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Motores Stirling
Grupo 4 Motores con Ciclo Stirling
Síntesis Histórica
En 1816 el reverendo Escocés Robert Stirling (1790-1878) patentó un motor que
funcionaba con aire caliente. La patente de este era el final de una serie de años
intentando simplificar el motor de vapor. Stirling consideraba demasiado complicado
calentar agua en una caldera, producir vapor, expandirlo en un motor, condensarlo y
mediante una bomba introducir de nuevo el agua en la caldera. Este realizaba los
mismos procesos de calentamiento y enfriamiento que los motores convencionales, pero
en este caso se utiliza aire. Este tipo de motores fue bastante utilizado en su época, sobre
todo para pequeñas máquinas de uso doméstico tales como ventiladores, bombas de
agua etc. Su potencia específica no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran
magníficos.
Principio de Funcionamiento
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, de gran antigüedad, continúa en investigación gracias 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.
En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos
como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y
concentran el sol hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que
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mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos
experimentales y demostrativos de gran rendimiento.
Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran
número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica.
Regenerador
Este elemento del motor, aunque no es obligatorio, permite alcanzar mayores
rendimientos. Este tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a
volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, de una conductividad
térmica casi despreciable. El mismo, divide el motor en dos zonas: una zona caliente, y
una zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría, a lo largo de los
diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.
Tipos de motores Stirling
Se conocidos tres tipos distintos de motores con ciclo Stirling:
Motores tipo alfa
Con dos pistones. Este tipo de motor es un poco distinto pero funciona con el
mismo principio termodinámico.
Motores tipo beta
Con el pistón y el desplazador en el mismo cilindro. El primer motor realizado
por Stirling fue de este tipo.
Motores tipo gamma
Con el pistón y el deslazador en cilindros distintos. Es un tipo derivado del beta,
pero más sencillo de construir mecánicamente.
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Alfa
FIG 1.
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 situa 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.
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Beta
FIG 2.
El motor original de Stirling era de este tipo. Consta de un cilindro, con una zona
caliente (mediante un mechero de gas, alcohol etc.), una zona fría (refrigerada por
aletas, agua etc.).
En el interior del cilindro esta el desplazador cuya misión es pasar el aire de la zona fría
a la caliente y viceversa.
Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, únicamente una holgura de algunas
décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire.
Los motores grandes suelen llevar un regenerador externo por el que debe pasar el aire
en su camino de la zona fría a la caliente y viceversa.
Concéntrico con el desplazador esta situado el pistón de potencia.
Mediante un cigüeñal especial el movimiento del pistón y el desplazador están
desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione.
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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.
Gamma
FIG 3.
Este tipo esta derivado del beta, pero es mas sencillo de construir.
Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en otro
el pistón de potencia.
Los sistemas para enfriar y calentar son idénticos a los del tipo beta.
En este tipo el pistón de potencia es mucho más sencillo de construir ya que es similar
al de un motor de motocicleta. Aquí el pistón y el desplazador también deben de
moverse desfasados 90 grados, 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.
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Ciclo Stirling
El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el
máximo rendimiento.
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.
¿Qué hace que se siga investigando?
Lo que hace tan interesante al motor Stirling, es el rendimiento que se puede llegar a
obtener, muy cercano al rendimiento de Carnot. Teniendo en cuenta el rendimiento
de un automóvil, la investigación hacia uno mejor no termina.
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Otros Modelos
El motor de Stirling es muy adecuado para la realización de modelos que realmente
funcionan.
Se pueden realizar sencillos sin herramientas, o complejos, que exigen ajustes muy
precisos y materiales especiales.
Como fuente de calor pueden utilizarse, mecheros de alcohol, gas, una vela, energia
solar, e incluso el calor de la mano (pero este motor necesita ser construido con muy
buenas maquinas herramienta).
Ejemplos Prácticos
Canicas
Un ejemplo sencillo y práctico es tomar un tubo de ensayo, introducir unas canicas,
colocar un tapón, y mediante un tubo de silicona, conectarlo con un pequeño globo.
Luego se calienta un extremo del tubo de ensayo con un mechero de alcohol por
ejemplo, teniendo así una zona fría y otra zona caliente en el tubo.
Cuando las canicas se encuentren en la zona caliente, el aire en el interior del tubo
estará en la zona fría, y el globo se mantendrá desinflado.
Si inclinamos el tubo hacia el otro lado, las canicas irán hacia el otro lado y el aire irá a
la zona caliente, por lo que se calentará, aumentando su temperatura y su presión, con lo
que el globo se inflará, y se estará realizando un trabajo.
Si volvemos a inclinar el tubo en sentido contrario, las canicas volverán a la zona
caliente, y el aire a la zona fría, por lo que el globo se desinflará nuevamente.
Un motor construido de esta manera no es muy eficiente, ya que el calor gastado en
calentar el aire se utiliza en producir un trabajo (En este caso, inflar el globo), pero se
pierde al enfriar el aire cuando las canicas lo hacen pasar a la zona fría.
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El rendimiento de esto se podría mejorar, colocando en lugar de la canica central, una
bolita formada por hilos metálicos muy finitos, como la lana de acero que se utiliza
para pulir, el aire cedería al pasar de la zona caliente a la fría, su calor a estos hilitos, y
luego al pasar de la zona fría a la caliente, tomaría calor de ellos. No sería necesario en
este caso aportar tanto calor para inflar el globo.
La bolita de hilos metálicos sería el regenerador mencionado anteriormente.
FIG 4.
Ringbom
Algunos autores trabajaron y siguen trabajando en simplificar los mecanismos de
movimiento del pistón y del desplazador del motor Stirling.
En 1905 Ossian Ringbom patentó un motor cuyo desplazador se movía por una
combinación de las variaciones internas de la presión en el motor y la fuerza de la
gravedad. La sencillez de este mecanismo era asombrosa, aunque en su tiempo no tuvo
gran éxito puesto que al necesitar de la fuerza de la gravedad para mover el desplazador,
la velocidad del motor no era muy buena.
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Más adelante, los investigadores que trabajaron con este tipo de motor, descubrieron
que con pequeñas modificaciones sobre la patente original de Ringbom podía realizarse
un motor igualmente sencillo y a al mismo tiempo tan rápido como cualquiera de los
tipos clásicos de motores de Stirling.
En la siguiente imagen se muestra el esquema del motor Ringbom
FIG 5.
Se trata de un motor tipo gamma en el que el vástago del desplazador tiene un diámetro
mayor que en el motor con doble cigüeñal. Este vástago no tiene ninguna conexión
mecánica con el cigüeñal y permite al desplazador moverse libremente, estando este
movimiento únicamente limitado por dos juntas redondas de material elástico que
amortiguan su choque al alcanzar el punto muerto inferior y el punto muerto superior
respectivamente.
La base del funcionamiento de este tipo de motor está en la relación entre el diámetro
del vástago del desplazador (Ar) y el diámetro del desplazador (Ad). Si la relación
Ar/Ad es elevada, entre 0,5 y 0,6 el motor girará muy rápido pero necesitará mayor
diferencia de temperatura entre el foco frío y el caliente (Delta T).
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Si la relación Ar/Ad es baja, entre 0,2 y 0,3 la velocidad de giro del motor será mas
lenta pero no necesitará un variación de temperatura elevada.
Para variaciones de temperatura del orden de 300 grados centígrados, típicos de un
motor con refrigeración por aire y calentado por un mechero de alcohol, la relación
adecuada Ar/Ad suele ser del orden de 0,4.
Fases del funcionamiento
FIG 6.
En la fase (A), el desplazador está en su posición más baja y el pistón en la mitad de su
recorrido ascendente.
Si el pistón sigue subiendo, la presión interior del motor se incrementará y llegará un
momento en el que la presión interior aplicada a la superficie Ar del desplazador
ejercerá una fuerza tal que compensará el peso del desplazador y la fuerza ejercida por
la presión atmosférica sobre la superficie Ar. A partir de ese momento (B), el
desplazador iniciará su movimiento hacia arriba hasta su posición mas alta.
Al hacerlo todo el aire que se encontraba en la zona fría, pasará a la zona caliente y por
lo tanto la presión interior aumentará considerablemente, con lo cual el pistón podrá
realizar su carrera descendente de trabajo, fase (C).
Cuando la presión interior haya descendido lo suficiente, la presión atmosférica
actuando sobre Ar y el peso del desplazador lo harán bajar hasta su posición inferior,
por lo que todo el aire pasará a la zona fría disminuyendo su temperatura y presión. A
partir de ese momento (D) el ciclo podrá volver a comenzar.
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Grupo 4 Motores con Ciclo Stirling
Si la relación Ar/Ad es la adecuada y el peso del desplazador es pequeño, su influencia
en el funcionamiento del motor será despreciable por lo que este podrá hacerlo en
cualquier posición.
Solar
Este es un motor de los denominados de baja diferencia de temperatura entre el foco frío
y el foco caliente).
Mediante un cono de espejo fabricado con chapa de acero inoxidable de 0,5mm de
espesor se consigue una concentración 4:1 de la energía solar sobre una placa pintada de
negro.
Los días de mucho calor funciona perfectamente, solo se tiene que enfocarl al sol y
esperar un poco, enseguida el motor se pone a girar a unas 250 rpm. Cada 15 - 20
minutos debes se debe volver a orientarl para que el sol siga concentrándose en la placa
pintada de negro.
En invierno se le quita el colector solar y si la temperatura ambiente es muy baja (10 º
C o menos) el motor funciona con el calor de tu mano. Se necesitan unos 20 º C de
diferencia entre el foco frío y el caliente para girar en este caso solo a unas 40 rpm.
Se pueden obtener esos 20 º C poniendo el motor encima de unos cubitos de hielo (en
un plato de sopa por ejemplo), en este caso el motor gira en sentido contrario ya que el
ambiente hace de foco caliente y el hielo de foco frío.
FIG 7.
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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
pueden 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, etc.)
La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco
frío, y por lo tanto necesitan menos lubricación y duran más que otras máquinas
alternativas.
Los mecanismos son más sencillos que en otras maquinas alternativas, estos
ocurre, porque no necesitan válvulas, el quemador puede simplificarse.
Una máquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo
las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por lo tanto se reducen
los riesgos de explosión. En comparación una máquina de vapor usa agua en
estado líquido y en estado vapor, por lo que un fallo en una válvula puede
provocar una explosión peligrosa.
Arrancan con facilidad (despacio y después del calentamiento inicial) y
funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de
combustión interna que arrancan con facilidad en temperatura templada pero con
problemas en temperaturas frías.
Se pueden usar para bombear agua, pudiendo diseñarse para utilizar el agua
como refrigerante del foco frío, (a menor temperatura del agua mejor
funcionamiento)
Son extremadamente flexibles pudiéndose utilizar para cogeneración en invierno
y como refrigeración en verano.
Desventajas
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Grupo 4 Motores con Ciclo Stirling
Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor de entrada y salida,
que tienen que contener el fluido de trabajo a alta temperatura, así como soportar
los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera. Esto supone un
encarecimiento de la máquina.
Los motores que funcionan con pequeños diferenciales térmicos son muy
grandes en comparación al trabajo realizado por culpa de los intercambiadores.
La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se
mantiene a la temperatura mas baja posible para aumentar la eficiencia térmica.
Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños
compactos. Esto junto con los costos de los materiales, ha sido uno de los
principales factores limitantes a la hora de su uso en los automóviles, pero
existen otros usos donde la relación peso potencia no es tan critico como
propulsión naval, cogeneración, etc,
Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, tiene que primero
“calentarse”. Esto es cierto para todos los motores de combustión externa, pero
menor que otros como la máquina de vapor. Su mejor uso es en motores que
requieran una velocidad constante.
El trabajo realizado por un motor Stirling tiende a ser constante y para ajustarlo
se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Generalmente se
hace variando el desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo.
Esta característica es menos crítica en el caso de motores de propulsión híbrida
eléctrica o en la producción de electricidad de base de carga, donde esa
producción constante es deseable.
El Hidrógeno por su baja viscosidad, alto calor específico y conductividad
térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y
dinámica de fluidos. Sin embargo presenta problemas de confinamiento y
difusión a través de los metales. Por ello se usa generalmente Helio con
propiedades muy semejantes, que además es inerte, y no inflamable como el
Hidrogeno. El aire comprimido presenta riesgo de explosión por la presencia de
Oxígeno, por lo que la alternativa es eliminarlo por combustión o utilizar
Nitrógeno.
Índice
14
Grupo 4 Motores con Ciclo Stirling
Síntesis Histórica ---------------------------------------------------------------- 2
Principio de Funcionamiento ------------------------------------------------- 2
Regenerador ------------------------------------------------------------------3
Tipos de motores Stirling --------------------------------------------------3
Alfa --------------------------------------------------------------------------4
Beta --------------------------------------------------------------------------5
Gamma ---------------------------------------------------------------------6
Otros modelos --------------------------------------------------------------------7
Ejemplos Prácticos ----------------------------------------------------------7
Canicas ---------------------------------------------------------------------7
Ringbom --------------------------------------------------------------------9
Solar -----------------------------------------------------------------------11
Ventajas y desventajas -------------------------------------------------------12
Ventajas ------------------------------------------------------------------12
Desventajas --------------------------------------------------------------13
Sitios Web consultados
15
Grupo 4 Motores con Ciclo Stirling
http://personales.able.es/jgros/
http://mstirling.wordpress.com/2007/04/
http://www.slideshare.net/renatolachira/motor-stirling
Bibliografía consultada
Facorro Ruiz, L.A. (1997). Curso de Termodinámica. Buenos Aires. Nueva
Librería S.R.L.
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