Un motor de aire caliente [1] (históricamente llamado motor de aire o motor calórico [2] ) es cualquier motor térmico que utiliza la expansión y contracción del aire bajo la influencia de un cambio de temperatura para convertir la energía térmica en trabajo mecánico . Estos motores pueden estar basados en una serie de ciclos termodinámicos que abarcan tanto dispositivos de ciclo abierto como los de Sir George Cayley [3] y John Ericsson [4] como el motor de ciclo cerrado de Robert Stirling . [5] Los motores de aire caliente son distintos de los más conocidos motores de combustión interna y de vapor .
En una implementación típica, el aire se calienta y enfría repetidamente en un cilindro y la expansión y contracción resultantes se utilizan para mover un pistón y producir trabajo mecánico útil .
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El término "motor de aire caliente" excluye específicamente cualquier motor que realice un ciclo termodinámico en el que el fluido de trabajo sufre una transición de fase , como el ciclo Rankine . También se excluyen los motores de combustión interna convencionales , en los que se añade calor al fluido de trabajo mediante la combustión del combustible dentro del cilindro de trabajo. Los tipos de combustión continua, como el Ready Motor de George Brayton y la turbina de gas relacionada , podrían considerarse casos límite.
La propiedad expansiva del aire caliente ya era conocida desde la antigüedad. La neumática del Héroe de Alejandría describe dispositivos que podrían usarse para abrir automáticamente las puertas del templo cuando se encendía un fuego en un altar de sacrificios. Ya en 1699 se conocen dispositivos llamados motores de aire caliente, o simplemente motores de aire . En 1699, Guillaume Amontons (1663-1705) presentó a la Real Academia de Ciencias de París un informe sobre su invento: una rueda que fue hecho girar por el calor. [6] La rueda se montó verticalmente. Alrededor del cubo de la rueda había cámaras llenas de agua. Las cámaras llenas de aire en el borde de la rueda se calentaban mediante un fuego debajo de un lado de la rueda. El aire caliente se expandió y, a través de tubos, impulsó el agua de una cámara a otra, desequilibrando la rueda y haciendo que girara.
Ver:
Es probable que el motor neumático de Robert Stirling de 1818, que incorporaba su innovador Economizador (patentado en 1816), fuera el primer motor neumático puesto en funcionamiento. [11] El economizador, ahora conocido como regenerador , almacenaba calor de la parte caliente del motor cuando el aire pasaba al lado frío y liberaba calor al aire enfriado cuando regresaba al lado caliente. Esta innovación mejoró la eficiencia del motor de Stirling y debería estar presente en cualquier motor de aire que propiamente se llame motor Stirling .
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 se pudiera aumentar la presión del aire dentro. alrededor de 20 atmósferas. Chambers afirma que no tuvo éxito debido a defectos mecánicos y a “la acumulación imprevista de calor, no totalmente extraído por los tamices o pequeños pasajes en la parte fría del regenerador, cuya superficie externa no era lo suficientemente grande para "Deshacerse del calor no recuperado cuando el motor funciona con aire altamente comprimido".
Parkinson y Crossley, patente inglesa, 1828 idearon su propio motor de aire caliente. En este motor la cámara de aire está parcialmente expuesta, por inmersión en agua fría, al frío externo, y su parte superior se calienta con vapor. Un recipiente interno se mueve hacia arriba y hacia abajo en esta cámara y, al hacerlo, desplaza el aire, exponiéndolo alternativamente a las influencias frías y calientes del agua fría y el vapor caliente, cambiando su temperatura y condición expansiva. Las fluctuaciones provocan el movimiento alternativo de un pistón en un cilindro a cuyos extremos está conectada alternativamente la cámara de aire.
En 1829, Arnott patentó su máquina de expansión de aire en la que se coloca un fuego sobre una rejilla cerca del fondo de un cilindro cerrado y el cilindro se llena de aire fresco recién admitido. Se tira un pistón suelto hacia arriba para que todo el aire del cilindro de arriba pase por un tubo a través del fuego y reciba una mayor elasticidad tendiente a la expansión o aumento de volumen que el fuego es capaz de darle. .
Al año siguiente (1830) le sigue el capitán Ericsson, que patenta su segundo motor de aire caliente. La especificación lo describe más particularmente como consistente en una “cámara circular, en la que se hace girar un cono sobre un eje o eje por medio de hojas o alas, expuestas alternativamente a la presión del vapor; estas alas u hojas se hacen pasar a través de hendiduras o aberturas de un plano circular, que gira oblicuamente hacia el lado del cono y, por lo tanto, se mantiene en contacto con él”.
Ericsson construyó su tercer motor de aire caliente (el motor calórico) en 1833 "que despertó tanto interés hace unos años en Inglaterra; y que, si se lleva a la práctica, resultará ser el invento mecánico más importante jamás concebido por el mente humana, y que conferirá mayores beneficios a la vida civilizada que cualquier otra que la haya precedido, ya que su objeto es la producción de energía mecánica por medio del calor, con un gasto de combustible tan extremadamente pequeño, que el hombre tener a su disposición una fuerza mecánica casi ilimitada, en regiones donde ahora se puede decir que el combustible apenas existe".
En 1838 se patenta el motor de aire caliente Franchot, sin duda el motor de aire caliente que mejor seguía las exigencias de Carnot.
Hasta ahora todos estos motores aéreos no han tenido éxito, pero la tecnología estaba madurando. En 1842, James Stirling, el hermano de Robert, construyó el famoso motor Dundee Stirling. Este duró al menos 2 o 3 años, pero luego se suspendió debido a dispositivos técnicos inadecuados. Los motores de aire caliente son una historia de pruebas y errores, y tuvieron que pasar otros 20 años antes de que los motores de aire caliente pudieran utilizarse a escala industrial. Los primeros motores de aire caliente fiables fueron construidos por Shaw, Roper y Ericsson. Se construyeron varios miles de ellos.
Los motores calientes encontraron un mercado para bombear agua (principalmente a un tanque de agua doméstico), ya que la entrada de agua proporcionaba el frío necesario para mantener la diferencia de temperatura, aunque encontraron otros usos comerciales.
El ciclo termodinámico de un motor de aire caliente puede (idealmente) estar formado por 3 o más procesos (normalmente 4). Los procesos pueden ser cualquiera de estos:
Algunos ejemplos (no todos los ciclos de aire caliente, como se define anteriormente) son los siguientes:
Otro ejemplo más es el ciclo de Vuilleumier . [17]
