Motor Stirling

Índice

1. Introducción

2. Historia.

3. Eficiencia del Stirling

4. Principios de funcionamiento.

5. Tipos de motores de aire caliente.

6. Ciclo Stirling Teórico.

7. Aplicaciones pasadas, actuales y futuras.

8. Construcción de un motor gamma Stirling.

9. Datos experimentales.

10. Conclusiones y bibliografía.

1. Introducción.

El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempos de los egipcios para desarrollar trabajo mecánico, accionando de esta manera trampillas, puertas y pesadas cargas, pero fue en la revolución industrial cuando las máquinas llamadas “térmicas” se estudiaron, desarrollaron y aplicaron de manera general. El Motor Stirling objeto de nuestro estudio es un tipo de motor térmico y como tal, genera trabajo mecánico a partir de la diferencia de temperaturas entre dos focos. La actual preocupación medioambiental y la cada vez más acuciante escasez de recursos energéticos de carácter fósil ha hecho que se haya rescatado del olvido este genial artilugio como una de las posibles soluciones a tales problemas dado su excepcional rendimiento.

2. Historia.

Robert Stirling fue un clérigo Escocés que, heredando el interés de su padre por la ingeniería, diseñó en 1816 un motor térmico que funcionaba sin peligro de las explosiones y quemaduras que tenia la maquina de vapor. Posteriormente sería el francés Sadi Carnot el que hiciera una interpretación teórica de su funcionamiento para comprender el  

fenómeno de producir fuerza motriz partiendo del calor que fluye entre dos focos a distinta temperatura. Si bien en potencia no podía competir con la, famosa por entonces, máquina de vapor, era el motor de Stirling una máquina mucho más sencilla, barata y segura y se aseguró en campo de aplicación allí donde la fuerza no fuera un factor tan decisivo diseñándose así ventiladores y bombas de agua basadas en el principio de la expansión y la compresión del aire.

3. Eficiencia del Stirling

Utilizando un diseño adecuado de Stirling, es posible obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, lo que hace de este motor el más eficiente que se conoce. Sin embargo, adolece de un problema que lo condena a ser el propulsor de un número limitado de maquinaria: no es posible ponerlo en funcionamiento en forma instantánea.

4. Principios de funcionamiento. El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

En nuestro diseño, aplicamos calor en la parte inferior, y frío en la parte superior a un recipiente hermético que contiene el medio de trabajo (aire), y un pistón desplazador, para mover el aire de una zona del recipiente a otra. Al aplicar calor a la base del recipiente, y con el pistón desplazador en la parte opuesta (arriba), aumenta la temperatura del aire, por lo que según la ley general de los gases aumenta la presión, empujando una superficie elástica, mediante la cual conseguiremos movimiento. Este movimiento de la superficie elástica se transmitirá a un cigüeñal, que a su vez irá conectado al pistón desplazador con en ángulo de noventa grados, de forma que, al subir la superficie elástica el pistón desplazador baje y desplace el medio de trabajo de la parte caliente del recipiente a la parte fria, lo que hará que disminuya el volumen y la presión del medio de trabajo, por lo que la superficie elástica volverá a su estado inicial, completando el recorrido del cigüeñal. Al volver a la posición inicial, volverá a subir el pistón desplazador, desplazando el medio de trabajo de nuevo a la parte caliente del recipiente, aumentando su volumen, la presión, y repitiendo el proceso.

El ciclo termodinámico del motor de Stirling visto en la gráfica de presión contra volumen, se compone de dos procesos isotermos (se mantiene constante la temperatura) y de dos procesos isócoros (se mantiene constante el volumen), veamoslo en detalle:

Si partimos por ejemplo de la situación en la que el pistón desplazador se encuentra en la posicion más baja, el aire se encontrará por competo en la cámara fría del cilindro,supongamos pues que esas condiciones son de temperatura T1, volumen V1 y presión

P1. Ahora el pistón desplazador comienza subir y en consecuencia el aire comienza a ser enviado a la parte caliente del cilindro [trazo A, isócoro], se supone que este proceso se hace a volumen constante y por lo tanto cuando ya está todo el aire en la parte caliente las condiciones son de volumen V1, de temperatura T2 (mayor que T1) y de presión P2 (mayor que P1). El aire, al estar más caliente y con mayor presión comienza a expansionarse generando trabajo mecánico [trazo B, isoterma], al expandirse su volumen pasa a ser V2 (mayor que V1) y su presión desciende a P3 sin embargo mantiene su temperatura T2. Llegado este punto el pistón desplazador comienza de nuevo su recorrido descendente y envía de nuevo todo el aire a la parte fría del cilindro sin cambiar el volumen V2 [trazo C, isócoro], la temperatura baja a T1 y la presión a P4. Por último volvemos al punto de partida del ciclo al comprimirse el aire manteniendo su temperatura T1 y reduciendo su volumen a V1 y con presión P1 [trazo D, isoterma]. De esta manera comienza el ciclo de

nuevo.

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