor menos
peligroso que la máquina de vapor.
El principio de funcionamiento es el trabajo
realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio,
hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de
enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un
foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de
una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico.
Este motor continúa en investigación debido a la
versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que
al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar
una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de
combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera).
Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan
este principio, incluso algunos con base acústica.
Como funcionan
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 Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling
real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto, 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.
Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones.
Tipos de motores
Tipos
de motores de aire caliente:
Todos
los motores Stirling tienen un funcionamiento similar, pero se pueden
clasificar en
diferentes
tipos según la posición del pistón de potencia y el desplazador.
Los
tres grupos en los que se pueden diferenciar estos motores son:
-
Motores de tipo beta: Este tipo de motor fue el diseño original que hizo
Robert
Stirling.
Consta de un cilindro con dos zonas, una caliente y otra fría. En el interior
del
cilindro también se encuentra un desplazador que posibilita el movimiento de
aire, y
concéntrico con este,
se encuentra el
pistón de potencia,
que está
desfasado
a 90º respecto al desplazador.
Este
tipo de motor es el más eficaz, pero también el más complejo y voluminoso.
-
Motores de tipo alfa: Este motor fue diseñado por Rider. Este tipo, a
diferencia del
tipo
beta, tiene dos cilindros, uno donde se sitúa la zona fría, y otro donde se
sitúa
la
caliente. En cada cilindro, hay un pistón que está desfasado a 90º del pistón
del
otro
cilindro. Los cilindros están conectados entre sí
por un
cigüeñal, que hace
que la relación
potencia/volumen
sea bastante alta. El mecanismo
de este
tipo de
motor es
bastante
sencillo, pero
es
complicado
que no
se
escape el aire, sobretodo en el cilindro caliente,
ya las
altas temperaturas deterioran
los
materiales.
-
Motores de tipo gamma: Este motor es muy parecido al de tipo beta, pero es
más
sencillo
de construir. Lo que diferencia al beta y al gamma es que el gamma tiene
el
pistón de potencia y el desplazador en diferentes cilindros, que están
desfasados
a
90º. Los dos cilindros están unidos por un cigüeñal. Este motor es más
sencillo,
pero
su potencia es menor que la de tipo beta.
- Motor
Ringbom: En
1905 Ossian Ringbom
inventó
un motor derivado del de tipo gamma, con
una
simplicidad mayor, pues el pistón desplazador
no
está conectado con el de potencia, sino que
oscila
libre movido por la diferencia de
presiones y
la
gravedad.
Posteriormente
se fueron descubriendo pequeñas
modificaciones
en el motor Ringbom original, que
posibilitaba
un motor muy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos
(alfa,
beta, gamma).
-
Motor de pistón líquido: En este tipo de motor se
sustituye
el pistón y el desplazador por un líquido.
Está
formado por dos tubos rellenos de un líquidos;
uno
de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de
pistón. Requiere
unos cálculos complicados,
y en
algunos
casos es necesario un tercer tubo llamado
sintonizador.
-Motor
Stirling termoacústico: probablemente es la evolución última de este motor
en el
que
se simplifica al máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador
y por
lo
tanto carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor
original.
Funciona
gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí el
nombre
de “acústico”, merced al calor suministrado en el foco caliente.
Aplicaciones
vapor, ya
que intentaba simplificarla
se aplicó en
principio a máquinas
que
requerían poca
potencia ventiladores o
bombas de agua.
Perdió el interés
después
del desarrollo del motor de combustión interna y se ha retomado el
interés
estos últimos años debido al gran número de características favorables
que
presenta, en concreto su elevado rendimiento.
Coches híbridos:
En el sector
del automóvil, se han
efectuado muchas
investigaciones
y se ha invertido mucho dinero. Sin embargo,
los resultados
obtenidos
no son los esperados. Una de las
mayores dificultades para
utilizar
motores
Stirling en vehículos es que son muy
lentos y que
no reaccionan
inmediatamente
(cuando te montas en el coche, éste no arranca hasta pasados unos
segundos).
La solución puede pasar por construir coches híbridos que utilicen un motor
Stirling,
no acoplado directamente a las ruedas, sino acoplados a un generador eléctrico
que
a su vez cargue las baterías del coche.
Aplicaciones aeronáuticas: Se
estudia la posiblidad
de incorporar motores
Stirling
aplicados
al mundo de la aviación, al menos en teória sus ventajas serían las siguientes:
-Es
un motor silencioso lo cuál permite un viaje más cómodo para los viajeros y
menos
contaminación
acustica para los alrededores.
-Emite muchas
menos vibraciones puesto
que no hay
explosión en los
cilindros. Y
también
debido a eso el combustible del motor pudría ser mucho menos inflamable y
peligroso
en caso de accidente.
-Ya
hay estudios que demuestran que a mayor altitud mejora su potencia. A mayor
altura
la
densidad del aire es menor igual que el rozamiento de la nave, pero los motores
convencionales
pierden potencia por culpa de que no cogen aire suficiente para realizar la
combustión,
los motores Stirling no tienen ese problema. A esto hay que sumar el hecho
Concurso
espacial INTA 2010 El motor
Stirling
-Majadahondade que alturas mayores, menor es la temperatura
del aire y por lo tanto, la diferencia de
temperatura
entre focos del motor se incrementaría, aumentando así su rendimiento y
potencia.
Aplicaciones en
barcos y submarinos:
El motor Stirling
es aplicable a los
sistemas de
Propulsión en el
campo del submarinismo,
en concreto la
discreción,
como problema principal de los submarinos convencionales. Esta es
la
principal preocupación de los países que
construyen este tipo de unidades.
Su funcionamiento básico
consiste en la
transformación de calor
generado
externamente en
fuerza mecánica y
luego en energía
por medio de
generadores.
En 1988 fue probado operativamente y cumplió satifactoriamente
con
las exigencias requeridas para la zona de operaciones en un mar. A partir
de esa
fecha el motor
Stirling ha sido
incorporado en las
nuevas
construcciones.
Aplicaciones
energéticas:
No obstante el verdadero futuro de aplicación del motor de
Stirling está
en aprovechar su
característica más notable:
su rendimiento. Por
ello
precisamente,
este tipo de máquina térmica es un
magnífico
conversor de unos tipos de energía en
otros, en
particular resulta muy
eficiente para
transformar
la energía radiante solar en energíaeléctrica
usando un alternador
o dinamo como elemento
intermedio: Si disponemos
de una superficie que colecte los
rayos solares en forma de espejo orientable, será muy fácil hacer llegar el
calor
a la cámara caliente
del motor y éste
se pondrá a funcionar. Al no haber combustión no existe índice de
contaminación (gran ventaja contra otros motores). Sin ir más lejos, en la
Plataforma Solar de Almería, se hanconstruido equipos experimentales y demostrativos de gran
rendimiento. conocidos como Distal y EuroDISH formados por grandes discos
parabólicos que reflejan y concentran el sol hacia un motor Stirling.
Motores
Stirling en el espacio: La NASA quiere construir una base en la Luna que
dure,
sea
estable y capaz de mantenerse por sí misma. Para ello lo más indicado sería
utilizar
Concurso
espacial INTA 2010 El motor
Stirling
En
el Centro Espacial
Marshalld de la
NASA los científicos e
ingenieros
han estado trabajando en cómo encontrar una fuente de energía fiable y que
se
pueda utilizar en nuestro satélite. Dado que en este centro hay una instalación
que
permite
investigar el calor que se produce desde un reactor nuclear a un generador
eléctrico,
los cientificos han experimentado el uso de un motor stirling que permite que
la
energía
calorífica se transforme en trabajo mecánico. Lo que los científicos quieren
con
esto
es que este motor stirling acompañado de un reactor nuclear reducido que se
basa
en
la fisión, produzcan unos 40 kilovatios de energía suficiente para alimentar a
la base
lunar.
La idea de la NASA se hará realidad a
principios del año 2012.
De
la misma manera las agencias espaciales trabajan en la aplicación del motor
Stirling
en
satélites que solucionen sus problemas energéticos en órbita incluyéndolos como
elemento
intermedio de transformación de la energía entre un reactor de fisión nuclear y
el
alternador eléctrico.
Ciclo
inverso:
El ciclo de refrigeración Stirling es el inverso del motor de aire caliente:
mientras
que en el motor, una diferencia de temperatura entre dos focos se traduce en
movimiento, en
el refrigerador ocurre
precisamente lo contrario:
mediante trabajo
mecánico aplicado
al dispositivo Stirling
se logra conseguir
una diferencia de
temperaturas
entre dos focos.
Las
aplicaciones en este campo son numerosas:
-Medio para
enfriar equipos electrónicos
e imanes superconductores en
investigación.
-Secado
de materiales por congelación.
-Medio
enfriador para licuar helio, hidrógeno y nitrógeno.
-Aparatos
de refrigeración varios (containers para trasladar productos congelados).
