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 basarse en una serie de ciclos termodinámicos que abarcan tanto dispositivos de ciclo abierto como los de Sir George Cayley [3] y John Ericsson [4] y el motor de ciclo cerrado de Robert Stirling . [5] Los motores de aire caliente son distintos del motor de combustión interna y del motor de vapor más conocidos .
En una implementación típica, el aire se calienta y se 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 experimente 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 era conocida por los antiguos. La Pneumatica de Herón de Alejandría describe dispositivos que podían usarse para abrir automáticamente las puertas de los templos cuando se encendía un fuego en un altar de sacrificios. Los dispositivos llamados motores de aire caliente, o simplemente motores de aire , se han registrado desde 1699. En 1699, Guillaume Amontons (1663-1705) presentó, a la Real Academia de Ciencias de París, un informe sobre su invento: una rueda que se hacía girar por calor. [6] La rueda estaba montada verticalmente. Alrededor del eje de la rueda había cámaras llenas de agua. Las cámaras llenas de aire en el borde de la rueda se calentaban con un fuego debajo de un lado de la rueda. El aire caliente se expandía y, a través de tubos, empujaba el agua de una cámara a otra, desequilibrando la rueda y haciendo que girara.
Ver:
Es probable que el motor de aire de Robert Stirling de 1818, que incorporaba su innovador economizador (patentado en 1816), fuera el primer motor de aire que se puso 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 se llame correctamente motor Stirling .
Stirling patentó un segundo motor de aire caliente, junto con su hermano James, en 1827. Invirtieron el diseño de modo que los extremos calientes de los desplazadores estuvieran debajo de la maquinaria y añadieron una bomba de aire comprimido para poder aumentar la presión del aire en el interior hasta unas 20 atmósferas. Chambers afirma que no tuvo éxito debido a defectos mecánicos y a “la acumulación imprevista de calor, que no fue completamente extraído por los tamices o pequeños conductos en la parte fría del regenerador, cuya superficie externa no era lo suficientemente grande como para expulsar el calor no recuperado cuando el motor funcionaba con aire altamente comprimido”.
Parkinson y Crossley, patente inglesa de 1828, inventaron su propio motor de aire caliente. En este motor, la cámara de aire está parcialmente expuesta, sumergida 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 del vapor caliente, modificando su temperatura y su estado expansivo. 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 ingresado. Se tira de 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 que tiende a la expansión o aumento de volumen que el fuego es capaz de proporcionarle.
Al año siguiente (1830) le siguió el capitán Ericsson, que patentó su segundo motor de aire caliente. La especificación lo describe más concretamente como compuesto por una “cámara circular, en la que se hace girar un cono sobre un eje por medio de hojas o alas, expuestas alternativamente a la presión del vapor; estas alas u hojas se hacen funcionar a través de ranuras o aberturas de un plano circular, que gira oblicuamente y, por lo tanto, se mantiene en contacto con el lado del cono”.
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 pone en funcionamiento, resultará ser el invento mecánico más importante jamás concebido por la mente humana y uno que conferirá mayores beneficios a la vida civilizada que cualquier otro que lo haya precedido. Porque el objeto es la producción de energía mecánica mediante la acción del calor, con un gasto de combustible tan extremadamente pequeño que el hombre tendrá una fuerza mecánica casi ilimitada a su disposición, en regiones donde ahora se puede decir que el combustible apenas existe".
En 1838 se patenta el motor de aire caliente de Franchot, sin duda el motor de aire caliente que mejor seguía las exigencias de Carnot.
Hasta ahora, todos estos motores de aire no habían tenido éxito, pero la tecnología estaba madurando. En 1842, James Stirling, el hermano de Robert, construyó el famoso motor Stirling de Dundee. Este duró al menos dos o tres años, pero luego se dejó de fabricar debido a dispositivos técnicos inadecuados. Los motores de aire caliente son una historia de ensayos y errores, y pasaron otros 20 años antes de que los motores de aire caliente pudieran usarse a escala industrial. Los primeros motores de aire caliente confiables fueron construidos por Shaw, Roper, 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.
Un 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 los siguientes:
Algunos ejemplos (no todos los ciclos de aire caliente, como se definen anteriormente) son los siguientes:
Otro ejemplo es el ciclo Vuilleumier . [17]
