Motor 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).

Concepto de un motor Stirling. Se define como motor Stirling como aquel dispositivo que convierte trabajo en calor o viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco

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caliente y la del foco frío. Es una máquina de combustión externa, o sea, puede adaptarse a cualquier fuente de energía (combustión convencional o mixta, por ejemplo, con biomasa y gas, energía solar), sin que ello afecte al funcionamiento interno del motor. Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones.

Tipos de Motor Stirling: Motor Tipo Alfa: Consta de dos cilindros independientes, sin desplazador, con dos pistones desfasados 90º. Uno de los cilindros se calienta mediante mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua.

Motor Tipo Beta Es el motor original de Stirling. Consta de un cilindro con una zona caliente y otra fría. En el interior del cilindro está el desplazador. Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, y existe una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del gas.

Motor Tipo Gamma: Está derivado del beta, pero más sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en el otro el pistón de potencia

Funcionamiento Es tan sólo el calentar y enfriar un medio de trabajo, sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido. Calentando ese medio provoca una expansión del mismo dentro del motor.

Q (he) produce expansEl medio de desplaza a otra parte del motor dónde es enfriado. Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo. Ese cambio de volúmenes activa un pistón de trabajo el cual ejerce el trabajo del motor. El motor es hermético por lo que siempre se utiliza el mismo medio en un circuito cerrado (no hay escape del medio de trabajo

Regenerador: Existe un elemento del motor, llamado regenerador, que, aunque no es obligatorio, permite alcanzar mayores rendimientos. Éste, tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo

.El regenerador es un medio poroso, con conductividad térmica despreciable. Divide al motor en dos zonas: zona caliente y 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.

Desde el punto de vista termodinámico el ciclo de un motor Stirling consta de dos procesos isocóricos y de dos isotérmicos.

Procesos El ciclo del motor Stirling está compuesto por dos evoluciones a Volumen constante y dos evoluciones isotérmicas, una a Tc y la segunda a Tf. El fluido de trabajo se supone es un gas perfecto. En el ciclo teórico hay un aspecto importante que es la existencia de un regenerador

Este tiene la propiedad de poder absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior. Hay algunos aspectos básicos a entender en la operación de un motor Stirling:

El motor tiene dos pistones y el regenerador. El regenerador divide al motor en dos zonas, una zona caliente y una zona fría. El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder

calor y con conductividad térmica K despreciable. El fluido de trabajo está encerrado en el motor y los pistones lo desplazan de la zona caliente a la fría o viceversa en ciertas etapas del

ciclo. Por lo tanto se trata de un ciclo cerrado

Cuando se desplaza el fluido desde la zona caliente a la fría (o al revés), este atraviesa el regenerador. El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga trabajo útil. Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro del regenerador es despreciable en el caso del ciclo teórico. Como en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento es algo inferior.

• En el ciclo teórico se supone que la eficiencia del regenerador es de un 100%. Es decir devuelve todo el calor almacenado y además con recuperación total de temperaturas. La descripción del ciclo es como sigue

La posición más baja, el aire se encontrará por completo 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 a V1 y con presión P1 [trazo D, isoterma]. De esta manera comienza el ciclo de nuevo.

El diagrama Presión-Volumen aporta la ventaja de poder “ver” gráficamente el trabajo externo desarrollado por la máquina pues coincide con el área encerrada en el ciclo (al multiplicar presión por volumen las unidades físicas resultantes son de trabajo).Cuanto mayor sea el área del ciclo mayor es la potencia del motor de lo que se puede deducir que a mayor diferencia de temperaturas entre los focos mayor es la distancia entre las dos isotermas y por lo tanto mayor es la potencia del motor

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

• Definiendo la relación de compresión como

y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a

• 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

• Datos a utilizar: V1=V4, V2=V3 T1=T2, T4=T3 • - Etapa 3-4: Proceso isotérmico (temperatura constante).Calentamiento

∂U = ∂Q + ∂W ∂Q =• Etapa 4-1: Proceso isocórico (volumen constante). ∂U = ∂Q + ∂W ∂U = ∂Q

Q = Cv(T1 − T4 ) W =0 • - Etapa 1-2: Proceso isotérmico (temperatura constante).Enfriamiento • ∂U = ∂Q + ∂W ∂Q = −∂W • - Etapa 2-3: Proceso isocórico (volumen constante). ∂U = ∂Q + ∂W ∂U =

∂Q ∂Q = −Cv(T1 − T4 ) ∂Q = Cv(T4 − T1 ) ∂W = 0

Aplicaciones: Inicialmente muy común, esa tecnología murió con el invento de los motores Otto y Diesel, hasta renacer al inicio del siglo XX impulsado por la compañía Philips en Holanda. La segunda guerra mundial puso fin a una serie de nuevos desarrollos y solo hace 25 años volvieron a iniciar nuevas iniciativas y desarrollos. Hoy en día se utiliza motores Stirling para generar calor, para impulsar submarinos y próximamente como motores en automóviles híbridos. Sus aplicaciones son muchas. Existen pequeños motores capaces de funcionar con la temperatura de la palma de la mano y se han construido prototipos para corazones artificiales implantables

Conversión de la energía solar en eléctrica y la cogeneración, o sea, la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica. Para convertir la energía solar en energía eléctrica, se utilizan espejos concentradores o parabólicos parecidos a cuencos o platos (de ahí, el nombre de dish-stirling). En ellos, se reflejan los rayos del sol, que van a parar a un punto llamado foco del concentrador. Gracias a estos sistemas, se logran unos rendimientos solar-eléctricos del 30%,

Otra de las aplicaciones del motor de ciclo Stirling es la cogeneración, la producción simultánea de energía eléctrica y térmica. se consigue El motor mueve un generador para producir electricidad y entrega simultáneamente agua de refrigeración que, a una temperatura de unos 60 grados centígrados, puede ser aprovechada como energía térmica.

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Submarinos, el motor stirling es la base de la propulsión de algunos motores pues permite recargar las baterías a altas profundidades, al contrario que el motor diesel, que exige subir a altura de periscopio para realizar esta operación}}

Ventajas: • Su elevado rendimiento, ya que el motor Stirling puede potencialmente alcanzar el rendimiento ideal de Carnot. • Posee una baja cantidad de elementos móviles, sobre todo en comparación con los motores de combustión interna, lo que permite pérdidas de rendimiento por fricción muy bajas.

Ventajas: • El hecho que el ciclo en la realidad sea cerrado hace que potencialmente se puedan obtener niveles muy bajos de emisiones. • Dado que es un motor de combustión externa el proceso de combustión se puede controlar muy bien, con lo que se reducen las emisiones. • Como intercambia calor con el exterior, se pueden utilizar una gran cantidad de fuentes de calor, como por ejemplo energía nuclear, energía solar y combustibles fósiles, entre otras. • El bajo nivel de ruido y la ausencia de vibraciones con que opera.

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.

• Falta de experiencia en la construcción de este tipo de motores en el rubro automotriz. • Como el fluido de trabajo es gaseoso, esto acarrea dificultades operativas, con lo que los fluidos realmente viables debido a sus buenas propiedades termodinámicas son el helio y el hidrógeno. • Lento tiempo de respuesta. • Se requieren grandes superficies de intercambios de calor, lo que hace aumentar desmesuradamente su tamaño en comparación con los motores de combustión interna. Otto diesel• Largo tiempo de encendido y apagado del motor. h1

• Conclusiones:• • Es un motor de combustión externa. • • El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la

expansión y contracción de un gas.• • 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)

• • El regenerador tiene la función de recuperar parte de la energía que se cede en uno de los procesos isócoro donde se enfría el gas de trabajo para aportarlo de nuevo en el proceso isócoro restante.

• • Si no existe regenerador, el motor también funciona, pero su rendimiento es inferior.

• • El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot.

motor de combustión externaPara entender los motores del Titanic tenemos que pensar en el combustible que utilizaban. En aquella época el rey era el carbón. La forma correcta de resolver fue dividirlo en dos. Separar por un lado la producción de calor y por otro la producción del movimiento. Un combustible sólido como carbón o madera ardían y calentaban agua hasta formar vapor. Y este vapor, ya como fluido, podía realizar un trabajo. Esta separación entre la fuente de calor y el fluido que realiza el movimiento es lo que caracteriza a los motores de combustión externa.