Motor Stirling

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MOTOR STIRLING, DISPOSITIVO TERMODINÁMICO REGENERATIVO

Todos los motores termodinámicos funcionan con ciclos de calor, llamados con mayorpropiedad ciclos termodinámicos. Cada uno de estos ciclos tiene un nombre. Los motorestermodinámicos se clasifican en endotérmicos (combustión interna) y exotérmicos (combustiónexterna). Como ejemplo de motores de combustión interna son los que se usan en los autos, estosfuncionan con el ciclo Otto, los camiones, trenes y barcos con el ciclo Diesel, las plantas de poderfrecuentemente funcionan con el Ranking, mientras que las turbinas de gas funcionan con el cicloBrayton.

En los motores de combustión externa destaca uno en especial el motor Stirling cuyociclo fue entre los primeros de los ciclos termodinámicos en ser operados por los ingenieros.La idea del ciclo Stirling fue alternando aire caliente y frío en un cilindro usando brazosmecánicos articulados y un volante para lograr que el motor funcione en un suave e interminableciclo.Los motores térmicos transforman un flujo de calor en trabajo mediante una serie de rocesostermodinámicos que realizan de forma continuada sobre un fluido motor.

En conjunto estos procesos forman un ciclo termodinámico. Un ciclo termodinámico es una evolución cíclica deprocesos térmicos dentro de un intervalo de temperaturas.El funcionamiento de los motores térmicos esta caracterizado por la temperatura máxima ymínima entre las que opera el fluido motor, así como la rapidez con que es capaz de realizar elciclo, cuestión que definirá su potencia.Otro aspecto tecnológico muy importante es el proceso empleado para aportar el calor al ciclo,distinguiéndose los motores exotérmicos de los endotérmicos.

En los procesos exotérmicos elcalor que requiere el ciclo termodinámico es aportado al fluido de trabajo en un dispositivo externocomo en el caso de la maquina de vapor y del motor Stirling. El fluido motor siempre es el mismoy no cambia de composición.Por el contrario, en los motores endotérmicos el calor es aportado al fluido del trabajohaciéndolo intervenir como comburente en un proceso de combustión, que se desarrolla en elinterior del mecanismo como en el caso de los coches (motor Otto), aviones (turborreactores), y engran cantidad de industrias. Con lo que será necesario sustituir el fluido motor después de cadaciclo de trabajo, puesto que, debido al cambio de composición química sufrido en el proceso decombustión, el fluido resultante no es reutilizable después de haber transferido su energía almecanismo.

La forma de aportación de calor al ciclo no presenta diferencias en los procesostermodinámicos; sin embargo, las diferencias tecnológicas son determinantes. Los motoresendotérmicos solo pueden trabajar con combustible de una cierta calidad, dado que el proceso decombustión debe realizarse, a enorme rapidez, en el interior del mecanismo. En cambio, losmotores exotérmicos aportan el calor al ciclo mediante una transferencia de calor, con lo quepueden aprovechar combustibles de inferior calidad, como puede ser la biomasa o gases de escapede otros motores, o incluso fuentes de calor alternativas, como la energía solar o la fisión nuclear.

FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR STIRLING

Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o viceversa, através de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido detrabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco caliente y la del foco frío.En el motor Stirling un gas esta confinado en una cámara cerrada, no sale al ambiente. El gas se desplaza de un extremo a otro de la cámara, cuando está en un extremo, una fuente de calorexterna lo calienta; esto hace que se expanda y así se produce la fuerza del motor.

Una vez quealcanza su máxima expansión, el gas se traslada al otro extremo de la cámara, donde se enfría, loque provoca que se comprima. Después se lleva nuevamente al extremo caliente para iniciar unnuevo ciclo. Un tambor desplazador mueve el gas entre los dos extremos de la cámara y otrodispositivo, el pistón de potencia, aprovecha la expansión para producir la fuerza del motor.

La modelizacion del ciclo termodinámico del motor Stirling siempre parte de la base de que lasevoluciones asociadas a la variación de volumen se realiza de modo isotérmico, de modo quedurante la expansión se produce la introducción de calor del ciclo y durante la compresión seproduce la extracción.Este hecho permite que el fluido motor, una vez se ha expandido, permanece a la mismatemperatura que antes de la expansión, lo que permite la introducción del concepto de regenerador.Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno frío, se cumpleque el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a su calentamiento, lo quepermite introducir un elemento que almacene el calor cuando una vez expandido el fluido debeoperar a temperatura baja, para después de la compresión volver a absorber dicho calor para pasara la cámara caliente donde se expansionara.

El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir decuatro procesos cíclicos consecutivos: aporte de calor, expansión con el aporte de calor de lafuente de calor, extracción de calor hacia un acumulador térmico regenerativo y compresión conextracción de calor hacia el foco frío.En seguida se muestra el esquema conceptual de un motor Stirling donde el fluido estaconfinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio, dividiendo el espacio, sedispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo condiciona para adecuarlo a la temperatura3de la cámara en que se encuentra. A un lado se dispone la cámara de compresión, a temperaturabaja, y en el otro la cámara de expansión, a temperatura alta.

Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica

Evolución de los volúmenes de lascámaras a los diferentes puntos del ciclo.

VmaxF: volumen máximo de la cámarafría. VintF: volumen intermedio de lacámara fría. VminF: volumen mínimo dela cámara fría. VminC: volumen mínimode la cámara caliente. VintC: volumenintermedio de la cámara caliente. VmaxC:volumen máximo de la cámara caliente.

El proceso al que se somete el fluido descrito en la figura consta de cuatro pasos:

1. La totalidad del fluido se encuentra a baja temperatura en la cámara fría, por lo que el volumende esta cámara es máximo, mientras que la cámara caliente esta a volumen mínimo.Evolución 1-2. Se produce un proceso de compresión isotérmica en la cámara fría, porconsiguiente debe extraerse calor.

2. El fluido sigue en la cámara fría, el volumen es mínimo para el fluido, pero intermedio para elmecanismo. La cámara caliente continua a volumen mínimo.Evolución 2-3. Se produce el trasvase del fluido de la cámara fría a la caliente de formaisocórica. El fluido atraviesa el regenerador, que le aporta calor para alcanzar temperaturaalta, entrando de este modo, en la cámara caliente a su propia temperatura.

3. Todo el volumen está en la cámara caliente con volumen mínimo para el fluido, siendo elvolumen del mecanismo volumen intermedio para la cámara caliente, mientras que la fría a pasadoa tener volumen mínimo, es decir, nulo.Evolución 3-4. Expansión isotérmica en la cámara caliente, por consiguiente debe aportarsecalor.

4. La cámara caliente y el fluido están a volumen máximo, y mientras que la cámara fría sigue avolumen mínimo.Evolución 4-1. Se produce el trasvase de fluido de la cámara caliente a la fría de formaisocórica. El fluido atraviesa el regenerador y lo calienta, acumulándose el calor quevolverá a recibir el fluido nuevamente en la evolución 2-3.

Para el desarrollo en la construcción del motor Stirling me base en el sencillo diseño deWilliam Gurstelle de dos poleas y de Peter L. Tailer de una sola polea.Para cada motor utilice el mismo material aunque con algunas variaciones:

-Un tubo de cobre de 18” cortados en secciones de 2 piezas de 2 ¾ “, y 2 piezas de 5”.􀂾 Dos latas alrededor de 4” de diámetro por 7” de altura.

- Dos latas de refresco.

- Dos codos de cobre y dos uniones de cobre en forma de T.

- Cuatro bielas de madera, dos de 25” de largo y dos de 90 cm. de largo.

- Dos poleas de 5” de diámetro y una polea de 20 cm. de diámetro respectivamente.

- Un alambre para el cigüeñal o eje para las poleas, como los ganchos para la ropa.

- Tiras metálicas enrolladas para el regenerador.

- Una base de madera de 1” ancho X 10” de cada lado.

- Cuatro piezas de 1” X 2” X 9 “de longitud.

- Una pieza de madera de 2” X 4” X 36” de longitud.

- Una pieza de madera de 2” X 4” X 120 cm. de longitud.

La construcción de esta maquina térmica resulta verdaderamente fácil y barato, y funciona sinninguna dificultad de maquinado, y una vez que vas avanzando, realmente se adquiere un sentidode cómo este tipo de motores trabajan.Hacer funcionar la maquina Stirling construida con materiales comunes no trajocomplicaciones en su mecanismo, los innumerables movimientos mecánicos ocurrieron al mismotiempo de manera precisa para conseguir el funcionamiento cíclico.El motor Stirling empleado en este trabajo usa una fuente calor externa, puede funcionar concualquier cosa disponible que produzca calor, en este caso se empleo un soplete de propano.

Nuestro motor Stirling consiste en dos pistones sumergidos en dos botes de agua.

Un bote sedispone como la cámara caliente y el otro como la cámara fría.

Para arrancar el motor fue necesario que se girara el cigüeñal hasta que ambas manivelas estén inclinadas hacia arriba a un ángulo de 45º de la vertical. Llenando las latas grandes de agua hastaque salga un goteo por la coladera.Al calentar uno de los botes, la diferencia de temperatura entre las dos cámaras causo que elmotor funcione, así, la diferencia de temperaturas entre el lado caliente y frío creo variaciones enla presión y volumen del aire dentro del motor.

Estas diferencias de presión hicieron girar unsistema de inercia de pesos y articulaciones mecánicas, el cual por cada vuelta regularía la presióny volumen del aire del cilindro. Al comprobar el funcionamiento del motor Stirling se procedió a comprobar la eficiencia de lamaquina con y sin regenerador a partir de las revoluciones por minuto.El funcionamiento de esta maquina casera resulta muy útil como material didáctico para lademostración de una clase de termodinámica.

Es así, como el motor Stirling, conocido también como motor de aire caliente, es un motor reciprocante que puede tener uno o mas cilindros yfunciona mediante la expansión y la contracción alternativa de un gas cualquiera encerrado en suinterior, el cual, en cada alternancia, empuja al pistón (o pistones), produciendo trabajo mecánico.El gas es calentado por cualquier generador de calor enfriado por su contacto con el medio externomediante el disipador adecuado. Es un motor de combustión externa, pues, como en la maquina devapor, la combustión no penetra en el mecanismo.

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