Robert Stirling (25 de octubre de 1790 - 6 de junio de 1878) fue un clérigo e ingeniero escocés . Inventó el motor Stirling y fue incluido en el Salón de la Fama de la Ingeniería de Escocia en 2014.
Robert Stirling [1] nació en Fatal Fields, un lugar en Escocia cerca del pueblo de Methven , Perthshire . [2] Miembro del lado Dublane de la familia Stirling, Robert nació de Patrick y Agnes Stirling. [3] Fue uno de los ocho hijos que compartieron Patrick y Agnes. [3]
Su abuelo fue Michael Stirling, más conocido por su invención de la máquina trilladora . [2] El padre de Robert, Patrick, también pasó tiempo experimentando e innovando con equipos agrícolas industriales. [2]
Aunque Robert, al igual que su padre y su abuelo, tenía una inclinación natural por la ingeniería, comenzó a asistir a la Universidad de Edimburgo en 1805, a la edad de quince años, para estudiar teología con la esperanza de convertirse en ministro. [2] [4] Su hermano James, que desempeñaría un papel importante en los futuros esfuerzos de ingeniería de Stirling, también asistió a Edimburgo a la edad de 14 años. [4]
Terminó sus estudios en la Universidad de Edimburgo y continuó en noviembre de 1809 sus estudios en la Universidad de Glasgow donde, según Keith Laidler, [5] estudió los clásicos, filosofía, teología y matemáticas, pero probablemente muy poca ciencia. [2] [4] En 1814, regresó a la Universidad de Edimburgo estudiando teología por última vez. [4]
Robert obtuvo la licencia para predicar en la Iglesia de Escocia en 1816 por parte del Presbiterio de Dumbarton . En septiembre de 1816, el comisionado del duque de Portland concedió a Stirling el título de ministro como segundo cargo de la parroquia de Laigh Kirk en Kilmarnock. [2] [6] Finalmente, en febrero de 1824, Stirling fue nombrado ministro de la cercana iglesia parroquial de Galston , donde continuó su ministerio hasta 1878. [7]
En julio de 1819, Robert Stirling se casó con Jane Rankine. [3] Juntos tuvieron siete hijos, cinco hijos y dos hijas. [2]
Robert Stirling es considerado uno de los padres de los motores de aire caliente. Pocos antes que él se aventuraron a construir motores de aire, siendo Guillaume Amontons el primero en construir un motor de aire caliente en funcionamiento en 1699. [8]
A Amontons le siguió en 1807 George Cayley, cuyo motor era de aquellos en los que el fuego está encerrado y alimentado por aire bombeado debajo de la parrilla en cantidad suficiente para mantener la combustión, mientras que, con diferencia, la mayor parte del aire entra por encima del fuego. ser calentado y expandido; el conjunto, junto con los productos de la combustión, actúa luego sobre el pistón y pasa a través del cilindro de trabajo; y al ser la operación de mezcla simple únicamente, no se requiere ninguna superficie de calentamiento de metal, poniéndose el aire a calentar en contacto inmediato con el fuego. [9]
A Stirling se le ocurrió la primera patente para un motor neumático en 1816. El principio del motor neumático Stirling difiere del de Cayley, en el que el aire se fuerza a través del horno y se expulsa, mientras que en el motor de Stirling el aire funciona en un circuito cerrado. Fue a esto a lo que el inventor dedicó la mayor parte de su atención. Un motor de aire caliente Stirling de dos caballos de fuerza, construido en 1818 para bombear agua en una cantera de Ayrshire, continuó funcionando durante algún tiempo, hasta que un asistente descuidado permitió que el calentador se sobrecalentara. Este experimento demostró al inventor que, debido a la baja presión de trabajo disponible, el motor sólo podía adaptarse a potencias pequeñas, para las cuales no había demanda en ese momento. [10]
La patente Stirling 1816 también trataba sobre un " economizador ", el predecesor del regenerador. En esta patente (# 4081) describe la tecnología "economizadora" y varias aplicaciones donde se puede utilizar dicha tecnología. De ellos surgió una nueva disposición para un motor de aire caliente. En 1818, se construyó un motor para bombear agua desde una cantera en Ayrshire, pero debido a problemas técnicos, el motor fue abandonado por un tiempo. [11]
Stirling patentó un segundo motor de aire caliente, junto con su hermano James , en 1827. Invirtieron el diseño para que los extremos calientes de los desplazadores estuvieran debajo de la maquinaria y agregaron una bomba de aire comprimido para poder aumentar la presión del aire dentro. alrededor de 20 atmósferas. [12]
A los dos hermanos Stirling les siguieron poco después, en 1828, Parkinson & Crossley y, en 1829, Arnott. [13] [14] Estos precursores, a los que habría que añadir John Ericsson [15] , han traído al mundo la tecnología de los motores de aire caliente y sus enormes ventajas sobre la máquina de vapor. Cada uno de ellos venía con su tecnología específica, y aunque el motor Stirling y los motores Parkinson & Crossley eran bastante similares, Robert Stirling se distinguió por inventar el regenerador, el primer ejemplo de intercambiador de calor regenerativo .
Parkinson y Crosley introdujeron el principio de utilizar aire de mayor densidad que el de la atmósfera, y así obtuvieron un motor de mayor potencia en la misma brújula. James Stirling siguió esta misma idea cuando construyó el famoso motor Dundee. [16]
La patente de Stirling de 1827 ha sido la base de la tercera patente de Stirling de 1840. [17] Los cambios con respecto a la patente de 1827 fueron menores pero esenciales. Fue esta tercera patente la que dio origen al motor Dundee. [18]
James Stirling hizo una presentación de su motor ante la Institución de Ingenieros Civiles en 1845. [19] El primer motor de este tipo que, después de varias modificaciones, fue construido y calentado de manera eficiente, tenía un cilindro de 12 pulgadas (aprox. 30 cm). de diámetro, con una longitud de carrera de 2 pies (aprox. 61 cm), y hacía 40 carreras o revoluciones en un minuto (40 rpm). Este motor movió toda la maquinaria en la fábrica de Dundee Foundry Company durante ocho o diez meses, y anteriormente se había demostrado que era capaz de elevar 700.000 libras un pie en un minuto (aproximadamente 21 HP).
Al encontrar esta potencia insuficiente para sus trabajos, la Dundee Foundry Company montó el segundo motor, con un cilindro de 16 pulgadas (aprox. 40 cm) de diámetro, una carrera de 4 pies (aprox. 1,20 m), y realizando 28 carreras en un minuto. Este motor ha estado en funcionamiento continuo durante más de dos años y no sólo ha realizado el trabajo de la fundición de la manera más satisfactoria, sino que también ha sido probado (mediante un freno de fricción en un tercer motor) hasta el punto de levantar casi 1.500.000 libras (aprox. 45 CV).
Esto da un consumo de 2,7 libras. (aprox. 1,22 kg) por caballo de fuerza por hora; pero cuando el motor no estaba completamente cargado, el consumo era considerablemente inferior a 2,5 libras. (aprox. 1,13 kg) por caballo de fuerza por hora. Este rendimiento estaba al nivel de las mejores máquinas de vapor cuya eficiencia rondaba el 10%. Después de James Stirling, tal eficiencia sólo fue posible gracias al uso del economizador (o regenerador).
El invento más conocido de Robert Stirling es el motor térmico ahora conocido como motor Stirling . En 1816, los hermanos Stirling solicitaron una patente tanto en Escocia como en Inglaterra para un dispositivo que inventaron, un economizador de calor. La función de este invento era almacenar y liberar calor a medida que el aire circulaba por sus mecanismos. Esto difería de la mayoría de las máquinas térmicas que utilizaban vapor como método para almacenar y liberar energía. [20]
Mientras estuvo en Kilmarnock, colaboró con otro inventor, Thomas Morton, quien proporcionó instalaciones de taller para la investigación de Stirling. [21] En 1818, Stirling había incorporado este economizador de calor en un motor de pistón que creaba un motor térmico de ciclo cerrado, que funcionaba con aire, en contraste con las máquinas de vapor que predominaban en ese momento. Esta versión actualizada del motor térmico se utilizó para bombear agua desde una cantera. [22] El motor térmico de Stirling podía funcionar bien, pero estaba limitado por los metales más débiles disponibles en ese momento. Debido a la fragilidad de los materiales utilizados, los recipientes de aire acabaron siendo aplastados por la alta presión del aire caliente. [23]
En 1824, Stirling intentó mejorar la eficiencia de la máquina térmica intentando separar el aire presente en el economizador. Esto se hizo haciendo los émbolos del motor neumático a partir de finas placas de metal. Esto fue para mejorar el flujo de aire y ofrecer una mejor calefacción y refrigeración del motor. [24] Aunque esta idea recibió una patente, finalmente no logró mejorar la eficiencia general del motor térmico. [25]
En 1840, Stirling recibió otra patente para el motor térmico después de alterar el diseño en un nuevo intento de aumentar la durabilidad. Las mejoras añadidas por Stirling incluyeron la adición de varillas o placas en el conducto por el que viajaba el aire caliente hasta la sección fría del motor. Al tener estas superficies, el aire podía enfriarse a una temperatura más baja cuando viajaba desde la sección caliente del motor a la sección fría del motor. Además, Stirling agregó collares de cuero ahuecados alrededor de los vástagos del pistón para sellar los espacios y minimizar la fuga de aire del motor. [26] Después de desarrollar estas mejoras, Stirling construyó dos de estos motores térmicos para usarlos en una fundición de hierro que dirigía en Dundee. [25] Uno de estos motores aéreos se puso en marcha en marzo de 1843 y funcionó hasta diciembre de 1845, cuando falló un buque aéreo. La falla de la embarcación podría atribuirse a que los metales no podían soportar las altas temperaturas a las que estaba funcionando el motor. Después de reemplazar el buque aéreo un par de veces, el motor neumático fue desmantelado en 1847 después de que Stirling abandonara la fundición de hierro de Dundee. [27]
En 1876, Robert Stirling escribió una carta reconociendo la importancia del nuevo invento de Henry Bessemer , el proceso Bessemer para la fabricación de acero. Stirling se mostró optimista en cuanto a que el nuevo acero mejoraría el rendimiento de los motores neumáticos.
El desarrollo del motor de aire caliente por parte de Robert Stirling estuvo motivado en parte por la seguridad. Su motor fue diseñado para fallar de manera mucho menos catastrófica que las máquinas de vapor de la época y al mismo tiempo obtener una mayor eficiencia. [2] Aunque el motor Stirling rara vez se utiliza hoy en día, su capacidad de movimiento aparentemente perpetuo continúa atrayendo el interés de instituciones de investigación como el Laboratorio Nacional de Los Álamos y la NASA . [2]
El 10 de julio de 1819, Stirling se casó con Jane Rankine en Kilmarnock. Tuvieron siete hijos: [28] [29]
El reverendo Robert Stirling murió en Galston, East Ayrshire el 6 de junio de 1878. [30] Está enterrado en el cementerio de Galston, donde en diciembre de 2014 se erigió una nueva lápida mediante suscripción pública que reemplazó la piedra original que estaba en estado de ruina. Se volvió a dedicar el domingo 3 de mayo de 2015. [29]
El 11 de enero de 1840, Stirling recibió el título de Doctor en Divinidad de la Universidad de St. Andrews por su excelencia en el ministerio. [31] [29] [32]
El 3 de octubre de 2014, Stirling fue incluido en el Salón de la Fama de la Ingeniería de Escocia. [32] [33]
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