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).