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 Escocesa en 2014.
Robert Stirling [1] nació en Cloag Farm, una localidad de Escocia cercana al 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 Patrick y Agnes compartieron. [3]
Su abuelo fue Michael Stirling, más conocido por su invención de la 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 para estudiar en la Universidad de Glasgow donde, según Keith Laidler, [5] estudió los clásicos, la filosofía, la teología y las matemáticas, pero probablemente muy poca ciencia. [2] [4] En 1814, regresó a la Universidad de Edimburgo para estudiar teología por última vez. [4]
En 1816, el presbiterio de Dumbarton le concedió a Robert la licencia para predicar en la Iglesia de Escocia . En septiembre de 1816, el comisionado del duque de Portland le 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 designado 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 varones y dos mujeres. [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 funcional 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 rejilla en cantidad suficiente para mantener la combustión, mientras que la mayor parte del aire entra por encima del fuego para calentarse y expandirse; el conjunto, junto con los productos de la combustión, actúa entonces sobre el pistón y pasa a través del cilindro de trabajo; y al ser la operación una de simple mezcla únicamente, no se requiere ninguna superficie de calentamiento de metal, ya que el aire a calentar se pone en contacto inmediato con el fuego. [9]
En 1816, Stirling presentó la primera patente de un motor de aire. El principio del motor de aire Stirling difiere del de Cayley, en el que el aire se hace pasar 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, siguió funcionando durante algún tiempo, hasta que un cuidador descuidado permitió que el calentador se sobrecalentara. Este experimento demostró al inventor que, debido a la baja presión de trabajo alcanzable, el motor solo podía adaptarse a pequeñas potencias para las que no había demanda en ese momento. [10]
La patente de Stirling de 1816 también trataba sobre un " economizador ", el predecesor del regenerador. En esta patente (n.° 4081) describe la tecnología del "economizador" y varias aplicaciones en las que se puede utilizar dicha tecnología. De ellas surgió un nuevo dispositivo para un motor de aire caliente. En 1818, se construyó un motor para bombear agua de una cantera en Ayrshire, pero debido a problemas técnicos, el motor se abandonó durante 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 que el aire en el interior pudiera aumentarse en presión a 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] , trajeron al mundo la tecnología del motor de aire caliente y sus enormes ventajas frente a la máquina de vapor. Cada uno de ellos llegó 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 la de la atmósfera, y así consiguieron un motor de mayor potencia en el mismo orden de cosas. James Stirling siguió esta misma idea cuando construyó el famoso motor Dundee. [16]
La patente Stirling de 1827 fue la base de la tercera patente Stirling de 1840. [17] Los cambios respecto de 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 eficientemente, tenía un cilindro de 12 pulgadas (aproximadamente 30 cm) de diámetro, con una longitud de carrera de 2 pies (aproximadamente 61 cm), y realizaba 40 carreras o revoluciones en un minuto (40 rpm). Este motor movió toda la maquinaria de las instalaciones de la Dundee Foundry Company durante ocho o diez meses, y anteriormente se había comprobado que era capaz de elevar 700.000 libras un pie en un minuto (aproximadamente 21 HP).
Al considerar que esta potencia era insuficiente para sus obras, la Dundee Foundry Company construyó una segunda máquina, con un cilindro de 16 pulgadas (aproximadamente 40 cm) de diámetro, una carrera de 4 pies (aproximadamente 1,20 m) y que realizaba 28 carreras por minuto. Esta máquina ha estado en funcionamiento continuo durante más de dos años y no solo ha realizado el trabajo de la fundición de la manera más satisfactoria, sino que ha sido probada (mediante un freno de fricción en un tercer motor) hasta el punto de levantar casi 1.500.000 libras (aproximadamente 45 HP).
Esto da como resultado un consumo de 2,7 libras (aproximadamente 1,22 kg) por caballo de fuerza por hora; pero cuando la máquina no estaba completamente cargada, el consumo era considerablemente inferior a 2,5 libras (aproximadamente 1,13 kg) por caballo de fuerza por hora. Este rendimiento estaba al nivel de las mejores máquinas de vapor, cuya eficiencia era de alrededor del 10%. Después de James Stirling, tal eficiencia fue posible solo gracias al uso del economizador (o regenerador).
El invento más conocido de Robert Stirling es el motor térmico, hoy conocido como motor Stirling . En 1816, los hermanos Stirling solicitaron una patente tanto en Escocia como en Inglaterra para un dispositivo que habían inventado, 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 los motores térmicos que utilizaban vapor como método de almacenamiento y liberación de 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 a un motor de pistón que creó un motor térmico de ciclo cerrado, que funcionaba con aire, en contraste con los motores de vapor que predominaban en ese momento. Esta versión actualizada del motor térmico se utilizó para bombear agua de 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 endeblez de los materiales utilizados, los recipientes de aire finalmente fueron aplastados por la alta presión del aire calentado. [23]
En 1824, Stirling intentó mejorar la eficiencia del motor térmico intentando separar el aire presente en el economizador. Para ello, fabricó los émbolos del motor neumático con placas finas de metal. Esto tenía como objetivo mejorar el flujo de aire y ofrecer un mejor calentamiento y enfriamiento 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 paso a través del cual el aire caliente viajaba a 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 las varillas del pistón para sellar los huecos 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 de aire se puso en marcha en marzo de 1843, donde funcionó hasta diciembre de 1845, cuando falló un depósito de aire. La falla del depósito de aire podría atribuirse a que los metales no podían soportar las altas temperaturas a las que funcionaba el motor. Después de reemplazar el depósito de aire un par de veces, el motor de aire fue desmantelado en 1847 después de que Stirling dejó la fundición de hierro de Dundee. [27]
En 1876, Robert Stirling escribió una carta en la que reconocía la importancia del nuevo invento de Henry Bessemer , el proceso Bessemer , para la fabricación de acero. Stirling se mostraba optimista respecto de que el nuevo acero mejoraría el rendimiento de los motores de aire.
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 los motores de vapor de la época, al tiempo que obtenía una mayor eficiencia. [2] Aunque el motor Stirling rara vez se utiliza hoy en día, su capacidad de movimiento aparentemente perpetuo sigue 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 por suscripción pública que reemplazó la lápida original que estaba en ruinas. Fue reinaugurada el domingo 3 de mayo de 2015. [29]
El 11 de enero de 1840, Stirling recibió el título de Doctor en Divinidad por 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 Escocesa. [32] [33]
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