Motor STIRLING
MOTOR STIRLING (Este
motor es el mas eficiente en el ciclo de carnot)
Cuando era niño me apasionaba
armar y desamar equipos , desde mecanismos mecánicos (como relojes) hasta
mecanismos eléctrico mecánicos, aunque usualmente no lograba volverlos a hacer
funcionar.
Hubo una época en la cual mi
interés por los motores aumento drásticamente, debido al descubrimiento por mi
parte del mecánica y aunque no eran muchas las ocasiones para visitar un
internet colectivo, las veces que lo hacía, me pasaba el tiempo consultando
información, videos principalmente…
Una serie de eventos me permitieron
llegar a este canal de YouTube que posteriormente si desean los contare ,mis
ideas locas por lograr inventar un motor…
De este canal aparte de tener uno
de los encuentros más cercanos con el portugués pude conocer el motor Stirling,
me encontraba escéptico pero intrigado..
era la primera vez que me
adentraba en el apasionante mundo de los motores de combustión externa.
Concretamente del motor Stirling,
Me faltaban materiales y no tenía
dinero hacia que me las ingenie con los que tuve, poco a poco en base a la experimenta
con empírica pude llegar a obtener un motor.
A pesar de casi un año ,la
primera vez verlo funcionar fue increíble, algo que solo alguno de ustedes
pueden comprender con sus proyectos e ideas.
Un año después de la primera vez
funcionando , pude construir otro el cual hoy les vengo a presentar
Fue hace 6 años...
MATERIALES
1 globo
2 varillas de acero (rayos de bicicleta)
3 latas de aerosol
6 angulos de aluminio (10 cm)
1 pintura hidrofobica
1 cola de carpintero
1 taza de aserrin
7 discos
3 trozos de madera
2 cojinetes
1 varilla de acero 20 cm
20 tornillos
1 motor brushless
- taladro y brocas
- sierra de mano
Bien podemos considerar el motor
Stirling un motor de combustión externa y proceso adiabático, ya que no
requiere quemar combustible en su interior y, al operar, no transfiere calor al
entorno.
fue inventado en 1816 por Robert
Stirling un cura escocés
En aquella época el objetivo era
muy simple: fabricar un motor que resultara menos peligroso que la máquina de
vapor.
Tiene una alta eficiencia y
su gran facilidad para ser aplicados a cualquier fuente de calor. Sin
embargo, en la actualidad aún se investiga en su desarrollo y están volviendo a
cobrar relevancia.
Antes de entrar en materia, no
podemos olvidar al genio francés Sadi Carnot (1796-1832), quien fue
el primer científico en realizar una interpretación teórica del funcionamiento
de los motores térmicos, estableciendo con ello los principios físicos que
participan en su movimiento. Gracias a su teoría, se pudo comprender con mayor
claridad el fenómeno que permite al motor Stirling producir fuerza motriz.
Componentes del motor Stirling
Existen muchas variantes del
motor Stirling, pero a pesar de ello se puede resaltar estos componetes
principalmente.
- Zona de calentamiento.
- Cilindro desplazador.
- Volante de inercia.
- Cigüeñal.
- Pistón.
- Quemador, fuente de calor
Su ciclo de trabajo consta de 2
isocoras (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y 2 isotermas
(compresión y expansión a temperatura constante).
Funcionamiento del motor Stirling
El funcionamiento esta basado en
la diferencia de temperatura en dos zonas del motor
ciclo regenerativo
termodinámicamente cerrado, con compresión cíclica y expansión cíclica del
fluido de trabajo a diferentes niveles de temperatura. Entendemos ciclo
cerrado como un sistema termodinámico en el que el fluido está
permanentemente contenido en el sistema; y regenerativo como el
intercambio de calor y almacenamiento térmico (regenerador).
Básicamente, el funcionamiento de
un motor Stirling está basado en la expansión y contracción de
un gas, el cual puede ser helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire. A
dicho gas se le obliga a desplazarse cíclicamente entre dos focos: pasa de un
foco frío, donde se contrae, a un foco caliente.
En los motores Stirling existe una cantidad fija de gas en el interior y esta no varía. Si se produjese por alguna causa una variación, el circuito no funcionaría por pérdida de compresión y, por tanto, de energía. La diferencia con el motor de vapor es que en este último, el fluido de trabajo sufre un cambio de fase de líquido a gas.
Recordemos una idea básica
(muestras la formula pavoraton y algunsa imagens de caletamiento eenfriamieno
como globos aerostarticos, comentario, los globos aerostaricos pueden elevarse
gracias a su disminucon de densidad al aumentar de temperatura)
- Calentamiento del aire = Aumento de presión
- Enfriamiento del aire = Disminución de presión.
Pues con esta idea en la cabeza,
es muy fácil de entender: cuando el gas se calienta, éste se expande y aumenta
la presión interior porque no varía el espacio en el que está cerrado. Tras
este calentamiento, tiene lugar el enfriamiento. El motor realiza ambas
variaciones de calor y frío en cada revolución del volante y la presencia
de los dos niveles de temperatura provoca que haya una conversión neta de
energía térmica en trabajo mecánico.
la variación de presión se
produce en el cilindro del desplazador, que es también la zona de enfriamiento.
En ese momento, la energía térmica gira el volante y el cigüeñal, convirtindo
el movimiento lineal en circular con lo que se transforma en energía
mecánica.
Normalmente el cigüeñal tiene un
desfase de 90º, una condición obligatoria y necesaria para que el
funcionamiento sea correcto, sino perderíamos eficacia o, sencillamente, no
funcionaría el motor Stirling.
Lo cierto es que la
eficiencia del motor Stirling queda muy restringida por la eficiencia del ciclo
de Carnot, el cual depende de la diferencia de temperatura entre el depósito
caliente y el frío, pero a pesar de ello, son mucho más eficientes que las
máquinas de vapor.
Ventajas del motor Stirling
Practicidad: es posible
utilizar una gran variedad de fuentes energéticas: energía solar térmica, todo
tipo de combustibles, biomasa, energía geotérmica
Rendimiento: Es el único
motor capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico de Carnot. Es más,
teóricamente lo alcanza.
Eficiencia: Se puede usar un
proceso de combustión continua, lo que permite reducir la mayor parte de las
emisiones
Sencillez: La mayoría tienen
los mecanismos y juntas en el foco frío, por lo que necesitan menos lubricación
y duran más que otras máquinas alternativas. Además, los mecanismos son más
sencillos
Seguridad: Emplean un fluido
de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la
presión de diseño, lo que reduce los riesgos de explosión. una máquina de vapor emplea agua en estados
líquido y gaseoso, por lo que un fallo en una válvula puede provocar una
explosión peligrosa.
Versatilidad: Se pueden
construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para
propulsión de submarinos o en el espacio, como bombas de agua, como
cogeneradores en invierno y como refrigeradores en verano
Eficacia: Arrancan con
facilidad y funcionan mejor con temperaturas ambientales frías (colocas
imágenes del ruso y su motor stirling) en contraste con los de combustión
interna que arrancan con facilidad en temperatura templada, pero presentan
problemas en temperaturas frías.
Desventajas del motor Stirling
Tamaño: La densidad de
potencia es baja debido a la combustión externa, lo que condiciona su tamaño. Si
el motor Stirling trabaja con diferenciales térmicos pequeños, son motores muy
grandes, por culpa de los intercambiadores. Si aumentamos la diferencia de
temperatura o la presión, podemos obtener motores más pequeños. Por otra parte,
la disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se
mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica,
lo que incrementa el tamaño de los radiadores y dificulta los diseños
compactos.
Costes: Su construcción
tiene un coste elevado dados los materiales que hay que utilizar, pues
requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que contienen el
fluido de trabajo a alta temperatura, y deben soportar los efectos corrosivos
de la fuente de calor y la atmósfera.
Lentitud: Su funcionamiento
no es instantáneo, necesitan calentarse primero.
Respuesta: Su mejor uso es
en aplicaciones que requieran una velocidad constante.
Gas empleado: El hidrógeno
en aplicaciones qu maximizan su rendimiento presenta problemas de confinamiento
y difusión a través de los metales, además de resultar extremadamente
inflamable.
Generalmente se usa helio por sus características similares al hidrógeno, pero es inerte; o aire comprimido, aunque este presenta riesgo de explosión.
Tipos de motores Stirling
Motores tipo alfa
Nacen en los Estados Unidos de la mano de Rider. Se caracterizan por la ausencia de desplazador respecto a la patente original del motor Stirling. Cuentan con dos cilindros independientes -en los que hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro- conectados por un tubo en el que se ubica el regenerador, el cual almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.
Mientras que uno de los cilindros
se calienta gracias a un mechero de gas o alcohol, el otro se enfría mediante
aletas o agua. Es el desfase entre los dos pistones hace el que hace que el
aire pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el
trabajo que permite al motor funcionar.
Motores tipo beta
Su diseño es similar al de la
patente original del motor Stirling, contando con un pistón concéntrico al
desplazador y en el mismo cilindro. Dicho cilindro tiene una zona que se
calienta mediante un mechero; y una zona fría, refrigerada por aletas, agua… El
movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados gracias al
movimiento de un cigüeñal que permite funcionar al motor.
Desde el punto de vista
termodinámico es el motor Stirling más eficaz, pero es difícil de
construir porque el pistón ha de tener dos bielas y permitir el paso del
vástago que mueve el desplazador.
Cuando estos motores son de
pequeño tamaño no suelen tener un regenerador, sólo una holgura milimétrica
entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire. Por el
contrario, los más grandes suelen llevar un regenerador externo y por el mismo
pasa el aire entre la zona fría y la zona caliente.
Motores tipo gamma
Son una variante de los motores
beta y cuentan con idénticos sistemas para calentar y enfriar el gas, pero los
motores gamma tienen un diseño más sencillo, similar al de un motor de
motocicleta. Cuentan con dos cilindros separados. En uno de llos se ubica el
desplazador y en el otro el pistón.
En estos motores, pistón y
desplazador se mueven desfasados 90 grados, lo cual se consigue gracias a un
cigüeñal. Desde el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el modelo
anterior, ya que la expansión de trabajo se realiza a menor temperatura.
Motores especiales
Motor Ringbom: Nace en 1905 de la
mano de Ossian Ringbom y se caracterizó por tener un desplazador que se movía
por una combinación de las variaciones internas de la presión en el motor y la
fuerza de la gravedad. Se caracteriza por su sencillez.
Motor de pistón líquido: Es
una variante del motor Stirling formada por dos tubos en forma de U rellenos de
líquido: el de la izquierda actúa como desplazador y el de la derecha como
pistón.
Motor tipo pistón libre: Está
pensado para aplicaciones donde no es necesario transmitir potencia a un eje
giratorio (compresor de aire, una bomba de agua, generador eléctrico…). En él,
el desplazador y el pistón se mueven libremente. Se caracteriza por su
sencillez y su escaso mantenimiento.
Aplicaciones del motor Stirling
tiene una gran compatibilidad
con las fuentes de energía alternativas y renovables Es por ello que el
motor Stirling es actualmente núcleo de interés.
Entre las aplicaciones del
motor Stirling tenemos
La conversión de la energía solar
en eléctrica: Especialmente en zonas menos desarrolladas. Un proyecto relevante
con discos parabólicos con motor Stirling tuvo lugar en 2010 por la
empresa Stirling Energy Systems y Southern California Edison en
el desierto de Mojave, con una potencia de 500 MW. Otro ejemplo sería la
producción de electricidad en las misiones espaciales de la NASA.
Por otra parte, en España, en la
Plataforma Solar de Almería (Tabernas), se han construido equipos (Distal y
EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran la
luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que
mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos
experimentales y demostrativos de gran rendimiento.
Impulsión de submarinos: Su
uso se engloba dentro de la Propulsión Independiente de Aire porque la energía
necesaria para la propulsión se realiza sin introducir un oxidante (aire) de la
atmósfera.
Permite recargar las baterías a
alta profundidad, por lo que la compañía Kockums -propiedad de Saab-, instaló
en los ‘80 motores Stirling con un sistema de oxígeno líquido en el submarino
francés Saga (SAAB). En 1988 debutó con la Marina Sueca (submarino Näcken)
y, dada su efectividad, se instaló en todos los submarinos Gotland de la marina
sueca.
Bombeo de agua: Fue muy útil
en zonas poco desarrolladas y minas, puesto que su construcción es sencilla y
se pueden fabricar con materiales disponibles en la zona, permitiendo el empleo
de combustibles sólidos disponibles en esas áreas.
Comentario Esto me recuerda a the
man who hardenes the wind
Yates: Existe un tipo
específico de motor Stirling que fue diseñado para yates.
Refrigeración: Pensemos en
un uso inverso del motor Stirling Diseñando el motor Stirling de la forma
correcta, se pueden llegar a alcanzar los 10º K (-263º C).
Philips es una de las empresas
líderes en este sector a través de su división Stirling Cryogenics, que en
1946 comenzó a optimizar las técnicas de refrigeración que usaban el ciclo
Stirling.
Similar a una celda de peltier,
es reversible aunque no con la misma eficiencia.
Como mencionamos en el video de l hifrogno es muy importante la eficiencia en un sistema de tranformacion energética, es por ello que es uno de los puntos de partida de la actualidad.
No tuvo gran éxito comercial como
tal, pero sí que lo tuvo su aplicación en la criogenización, por lo que a
principios de la década de los 90, la División Criogénica de Philips se
independizó, naciendo así Stirling Cryogenics BV que, a día de
hoy, proporciona máquinas que alcanzan temperaturas de hasta 20K (-253º C).
Automóviles: Aunque nunca llegó a producción, en 1973 Philips y Ford Motor Company estaban trabajando en un motor de 180 CV a través de un sistema con placas oscilantes. Igualmente, United Stirling (Suecia), trabajaba en un motor de 65 CV con cuatro cilindros en V.
Tiempo después, el Acta para la Investigación y el Desarrollo de la Propulsión Automotriz de Estados Unidos en 1978 llevó a la creación del Programa de Desarrollo del Motor Stirling Automotriz (ASE, Automotive Stirling Engine), el cual incluía a tres miembros: Mechanical Technology Incorporated (MTI), United Stirling AB (USAB) y AM General y era financiado por el Departamento de Energía y la NASA.
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