Un motor Stirling es un motor térmico que funciona mediante la compresión y expansión cíclica de aire u otro gas (el fluido de trabajo ) entre diferentes temperaturas, lo que da como resultado una conversión neta de energía térmica en trabajo mecánico . [1] [2]
Más concretamente, el motor Stirling es un motor térmico regenerativo de ciclo cerrado, con un fluido de trabajo gaseoso permanente. Ciclo cerrado , en este contexto, significa un sistema termodinámico en el que el fluido de trabajo está contenido permanentemente dentro del sistema. Regenerativo describe el uso de un tipo específico de intercambiador de calor interno y almacén térmico, conocido como regenerador . En rigor, la inclusión del regenerador es lo que diferencia a un motor Stirling de otros motores de aire caliente de ciclo cerrado . [3]
En el motor Stirling, un gas se calienta y expande mediante energía suministrada desde el exterior del espacio interior del motor (cilindro). Luego se desvía a una ubicación diferente dentro del motor, donde se enfría y comprime. Un pistón (o pistones) mueve el gas a los lugares correctos dentro del motor, en el momento correcto del ciclo, y extrae energía mecánica del mismo. El gas oscila entre estos espacios de calentamiento y enfriamiento, cambiando la temperatura y la presión a medida que avanza. Una característica única es el regenerador, que actúa como un almacén temporal de calor reteniendo el calor dentro de la máquina en lugar de verterlo en el disipador de calor, aumentando así su eficiencia.
El calor se suministra desde el exterior, por lo que la zona caliente del motor se puede calentar con cualquier fuente de calor externa. De manera similar, la parte más fría del motor se puede mantener mediante un disipador de calor externo, como agua corriente o flujo de aire. El gas queda retenido permanentemente en el motor, permitiendo utilizar un gas con las propiedades más adecuadas, como el helio o el hidrógeno. No hay flujos de gases de admisión ni de escape, por lo que la máquina es prácticamente silenciosa.
La máquina es reversible, de modo que si una fuente de energía externa hace girar el eje, se desarrollará una diferencia de temperatura en toda la máquina; de esta forma actúa como una bomba de calor .
El motor Stirling fue inventado por el escocés Robert Stirling [4] en 1816 como motor industrial para rivalizar con el motor de vapor , y su uso práctico se limitó en gran medida a aplicaciones domésticas de baja potencia durante más de un siglo. [5]
La inversión contemporánea en energías renovables , especialmente en energía solar , ha dado lugar a su aplicación dentro de la energía solar concentrada y como bomba de calor.
Robert Stirling es considerado uno de los padres de los motores de aire caliente, a pesar de algunos predecesores anteriores, en particular Guillaume Amontons , [6] quien logró construir, en 1699, el primer motor de aire caliente en funcionamiento. [7]
A Amontons le siguió más tarde Sir George Cayley . [8] Este tipo de 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, para 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 siendo 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. [ cita necesaria ]
A Stirling se le ocurrió un primer motor de aire en 1816. [9] El principio del motor de aire Stirling difiere del de Sir George Cayley (1807), 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 circuito cerrado. El inventor dedicó la mayor parte de su atención a esto. [ cita necesaria ]
Un motor de 2 caballos de fuerza (1,5 kW), 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 bajas, para las cuales no había demanda en ese momento. [ cita necesaria ]
La patente Stirling 1816 [10] también trataba sobre un " economizador ", que es 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. [ cita necesaria ]
Con su hermano James, Stirling patentó un segundo motor de aire caliente en 1827. [11] 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 el aire en el interior. presión a alrededor de 20 atmósferas estándar (2.000 kPa). [ cita necesaria ]
A los hermanos Stirling les siguieron poco después (1828) Parkinson y Crossley [12] y Arnott [13] en 1829. [ cita necesaria ]
Estos precursores, entre ellos Ericsson, [14] han traído al mundo la tecnología de los motores de aire caliente y sus enormes ventajas sobre la máquina de vapor. [ cita necesaria ] Cada uno venía con su propia tecnología específica, y aunque el motor Stirling y los motores Parkinson & Crossley eran bastante similares, Robert Stirling se distinguió al inventar el regenerador. [ cita necesaria ]
Parkinson y Crossley 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. [15]
La patente de Stirling de 1827 fue la base de la tercera patente de Stirling de 1840. [16] Los cambios con respecto a la patente de 1827 fueron menores pero esenciales, y esta tercera patente condujo al motor Dundee. [17]
James Stirling presentó su motor a la Institución de Ingenieros Civiles en 1845, [18] el primer motor de este tipo que, después de varias modificaciones, fue construido y calentado eficientemente, tenía un cilindro de 30 centímetros (12 pulgadas) de diámetro, con un longitud de carrera de 60 centímetros (2 pies) y realizaba 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 encontró que era capaz de levantar 320.000 kg (700.000 lbs) 60 cm (2 pies) en un minuto, una potencia de aproximadamente 16 kilovatios (21 caballos de fuerza). ). [ cita necesaria ] Al encontrar esta potencia insuficiente para sus trabajos, Dundee Foundry Company erigió el segundo motor con un cilindro de 40 centímetros (16 pulgadas) de diámetro, una carrera de 1,2 metros (4 pies) y realiza 28 carreras en un minuto. . Cuando este motor estuvo en funcionamiento continuo durante más de dos años, no sólo realizó el trabajo de la fundición de la manera más satisfactoria sino que también fue probado (mediante un freno de fricción en un tercer motor) hasta el punto de levantar casi 687 toneladas ( 1.500.000 libras ), aproximadamente 34 kilovatios (45 caballos de fuerza). [ cita necesaria ]
El motor Stirling (o motor de aire de Stirling, como se lo conocía en ese momento) fue inventado y patentado en 1816. [19] Siguió intentos anteriores de fabricar un motor de aire , pero probablemente fue el primero en ponerse en uso práctico cuando, en 1818, un El motor construido por Stirling se empleaba para bombear agua en una cantera . [20] El tema principal de la patente original de Stirling era un intercambiador de calor, al que llamó " economizador " por su mejora de la economía de combustible en una variedad de aplicaciones. La patente también describe en detalle el empleo de una forma de economizador en su diseño único de motor de aire de ciclo cerrado [21] en cuya aplicación ahora se lo conoce generalmente como "regenerador". El desarrollo posterior por parte de Robert Stirling y su hermano James , un ingeniero, dio como resultado patentes para varias configuraciones mejoradas del motor original, incluida la presurización, que en 1843 tenía una potencia de salida lo suficientemente aumentada como para impulsar toda la maquinaria en una fundición de hierro de Dundee . [22]
Un documento presentado por James Stirling en junio de 1845 a la Institución de Ingenieros Civiles afirmaba que sus objetivos no sólo eran ahorrar combustible sino también crear una alternativa más segura a las máquinas de vapor de la época, [23] cuyas calderas explotaban con frecuencia, provocando muchos heridos y muertos. [24] [25] Esto, sin embargo, ha sido cuestionado. [26]
La necesidad de que los motores Stirling funcionaran a temperaturas muy altas para maximizar la potencia y la eficiencia expuso las limitaciones de los materiales de la época, y los pocos motores que se construyeron en esos primeros años sufrieron fallas inaceptablemente frecuentes (aunque con consecuencias mucho menos desastrosas que las explosiones de calderas). ). [27] Por ejemplo, el motor de fundición de Dundee fue reemplazado por un motor de vapor después de tres fallas de cilindros calientes en cuatro años. [28]
Después de la sustitución del motor de fundición de Dundee, no hay constancia de que los hermanos Stirling tuvieran una mayor participación en el desarrollo de motores de aire, y el motor Stirling nunca volvió a competir con el vapor como fuente de energía a escala industrial. (Las calderas de vapor se estaban volviendo más seguras, por ejemplo, la Hartford Steam Boiler [29] y las máquinas de vapor eran más eficientes, presentando así un objetivo menor para los motores primarios rivales). Sin embargo, a partir de 1860 aproximadamente, se produjeron en cantidades sustanciales motores más pequeños del tipo Stirling/aire caliente para aplicaciones en las que se requerían fuentes confiables de potencia baja a media, como bombear aire para órganos de iglesia o elevar agua. [30] Estos motores más pequeños generalmente funcionaban a temperaturas más bajas para no sobrecargar los materiales disponibles y, por lo tanto, eran relativamente ineficientes. Su punto fuerte era que, a diferencia de las máquinas de vapor, cualquier persona capaz de controlar un incendio podía manejarlas de forma segura. El catálogo de Rider-Ericsson Engine Co. de 1906 afirmaba que "cualquier jardinero o doméstico común puede operar estos motores y no se requiere ningún ingeniero con licencia o experiencia". Varios tipos permanecieron en producción más allá de finales de siglo, pero aparte de algunas mejoras mecánicas menores, el diseño del motor Stirling en general se estancó durante este período. [31]
Durante la primera parte del siglo XX, el papel del motor Stirling como "motor doméstico" [32] fue asumido gradualmente por motores eléctricos y pequeños motores de combustión interna . A finales de la década de 1930, estaba en gran medida olvidado y sólo se producía para juguetes y algunos pequeños ventiladores. [33]
Por esa época, Philips buscaba expandir las ventas de sus radios a partes del mundo donde la electricidad de la red y las baterías no estaban disponibles de manera constante. La dirección de Philips decidió que ofrecer un generador portátil de baja potencia facilitaría dichas ventas y pidió a un grupo de ingenieros del laboratorio de investigación de la empresa en Eindhoven que evaluaran formas alternativas de lograr este objetivo. Después de una comparación sistemática de varios motores primarios , el equipo decidió seguir adelante con el motor Stirling, citando su funcionamiento silencioso (tanto audiblemente como en términos de interferencias de radio) y su capacidad para funcionar con una variedad de fuentes de calor (aceite común para lámparas). barato y disponible en todas partes" – fue favorecido). [34] También eran conscientes de que, a diferencia de los motores de vapor y de combustión interna, prácticamente no se había llevado a cabo ningún trabajo de desarrollo serio en el motor Stirling durante muchos años y afirmaron que los materiales modernos y los conocimientos técnicos deberían permitir grandes mejoras. [35]
En 1951, el grupo electrógeno de 180/200 W denominado MP1002CA (conocido como "grupo Bungalow") estaba listo para la producción y se planeó un lote inicial de 250, pero pronto quedó claro que no se podían fabricar a un precio competitivo. Además, la llegada de las radios de transistores y sus requisitos de energía mucho más bajos significó que la razón original del aparato estaba desapareciendo. Finalmente se produjeron aproximadamente 150 de estos conjuntos. [36] Algunos llegaron a los departamentos de ingeniería de universidades y facultades de todo el mundo, brindando a generaciones de estudiantes una valiosa introducción al motor Stirling; una carta fechada en marzo de 1961 de Research and Control Instruments Ltd. London WC1 al North Devon Technical College, ofreciendo "las existencias restantes... a instituciones como ustedes... a un precio especial de £75 netos". [ cita necesaria ]
Paralelamente al conjunto Bungalow, Philips desarrolló motores Stirling experimentales para una amplia variedad de aplicaciones y continuó trabajando en el campo hasta finales de la década de 1970, pero solo logró el éxito comercial con el crioenfriador "motor Stirling invertido" . Presentaron un gran número de patentes y acumularon una gran cantidad de información que otorgaron licencias a otras empresas y que formó la base de gran parte del trabajo de desarrollo en la era moderna. [37]
En 1996, la marina sueca encargó tres submarinos de clase Gotland . En superficie, estas embarcaciones son propulsadas por motores marinos diésel; sin embargo, cuando están sumergidos utilizan un generador impulsado por Stirling desarrollado por el constructor naval sueco Kockums para recargar las baterías y proporcionar energía eléctrica para la propulsión. [38] Se lleva un suministro de oxígeno líquido para apoyar la quema de combustible diesel para alimentar el motor. Los motores Stirling también se instalan en los submarinos suecos de clase Södermanland , los submarinos de clase Archer en servicio en Singapur y los submarinos japoneses de clase Sōryū , con motores construidos bajo licencia por Kawasaki Heavy Industries . En una aplicación submarina, el motor Stirling ofrece la ventaja de ser excepcionalmente silencioso cuando está en funcionamiento. [ cita necesaria ]
A principios del siglo XXI, los motores Stirling se utilizaban en la versión parabólica de los sistemas de energía solar de concentración . Una antena parabólica similar a una antena parabólica muy grande dirige y concentra la luz solar en un receptor térmico, que absorbe y recoge el calor y, mediante un fluido, lo transfiere al motor Stirling. La potencia mecánica resultante se utiliza luego para hacer funcionar un generador o alternador para producir electricidad. [39]
El componente central de las microunidades combinadas de calor y energía (CHP) puede estar formado por un motor de ciclo Stirling, ya que son más eficientes y seguros que un motor de vapor comparable. En 2003, las unidades CHP se instalaban comercialmente en aplicaciones domésticas. [40]
En 2013, se publicó un artículo sobre las leyes de escala de los motores Stirling de pistón libre basado en seis grupos adimensionales característicos . [41]
Robert Stirling patentó el primer ejemplo práctico de un motor de aire caliente de ciclo cerrado en 1816, y Fleeming Jenkin sugirió ya en 1884 que todos estos motores deberían denominarse genéricamente motores Stirling. Esta propuesta de denominación encontró poco apoyo y los distintos tipos existentes en el mercado siguieron siendo conocidos por el nombre de sus diseñadores o fabricantes individuales, por ejemplo, motor de aire (caliente) de Rider, Robinson o Heinrici. En la década de 1940, la empresa Philips buscaba un nombre adecuado para su propia versión del "motor de aire", que en ese momento había sido probado con fluidos de trabajo distintos del aire, y se decidió por el "motor Stirling" en abril de 1945. [42 ] Sin embargo, casi treinta años después, Graham Walker todavía tenía motivos para lamentarse del hecho de que términos como motor de aire caliente siguieran siendo intercambiables con motor Stirling , que a su vez se aplicaba amplia e indiscriminadamente, [43] una situación que continúa. [44]
Al igual que la máquina de vapor, el motor Stirling se clasifica tradicionalmente como un motor de combustión externa , ya que todas las transferencias de calor hacia y desde el fluido de trabajo tienen lugar a través de un límite sólido (intercambiador de calor), aislando así el proceso de combustión y cualquier contaminante que pueda producir del piezas de trabajo del motor. Esto contrasta con un motor de combustión interna , donde la entrada de calor se produce mediante la combustión de un combustible dentro del cuerpo del fluido de trabajo. La mayoría de las posibles implementaciones del motor Stirling entran en la categoría de motor de pistón alternativo . [ cita necesaria ]
El ciclo Stirling idealizado consta de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:
El motor está diseñado de manera que el gas de trabajo generalmente se comprime en la parte más fría del motor y se expande en la parte más caliente, lo que resulta en una conversión neta de calor en trabajo . [2] Un intercambiador de calor regenerativo interno aumenta la eficiencia térmica del motor Stirling en comparación con los motores de aire caliente más simples que carecen de esta característica.
El motor Stirling utiliza la diferencia de temperatura entre su extremo caliente y su extremo frío para establecer un ciclo de una masa fija de gas, calentada y expandida, enfriada y comprimida, convirtiendo así la energía térmica en energía mecánica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las fuentes frías y calientes, mayor será la eficiencia térmica. La eficiencia teórica máxima es equivalente a la del ciclo de Carnot , pero la eficiencia de los motores reales es menor que este valor debido a la fricción y otras pérdidas. [ cita necesaria ]
Dado que el motor Stirling es de ciclo cerrado, contiene una masa fija de gas llamada "fluido de trabajo", más comúnmente aire , hidrógeno o helio . En funcionamiento normal, el motor está sellado y no entra ni sale gas; no se requieren válvulas, a diferencia de otros tipos de motores de pistón. El motor Stirling, como la mayoría de los motores térmicos, pasa por cuatro procesos principales: enfriamiento, compresión, calentamiento y expansión. Esto se logra moviendo el gas hacia adelante y hacia atrás entre intercambiadores de calor fríos y calientes , a menudo con un regenerador entre el calentador y el enfriador. El intercambiador de calor caliente está en contacto térmico con una fuente de calor externa, tal como un quemador de combustible, y el intercambiador de calor frío está en contacto térmico con un disipador de calor externo, tal como aletas de aire. Un cambio en la temperatura del gas provoca un cambio correspondiente en la presión del gas, mientras que el movimiento del pistón hace que el gas se expanda y se comprima alternativamente. [ cita necesaria ]
El gas sigue el comportamiento descrito por las leyes de los gases que describen cómo se relacionan la presión , la temperatura y el volumen de un gas . Cuando el gas se calienta, la presión aumenta (porque está en una cámara sellada) y esta presión actúa sobre el pistón de potencia para producir una carrera de potencia. Cuando el gas se enfría, la presión cae y esta caída significa que el pistón necesita hacer menos trabajo para comprimir el gas en la carrera de retorno. La diferencia de trabajo entre los golpes produce una producción de potencia neta positiva. [ cita necesaria ]
Cuando un lado del pistón está abierto a la atmósfera, el funcionamiento es ligeramente diferente. A medida que el volumen sellado de gas de trabajo entra en contacto con el lado caliente, se expande, realizando trabajo tanto sobre el pistón como sobre la atmósfera. Cuando el gas de trabajo entra en contacto con el lado frío, su presión cae por debajo de la presión atmosférica y la atmósfera empuja el pistón y realiza trabajo sobre el gas. [ cita necesaria ]
Como consecuencia del funcionamiento en ciclo cerrado, el calor que impulsa un motor Stirling debe transmitirse desde una fuente de calor al fluido de trabajo mediante intercambiadores de calor y finalmente a un disipador de calor . Un sistema de motor Stirling tiene al menos una fuente de calor, un disipador de calor y hasta cinco intercambiadores de calor. Algunos tipos pueden combinar o prescindir de algunos de ellos. [ cita necesaria ]
La fuente de calor puede ser proporcionada por la combustión de un combustible y, dado que los productos de la combustión no se mezclan con el fluido de trabajo y por lo tanto no entran en contacto con las partes internas del motor, un motor Stirling puede funcionar con combustibles que dañarían Partes internas de otros tipos de motores, como el gas de vertedero , que puede contener siloxano que podría depositar dióxido de silicio abrasivo en los motores convencionales. [45]
Otras fuentes de calor adecuadas incluyen la energía solar concentrada , la energía geotérmica , la energía nuclear , el calor residual y la bioenergía . Si se utiliza energía solar como fuente de calor, se pueden utilizar espejos y antenas solares normales. También se ha abogado por el uso de lentes y espejos de Fresnel , por ejemplo en la exploración de superficies planetarias. [46] Los motores Stirling de energía solar son cada vez más populares ya que ofrecen una opción ambientalmente racional para producir energía, mientras que algunos diseños son económicamente atractivos en proyectos de desarrollo. [47]
El diseño de intercambiadores de calor para motores Stirling es un equilibrio entre una alta transferencia de calor con bajas pérdidas de bombeo viscoso y un bajo espacio muerto (volumen interno no barrido). Los motores que funcionan a altas potencias y presiones requieren que los intercambiadores de calor del lado caliente estén hechos de aleaciones que conserven una resistencia considerable a altas temperaturas y que no se corroan ni se deformen . [ cita necesaria ]
En motores pequeños y de baja potencia, los intercambiadores de calor pueden consistir simplemente en las paredes de las respectivas cámaras fría y caliente, pero cuando se requieren potencias mayores, se necesita una mayor superficie para transferir suficiente calor. Las implementaciones típicas son aletas internas y externas o múltiples tubos de pequeño diámetro para el lado caliente y un enfriador que utiliza un líquido (como agua) para el lado frío. [ cita necesaria ]
En un motor Stirling, el regenerador es un intercambiador de calor interno y un almacén de calor temporal colocado entre los espacios frío y caliente de manera que el fluido de trabajo pasa a través de él primero en una dirección y luego en la otra, tomando calor del fluido en una dirección y regresando. eso en el otro. Puede ser tan simple como una malla metálica o espuma y se beneficia de una gran superficie, una alta capacidad calorífica, una baja conductividad y una baja fricción del flujo. [48] Su función es retener dentro del sistema el calor que de otro modo se intercambiaría con el medio ambiente a temperaturas intermedias a las temperaturas máxima y mínima del ciclo, [49] permitiendo así la eficiencia térmica del ciclo (aunque no de ningún motor práctico). [50] ) para acercarse a la eficiencia limitante de Carnot . [ cita necesaria ]
El efecto principal de la regeneración en un motor Stirling es aumentar la eficiencia térmica "reciclando" el calor interno que de otro modo pasaría a través del motor de forma irreversible . Como efecto secundario, una mayor eficiencia térmica produce una mayor potencia de salida de un conjunto determinado de intercambiadores de calor de extremo caliente y frío. Estos normalmente limitan el rendimiento térmico del motor. En la práctica, esta potencia adicional puede no aprovecharse plenamente ya que el "espacio muerto" adicional (volumen no barrido) y la pérdida de bombeo inherentes a los regeneradores prácticos reducen las ganancias potenciales de eficiencia de la regeneración. [ cita necesaria ]
El desafío de diseño para un regenerador de motor Stirling es proporcionar suficiente capacidad de transferencia de calor sin introducir demasiado volumen interno adicional ("espacio muerto") o resistencia al flujo. Estos conflictos de diseño inherentes son uno de los muchos factores que limitan la eficiencia de los motores Stirling prácticos. Un diseño típico es una pila de mallas de alambre metálico fino , con baja porosidad para reducir el espacio muerto, y con los ejes de alambre perpendiculares al flujo de gas para reducir la conducción en esa dirección y maximizar la transferencia de calor por convección. [51]
El regenerador es el componente clave inventado por Robert Stirling , y su presencia distingue a un verdadero motor Stirling de cualquier otro motor de aire caliente de ciclo cerrado . Muchos motores Stirling pequeños de "juguete", particularmente los tipos de diferencia de baja temperatura (LTD), no tienen un componente regenerador distinto y podrían considerarse motores de aire caliente; sin embargo, la superficie del propio desplazador y la pared del cilindro cercana, o de manera similar, el pasaje que conecta los cilindros fríos y calientes de un motor de configuración alfa, proporcionan una pequeña cantidad de regeneración. [ cita necesaria ]
Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las secciones fría y caliente de un motor Stirling, mayor será la eficiencia del motor. El disipador de calor suele ser el entorno en el que funciona el motor, a temperatura ambiente. En el caso de motores de potencia media a alta, se necesita un radiador para transferir el calor del motor al aire ambiente. Los motores marinos tienen la ventaja de utilizar agua ambiente fría de mar, lago o río, que suele ser más fría que el aire ambiente. En el caso de los sistemas combinados de calor y energía, el agua de refrigeración del motor se utiliza directa o indirectamente para fines de calefacción, lo que aumenta la eficiencia. [ cita necesaria ]
Alternativamente, se puede suministrar calor a temperatura ambiente y mantener el disipador de calor a una temperatura más baja mediante medios como fluido criogénico (consulte Economía del nitrógeno líquido ) o agua helada. [ cita necesaria ]
El desplazador es un pistón de propósito especial , utilizado en motores Stirling tipo Beta y Gamma, para mover el gas de trabajo hacia adelante y hacia atrás entre los intercambiadores de calor frío y caliente. Dependiendo del tipo de diseño del motor, el desplazador puede estar sellado o no al cilindro; es decir, puede ser un ajuste flojo dentro del cilindro, permitiendo que el gas de trabajo pase a su alrededor a medida que se mueve para ocupar la parte del cilindro más allá. El motor tipo Alpha tiene una gran tensión en el lado caliente, es por eso que tan pocos inventores comenzaron a utilizar un pistón híbrido para ese lado. El pistón híbrido tiene una parte sellada como un motor tipo Alpha normal, pero tiene una parte de desplazador conectada con un diámetro más pequeño que el cilindro alrededor. La relación de compresión es un poco menor que en los motores tipo Alpha originales, pero el factor de tensión es bastante bajo en las piezas selladas. [ cita necesaria ]
Los tres tipos principales de motores Stirling se distinguen por la forma en que mueven el aire entre las áreas fría y caliente: [ cita necesaria ]
Un alfa Stirling contiene dos pistones de potencia en cilindros separados, uno caliente y otro frío. El cilindro caliente está situado dentro del intercambiador de calor de alta temperatura y el cilindro frío está situado dentro del intercambiador de calor de baja temperatura. Este tipo de motor tiene una alta relación potencia-volumen pero tiene problemas técnicos debido a la temperatura generalmente alta del pistón caliente y la durabilidad de sus sellos. [52] En la práctica, este pistón suele llevar una gran cabeza aislante para alejar los sellos de la zona caliente a expensas de un espacio muerto adicional. El ángulo del cigüeñal tiene un efecto importante en la eficiencia y con frecuencia el mejor ángulo debe encontrarse experimentalmente. Un ángulo de 90° se bloquea frecuentemente. [ cita necesaria ]
Una descripción del proceso de cuatro pasos es la siguiente:
Un Stirling beta tiene un solo pistón de potencia dispuesto dentro del mismo cilindro en el mismo eje que un pistón desplazador. El pistón desplazador tiene un ajuste holgado y no extrae ninguna energía del gas en expansión, sino que solo sirve para transportar el gas de trabajo entre los intercambiadores de calor frío y caliente. Cuando el gas de trabajo se empuja hacia el extremo caliente del cilindro, se expande y empuja el pistón de potencia. Cuando se empuja hacia el extremo frío del cilindro, se contrae y el impulso de la máquina, generalmente mejorado por un volante , empuja el pistón de potencia en la otra dirección para comprimir el gas. A diferencia del tipo alfa, el tipo beta evita los problemas técnicos de los sellos móviles calientes, ya que el pistón de potencia no está en contacto con el gas caliente. [53]
Otras configuraciones de Stirling siguen interesando a ingenieros e inventores. [ cita necesaria ]
Los motores Stirling de pistón libre incluyen aquellos con pistones líquidos y aquellos con diafragmas como pistones. En un dispositivo de pistón libre, la energía se puede agregar o eliminar mediante un alternador eléctrico lineal , una bomba u otro dispositivo coaxial. Esto evita la necesidad de un varillaje y reduce el número de piezas móviles. En algunos diseños, la fricción y el desgaste casi se eliminan mediante el uso de cojinetes de gas sin contacto o una suspensión muy precisa mediante resortes planos . [ cita necesaria ]
Cuatro pasos básicos en el ciclo de un motor Stirling de pistón libre son: [ cita necesaria ]
A principios de la década de 1960, William T. Beale de la Universidad de Ohio ubicada en Atenas, Ohio, inventó una versión de pistón libre del motor Stirling para superar la dificultad de lubricar el mecanismo de manivela. [59] Si bien la invención del motor Stirling de pistón libre básico generalmente se atribuye a Beale, EH Cooke-Yarborough y C. West hicieron invenciones independientes de tipos similares de motores en los Laboratorios Harwell de la AERE del Reino Unido . [60] GM Benson también hizo importantes contribuciones tempranas y patentó muchas configuraciones novedosas de pistón libre. [61] [62]
La primera mención conocida de una máquina de ciclo Stirling que utiliza componentes que se mueven libremente es una patente británica de 1876. [63] Esta máquina fue concebida como un refrigerador (es decir, el ciclo Stirling inverso ). El primer producto de consumo que utilizó un dispositivo Stirling de pistón libre fue un refrigerador portátil fabricado por Twinbird Corporation de Japón y ofrecido en los EE. UU. por Coleman en 2004. [ cita necesaria ]
El diseño del motor Stirling plano de doble efecto resuelve el accionamiento de un desplazador con la ayuda del hecho de que las áreas de los pistones fríos y calientes del desplazador son diferentes. [ cita necesaria ]
El accionamiento lo hace sin transmisión mecánica. [ cita necesaria ] El uso de diafragmas elimina la fricción y la necesidad de lubricantes. [ cita necesaria ]
Cuando el desplazador está en movimiento, el generador mantiene el pistón de trabajo en la posición límite, lo que acerca el ciclo de trabajo del motor a un ciclo Stirling ideal. [ cita necesaria ] La relación entre el área de los intercambiadores de calor y el volumen de la máquina aumenta mediante la implementación de un diseño plano. [ cita necesaria ]
El diseño plano del cilindro de trabajo se aproxima al proceso térmico de expansión y compresión más cercano al isotérmico. [ cita necesaria ]
La desventaja es una gran superficie de aislamiento térmico entre el espacio frío y caliente. [64]
Los dispositivos termoacústicos son muy diferentes de los dispositivos Stirling, aunque el camino individual recorrido por cada molécula de gas de trabajo sí sigue un ciclo Stirling real . Estos dispositivos incluyen el motor termoacústico y el refrigerador termoacústico . Las ondas estacionarias acústicas de alta amplitud provocan una compresión y una expansión análogas a un pistón de potencia Stirling, mientras que las ondas viajeras acústicas desfasadas provocan un desplazamiento a lo largo de un gradiente de temperatura , de forma análoga a un pistón desplazador Stirling. Por lo tanto, un dispositivo termoacústico normalmente no tiene un desplazador, como se encuentra en un Stirling beta o gamma. [ cita necesaria ]
La NASA ha considerado motores Stirling calentados por desintegración nuclear para misiones prolongadas al sistema solar exterior. [65] En 2018, la NASA y el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunciaron que habían probado con éxito un nuevo tipo de reactor nuclear llamado KRUSTY , que significa "Kilopower Reactor Usando Tecnología Stirling", y que está diseñado para poder alimentar energía profunda. vehículos espaciales y sondas, así como campamentos exoplanetarios. [66]
En la Cable-Tec Expo 2012 organizada por la Sociedad de Ingenieros de Telecomunicaciones por Cable, Dean Kamen subió al escenario con el director de tecnología de Time Warner Cable, Mike LaJoie, para anunciar una nueva iniciativa entre su empresa Deka Research y SCTE. Kamen se refiere a él como motor Stirling. [67] [68]
Se han construido motores de muy baja potencia que funcionan con una diferencia de temperatura de tan solo 0,5 K. [69] Un motor Stirling de tipo desplazador tiene un pistón y un desplazador. Se requiere una diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del cilindro grande para hacer funcionar el motor. En el caso del motor Stirling de baja diferencia de temperatura (LTD), la diferencia de temperatura entre la mano y el aire circundante puede ser suficiente para hacer funcionar el motor. [70] El pistón de potencia en el motor Stirling de tipo desplazador está herméticamente sellado y se controla para que se mueva hacia arriba y hacia abajo a medida que el gas del interior se expande. El desplazador, por otro lado, está colocado muy holgadamente para que el aire pueda moverse libremente entre las secciones fría y caliente del motor a medida que el pistón sube y baja. El desplazador se mueve hacia arriba y hacia abajo para hacer que la mayor parte del gas en el cilindro del desplazador se caliente o se enfríe. [ cita necesaria ]
Los motores Stirling, especialmente aquellos que funcionan con pequeños diferenciales de temperatura, son bastante grandes para la cantidad de potencia que producen (es decir, tienen una potencia específica baja ). Esto se debe principalmente al coeficiente de transferencia de calor de la convección gaseosa, que limita el flujo de calor que se puede alcanzar en un intercambiador de calor frío típico a aproximadamente 500 W/(m 2 ·K), y en un intercambiador de calor caliente a aproximadamente 500 – 5000 W/(m 2 ·K). [71] En comparación con los motores de combustión interna, esto hace que sea más difícil para el diseñador del motor transferir calor dentro y fuera del gas de trabajo. Debido a la eficiencia térmica , la transferencia de calor requerida crece con una menor diferencia de temperatura, y la superficie (y el costo) del intercambiador de calor para una producción de 1 kW crece con (1/ΔT) 2 . Por tanto, el coste específico de los motores con diferencia de temperatura muy baja es muy elevado. Aumentar el diferencial de temperatura y/o la presión permite que los motores Stirling produzcan más potencia, suponiendo que los intercambiadores de calor estén diseñados para una mayor carga de calor y puedan entregar el flujo de calor por convección necesario.
Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente; literalmente necesita "calentarse". Esto es cierto para todos los motores de combustión externa, pero el tiempo de calentamiento puede ser mayor para los Stirling que para otros de este tipo como las máquinas de vapor . Los motores Stirling se utilizan mejor como motores de velocidad constante.
La potencia de salida de un Stirling tiende a ser constante y ajustarla a veces puede requerir un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Normalmente, los cambios en la potencia se logran variando el desplazamiento del motor (a menudo mediante el uso de una disposición de cigüeñal con plato cíclico ), o cambiando la cantidad de fluido de trabajo, o alterando el ángulo de fase pistón/desplazador, o en algunos casos simplemente alterando la carga del motor. Esta propiedad es un inconveniente menor en la propulsión eléctrica híbrida o en la generación de servicios públicos de "carga base", donde en realidad es deseable una producción de energía constante.
El gas utilizado debe tener una capacidad calorífica baja , de modo que una determinada cantidad de calor transferido conduzca a un gran aumento de presión. Teniendo en cuenta esta cuestión, el helio sería el mejor gas debido a su bajísima capacidad calorífica. El aire es un fluido de trabajo viable, [72] pero el oxígeno en un motor neumático altamente presurizado puede causar accidentes fatales causados por explosiones de aceite lubricante. [73] Después de uno de esos accidentes, Philips fue pionera en el uso de otros gases para evitar el riesgo de explosiones.
En la mayoría de los motores Stirling de alta potencia, tanto la presión mínima como la presión media del fluido de trabajo están por encima de la presión atmosférica. Esta presurización inicial del motor se puede realizar mediante una bomba, llenando el motor desde un tanque de gas comprimido, o incluso simplemente sellando el motor cuando la temperatura media es inferior a la temperatura media de funcionamiento . Todos estos métodos aumentan la masa del fluido de trabajo en el ciclo termodinámico. Todos los intercambiadores de calor deben tener el tamaño adecuado para suministrar las tasas de transferencia de calor necesarias. Si los intercambiadores de calor están bien diseñados y pueden suministrar el flujo de calor necesario para la transferencia de calor por convección , entonces el motor, en una primera aproximación, produce potencia en proporción a la presión media, como lo predicen el número de West y el número de Beale . En la práctica, la presión máxima también se limita a la presión segura del recipiente a presión . Como la mayoría de los aspectos del diseño de motores Stirling, la optimización es multivariante y, a menudo, tiene requisitos contradictorios. [71] Una dificultad de la presurización es que si bien mejora la potencia, el calor requerido aumenta proporcionalmente al aumento de potencia. Esta transferencia de calor se hace cada vez más difícil con la presurización, ya que el aumento de presión también exige mayores espesores de las paredes del motor, lo que, a su vez, aumenta la resistencia a la transferencia de calor. [ cita necesaria ]
A altas temperaturas y presiones, el oxígeno en los cárteres presurizados por aire, o en el gas de trabajo de los motores de aire caliente , puede combinarse con el aceite lubricante del motor y explotar. Al menos una persona ha muerto en tal explosión. [73] Los lubricantes también pueden obstruir los intercambiadores de calor, especialmente el regenerador. Por estas razones, los diseñadores prefieren materiales no lubricados y con bajo coeficiente de fricción (como el rulón o el grafito ), con bajas fuerzas normales sobre las partes móviles, especialmente para los sellos deslizantes. Algunos diseños evitan por completo las superficies deslizantes mediante el uso de diafragmas para pistones sellados. Estos son algunos de los factores que permiten que los motores Stirling tengan menores requisitos de mantenimiento y una vida útil más larga que los motores de combustión interna. [ cita necesaria ]
La eficiencia térmica teórica es igual a la del ciclo de Carnot ideal , es decir, la eficiencia más alta que puede alcanzar cualquier motor térmico. Sin embargo, aunque es útil para ilustrar principios generales, los motores Stirling prácticos se desvían sustancialmente del ideal. [75] Se ha argumentado que su uso indiscriminado en muchos libros estándar sobre termodinámica de ingeniería ha perjudicado el estudio de los motores Stirling en general. [76] [77]
Los motores Stirling no pueden alcanzar eficiencias totales típicas de un motor de combustión interna , siendo la principal limitación la eficiencia térmica. Durante la combustión interna, las temperaturas alcanzan alrededor de 1500 °C-1600 °C durante un corto período de tiempo, lo que resulta en una temperatura media de suministro de calor del ciclo termodinámico mayor que la que cualquier motor Stirling podría alcanzar. No es posible suministrar calor a temperaturas tan altas por conducción, como se hace en los motores Stirling, porque ningún material podría conducir el calor de la combustión a esa alta temperatura sin grandes pérdidas de calor y problemas relacionados con la deformación térmica de los materiales. [ cita necesaria ]
Los motores Stirling son capaces de funcionar silenciosamente y pueden utilizar casi cualquier fuente de calor. La fuente de energía térmica se genera externamente al motor Stirling en lugar de mediante combustión interna como ocurre con los motores de ciclo Otto o diésel . Este tipo de motor está generando actualmente interés como componente central de las microunidades combinadas de calor y energía (CHP), en las que es más eficiente y seguro que un motor de vapor comparable. [78] [79] Sin embargo, tiene una baja relación potencia-peso , [80] lo que lo hace más adecuado para su uso en instalaciones estáticas donde el espacio y el peso no son un bien escaso. [ cita necesaria ]
Otros problemas del mundo real reducen la eficiencia de los motores reales, debido a los límites de la transferencia de calor por convección y el flujo viscoso (fricción). También hay consideraciones prácticas y mecánicas: por ejemplo, se puede preferir un enlace cinemático simple a un mecanismo más complejo necesario para replicar el ciclo idealizado, y limitaciones impuestas por los materiales disponibles, como propiedades no ideales del gas de trabajo, conductividad térmica , resistencia a la tracción , fluencia , resistencia a la rotura y punto de fusión . Una pregunta que surge a menudo es si el ciclo ideal con expansión y compresión isotérmica es en realidad el ciclo ideal correcto para aplicar al motor Stirling. El profesor CJ Rallis ha señalado que es muy difícil imaginar cualquier condición en la que los espacios de expansión y compresión puedan aproximarse a un comportamiento isotérmico y es mucho más realista imaginar estos espacios como adiabáticos . [81] Rallis analizó un análisis ideal en el que los espacios de expansión y compresión se consideran adiabáticos con intercambiadores de calor isotérmicos y regeneración perfecta y lo presentó como un mejor criterio ideal para la maquinaria Stirling. Llamó a este ciclo el "ciclo pseudo-Stirling" o "ciclo adiabático ideal de Stirling". Una consecuencia importante de este ciclo ideal es que no predice la eficiencia de Carnot. Otra conclusión de este ciclo ideal es que las máximas eficiencias se obtienen con relaciones de compresión más bajas, una característica que se observa en las máquinas reales. En un trabajo independiente, T. Finkelstein también asumió espacios de expansión y compresión adiabáticos en su análisis de la maquinaria Stirling [82]
El ciclo Stirling ideal es inalcanzable en el mundo real, como ocurre con cualquier motor térmico. La eficiencia de las máquinas Stirling también está ligada a la temperatura ambiental: se obtiene una mayor eficiencia cuando el clima es más fresco, lo que hace que este tipo de motores sean menos atractivos en lugares con climas más cálidos. Como ocurre con otros motores de combustión externa, los motores Stirling pueden utilizar fuentes de calor distintas a la combustión de combustibles. Por ejemplo, se han desarrollado varios diseños para motores Stirling que funcionan con energía solar .
A diferencia de los motores de combustión interna, los motores Stirling tienen el potencial de utilizar fuentes de calor renovables más fácilmente y de ser más silenciosos y fiables con menor mantenimiento. Se prefieren para aplicaciones que valoran estas ventajas únicas, particularmente si el costo por unidad de energía generada es más importante que el costo de capital por unidad de energía. Sobre esta base, los motores Stirling son competitivos en costes hasta unos 100 kW. [83]
En comparación con un motor de combustión interna de la misma potencia, los motores Stirling actualmente tienen un coste de capital mayor y suelen ser más grandes y pesados. Sin embargo, son más eficientes que la mayoría de los motores de combustión interna. [84] Sus menores requisitos de mantenimiento hacen que el costo total de energía sea comparable. La eficiencia térmica también es comparable (para motores pequeños), oscilando entre el 15% y el 30%. [83] Para aplicaciones como micro-CHP , un motor Stirling suele ser preferible a un motor de combustión interna. Otras aplicaciones incluyen el bombeo de agua , la astronáutica y la generación eléctrica a partir de abundantes fuentes de energía que son incompatibles con el motor de combustión interna, como la energía solar, y biomasa como los desechos agrícolas y otros desechos como los desechos domésticos. Sin embargo, los motores Stirling generalmente no tienen un precio competitivo como motor de automóvil, debido al alto costo por unidad de potencia y a la baja densidad de potencia . [ cita necesaria ]
El análisis básico se basa en el análisis de Schmidt de forma cerrada. [85] [86]
Las ventajas de los motores Stirling en comparación con los motores de combustión interna incluyen:
Las desventajas de los motores Stirling en comparación con los motores de combustión interna incluyen:
Las aplicaciones del motor Stirling van desde calefacción y refrigeración hasta sistemas de energía submarinos. Un motor Stirling puede funcionar a la inversa como una bomba de calor para calentar o enfriar. Otros usos incluyen calor y energía combinados, generación de energía solar, crioenfriadores Stirling, bombas de calor, motores marinos, motores de aviones modelo de baja potencia [89] y motores de baja diferencia de temperatura.
La caldera se basa en el motor Stirling, ideado por el inventor escocés Robert Stirling en 1816. [...] El nombre técnico dado a este uso particular es Micro Calor Combinado y Energía o Micro CHP.
