Un motor Stirling es un motor térmico que funciona mediante la expansión y contracción cíclica del aire u otro gas (el fluido de trabajo ) al exponerlo a diferentes temperaturas, lo que da como resultado una conversión neta de energía térmica en trabajo mecánico . [1] [2]
Más específicamente, 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 acumulador térmico, conocido como regenerador . Estrictamente hablando, 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 fluido de trabajo (por ejemplo, el aire) se calienta mediante energía suministrada desde el exterior del espacio interior del motor (cilindro). A medida que el fluido se expande, un pistón, que está acoplado a un desplazador, extrae trabajo mecánico. El desplazador mueve el fluido de trabajo a una ubicación diferente dentro del motor, donde se enfría, lo que crea un vacío parcial en el cilindro de trabajo y se extrae más trabajo mecánico. El desplazador mueve el fluido enfriado de regreso a la parte caliente del motor y el ciclo continúa.
Una característica única es el regenerador, que actúa como un depósito de calor temporal al retener el calor dentro de la máquina en lugar de arrojarlo al 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. Del mismo modo, la parte más fría del motor se puede mantener mediante un disipador de calor externo, como agua corriente o una corriente de aire. El gas se retiene permanentemente en el motor, lo que permite 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 el eje gira mediante una fuente de energía externa se desarrollará una diferencia de temperatura a través de la máquina; de esta manera actúa como una bomba de calor .
El motor Stirling fue inventado por el escocés Robert Stirling [4] en 1816 como motor industrial primario para rivalizar con el motor de vapor , y su uso práctico se limitó en gran medida a aplicaciones domésticas de bajo consumo durante más de un siglo. [5]
La inversión contemporánea en energía renovable , especialmente energía solar , ha dado lugar a su aplicación en energía solar concentrada y como bomba de calor.
Robert Stirling es considerado uno de los padres de los motores de aire caliente, junto con innovadores anteriores como Guillaume Amontons , [6] quien construyó el primer motor de aire caliente funcional en 1699. [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 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. [ cita requerida ]
Stirling inventó el 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 hace pasar a través del horno y se expulsa, mientras que en el motor de Stirling el aire funciona en un circuito cerrado. El inventor dedicó la mayor parte de su atención a eso. [ cita requerida ]
Un motor de 2 caballos de fuerza (1,5 kW), 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 que se podía obtener, el motor solo podía adaptarse a potencias bajas, para las que, en ese momento, no había demanda. [ cita requerida ]
La patente de Stirling de 1816 [10] también trataba de un " economizador ", que es 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. [ cita requerida ]
Junto 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 que el aire en el interior pudiera aumentarse en presión a alrededor de 20 atmósferas estándar (2000 kPa). [ cita requerida ]
Los hermanos Stirling fueron seguidos poco después (1828) por Parkinson y Crossley [12] y Arnott [13] en 1829. [ cita requerida ]
Estos precursores, entre ellos Ericsson, [14] trajeron al mundo la tecnología del motor de aire caliente y sus enormes ventajas sobre la máquina de vapor. [ cita requerida ] Cada uno llegó con su propia tecnología específica, y aunque el motor Stirling y los motores Parkinson & Crossley eran bastante similares, Robert Stirling se distinguió por inventar el regenerador. [ cita requerida ]
Parkinson y Crossley 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. [15]
La patente de Stirling de 1827 fue la base de la tercera patente de Stirling de 1840. [16] Los cambios respecto de 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 una longitud de carrera de 60 centímetros (2 pies), y hacía 40 golpes o revoluciones en un minuto (40 rpm). Este motor movió toda la maquinaria en las obras de la Dundee Foundry Company durante ocho o diez meses, y anteriormente se había comprobado que era capaz de levantar 320.000 kg (700.000 libras) 60 cm (2 pies) en un minuto, una potencia de aproximadamente 16 kilovatios (21 caballos de fuerza). [ cita requerida ] Al encontrar esta potencia insuficiente para sus obras, la 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 haciendo 28 golpes en un minuto. Cuando este motor estuvo en funcionamiento continuo durante más de dos años, no solo 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 requerida ]
El motor Stirling (o motor de aire de Stirling, como se lo conocía en ese momento) fue inventado y patentado en 1816. [19] Siguió a intentos anteriores de fabricar un motor de aire , pero probablemente fue el primero en ponerse en práctica cuando, en 1818, se utilizó un motor construido por Stirling 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 del ahorro de combustible en una variedad de aplicaciones. La patente también describía en detalle el empleo de una forma del 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 de Robert Stirling y su hermano James , un ingeniero, resultó en patentes para varias configuraciones mejoradas del motor original, incluida la presurización, que en 1843 había aumentado lo suficiente la potencia de salida para impulsar toda la maquinaria en una fundición de hierro de Dundee . [22]
En un artículo presentado por James Stirling en junio de 1845 en la Institución de Ingenieros Civiles se afirmaba que sus objetivos no eran sólo ahorrar combustible, sino también crear una alternativa más segura a las máquinas de vapor de la época, [23] cuyas calderas explotaban con frecuencia, causando muchas lesiones y muertes. [24] [25] Sin embargo, esto ha sido discutido. [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 fallos inaceptablemente frecuentes (aunque con consecuencias mucho menos desastrosas que las explosiones de calderas). [27] Por ejemplo, el motor de la fundición de Dundee fue reemplazado por un motor de vapor después de tres fallos de cilindros calientes en cuatro años. [28]
Después de la sustitución del motor de fundición Dundee, no hay constancia de que los hermanos Stirling tuvieran más 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 caldera de vapor Hartford [29] y los motores de vapor más eficientes, presentando así un objetivo menos difícil para los motores primarios rivales). Sin embargo, a partir de 1860, se produjeron motores más pequeños del tipo Stirling/aire caliente en cantidades sustanciales para aplicaciones en las que se requerían fuentes confiables de energía baja a media, como bombear aire para órganos de iglesia o elevar agua. [30] Estos motores más pequeños generalmente operaban a temperaturas más bajas para no agotar los materiales disponibles, y por lo tanto eran relativamente ineficientes. Su atractivo era que, a diferencia de los motores de vapor, podían ser operados de manera segura por cualquier persona capaz de controlar un incendio. El catálogo de Rider-Ericsson Engine Co. de 1906 afirmaba que "cualquier jardinero o empleado doméstico común puede operar estos motores y no se requiere un ingeniero autorizado o experimentado". Varios tipos permanecieron en producción más allá del final del siglo, pero, aparte de unas pocas 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 gradualmente reemplazado por motores eléctricos y pequeños motores de combustión interna . A fines de la década de 1930, estaba prácticamente olvidado y solo se producía para juguetes y algunos pequeños ventiladores. [33]
En esa época, Philips buscaba expandir las ventas de sus radios a partes del mundo donde la red eléctrica y las baterías no estaban disponibles de manera constante. La gerencia de Philips decidió que ofrecer un generador portátil de bajo consumo facilitaría dichas ventas y le pidió a un grupo de ingenieros del laboratorio de investigación de la compañía en Eindhoven que evaluara 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 audible como en términos de interferencias de radio) y su capacidad para funcionar con una variedad de fuentes de calor (el aceite de lámpara común, "barato y disponible en todas partes", fue el favorito). [34] También eran conscientes de que, a diferencia de los motores de vapor y de combustión interna, prácticamente no se había realizado ningún trabajo de desarrollo serio en el motor Stirling durante muchos años y afirmaron que los materiales y el conocimiento técnico modernos deberían permitir grandes mejoras. [35]
En 1951, el grupo electrógeno de 180/200 W denominado MP1002CA (conocido como el "grupo Bungalow") estaba listo para producción y se planeó un lote inicial de 250, pero pronto se hizo evidente que no se podían fabricar a un precio competitivo. Además, la llegada de las radios de transistores y sus requisitos de potencia mucho menores significaron que la razón original para el grupo estaba desapareciendo. Aproximadamente 150 de estos grupos finalmente se produjeron. [36] Algunos encontraron su camino hacia los departamentos de ingeniería de universidades y colegios 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 requerida ]
Paralelamente al conjunto Bungalow, Philips desarrolló motores Stirling experimentales para una amplia variedad de aplicaciones y continuó trabajando en este campo hasta finales de los años 1970, pero sólo alcanzó el éxito comercial con el crioenfriador "motor Stirling invertido" . Presentaron una gran cantidad de patentes y acumularon una gran cantidad de información que cedieron bajo licencia 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 puso en servicio tres submarinos de la clase Gotland . En la superficie, estos barcos son propulsados por motores diésel marinos; 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 diésel para alimentar el motor. Los motores Stirling también están instalados en los submarinos suecos de la clase Södermanland , los submarinos de la clase Archer en servicio en Singapur y los submarinos japoneses de la clase Sōryū , con los 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 requerida ]
A principios del siglo XXI, los motores Stirling se utilizaban en la versión parabólica de los sistemas de energía solar concentrada . Una antena parabólica con espejo, similar a una antena parabólica de gran tamaño, dirige y concentra la luz solar sobre un receptor térmico, que absorbe y recoge el calor y, mediante un fluido, lo transfiere al motor Stirling. La energía mecánica resultante se utiliza luego para hacer funcionar un generador o alternador para producir electricidad. [39]
El componente principal de las microunidades de cogeneración 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 de cogeneración se estaban instalando comercialmente en aplicaciones domésticas, como generadores eléctricos domésticos. [40]
En 2013, se publicó un artículo sobre las leyes de escala de los motores Stirling de pistón libre basados 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 esos motores deberían llamarse genéricamente motores Stirling. Esta propuesta de denominación tuvo poco apoyo y los distintos tipos que había 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 para entonces ya había sido probado con fluidos de trabajo distintos del aire, y se decidió por «motor Stirling» en abril de 1945. [42] Sin embargo, casi treinta años después, Graham Walker todavía tenía motivos para lamentar el hecho de que términos como motor de aire caliente siguieran siendo intercambiables con motor Stirling , que a su vez se aplicaba de forma amplia e indiscriminada, [43] una situación que continúa. [44]
Al igual que el motor 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 se realizan a través de un límite sólido (intercambiador de calor), aislando así el proceso de combustión y cualquier contaminante que pueda producir de las partes en funcionamiento del motor. Esto contrasta con un motor de combustión interna , donde la entrada de calor se produce por la combustión de un combustible dentro del cuerpo del fluido de trabajo. La mayoría de las muchas posibles implementaciones del motor Stirling entran en la categoría de motor de pistón alternativo . [ cita requerida ]
El ciclo Stirling idealizado consta de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:
Con el motor Stirling ideal y de máxima eficiencia, para los depósitos térmicos la relación entre el calor que entra y el que sale es la eficiencia del ciclo de Carnot ideal. Esta es la eficiencia de Carnot, que es la relación entre las temperaturas Kelvin del depósito frío y del depósito caliente. Con el ciclo de Carnot ideal y de máxima eficiencia, las isócoras (volumen constante) se reemplazan por adiabáticas (no hay transferencia neta de calor porque no hay transferencia de calor). Para el ciclo Stirling ideal, cualquier calor que entre durante la etapa isócora donde la temperatura aumenta se libera totalmente durante la etapa isócora donde la temperatura disminuye (no hay transferencia neta de calor).
El motor está diseñado de modo 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, y enfriada y comprimida, convirtiendo así la energía térmica en energía mecánica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las fuentes caliente y fría, 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 requerida ]
Como el motor Stirling es un motor 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 de un lado a otro 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, como un quemador de combustible, y el intercambiador de calor frío está en contacto térmico con un disipador de calor externo, como las 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 requerida ]
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 las carreras produce una salida de potencia positiva neta. [ cita requerida ]
Cuando un lado del pistón está abierto a la atmósfera, el funcionamiento es ligeramente diferente. A medida que el volumen sellado del gas de trabajo entra en contacto con el lado caliente, se expande y realiza 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 al pistón y realiza trabajo sobre el gas. [ cita requerida ]
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 requerida ]
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 los componentes internos 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 solares y antenas parabólicas. También se ha defendido el uso de lentes y espejos de Fresnel , por ejemplo, en la exploración de la superficie planetaria. [46] Los motores Stirling alimentados con 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 por bombeo viscoso y un espacio muerto reducido (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 mantengan una resistencia considerable a altas temperaturas y que no se corroan ni se deformen . [ cita requerida ]
En los motores pequeños y de baja potencia, los intercambiadores de calor pueden consistir simplemente en las paredes de las respectivas cámaras caliente y fría, pero cuando se requieren mayores potencias, 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 requerida ]
En un motor Stirling, el regenerador es un intercambiador de calor interno y un acumulador 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 devolviéndolo en la otra. Puede ser tan simple como una malla metálica o espuma, y se beneficia de una gran área de superficie, alta capacidad térmica, baja conductividad y baja fricción de flujo. [48] Su función es retener dentro del sistema ese 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 que la eficiencia térmica del ciclo (aunque no de cualquier motor práctico [50] ) se acerque a la eficiencia límite de Carnot . [ cita requerida ]
El efecto principal de la regeneración en un motor Stirling es aumentar la eficiencia térmica al "reciclar" el calor interno que, de otro modo, pasaría a través del motor de manera irreversible . Como efecto secundario, una mayor eficiencia térmica produce una mayor potencia de salida de un conjunto determinado de intercambiadores de calor de extremos frío y caliente. Estos suelen limitar la producción de calor del motor. En la práctica, esta potencia adicional puede no aprovecharse por completo, ya que el "espacio muerto" adicional (volumen no barrido) y la pérdida de bombeo inherentes a los regeneradores prácticos reducen las posibles ganancias de eficiencia de la regeneración. [ cita requerida ]
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 de metal fino , con baja porosidad para reducir el espacio muerto, y con los ejes de los alambres 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", en particular los de baja diferencia de temperatura (LTD), no tienen un componente regenerador distintivo y podrían considerarse motores de aire caliente; sin embargo, una pequeña cantidad de regeneración es proporcionada por la superficie del propio desplazador y la pared cercana del cilindro, o de manera similar, el paso que conecta los cilindros caliente y frío de un motor de configuración alfa. [ cita requerida ]
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 es normalmente el entorno en el que funciona el motor, a temperatura ambiente. En el caso de los motores de potencia media a alta, se requiere un radiador para transferir el calor del motor al aire ambiente. Los motores marinos tienen la ventaja de utilizar agua fría del mar, lago o río, que normalmente es 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 requerida ]
Como alternativa, se puede suministrar calor a temperatura ambiente y mantener el disipador de calor a una temperatura más baja por medios como fluido criogénico (ver Economía de nitrógeno líquido ) o agua helada. [ cita requerida ]
El desplazador es un pistón de propósito especial , utilizado en los motores Stirling de tipo Beta y Gamma, para mover el gas de trabajo de un lado a otro entre los intercambiadores de calor frío y caliente. Dependiendo del tipo de diseño del motor, el desplazador puede estar o no sellado al cilindro; es decir, puede ser un ajuste suelto dentro del cilindro, permitiendo que el gas de trabajo pase alrededor de él mientras se mueve para ocupar la parte del cilindro que está más allá. El motor de tipo Alpha tiene una alta tensión en el lado caliente, es por eso que tan pocos inventores comenzaron a usar un pistón híbrido para ese lado. El pistón híbrido tiene una parte sellada como un motor de tipo Alpha normal, pero tiene una parte de desplazador conectada con un diámetro más pequeño que el cilindro alrededor de eso. La relación de compresión es un poco más pequeña que en los motores de tipo Alpha originales, pero el factor de tensión es bastante bajo en las partes selladas. [ cita requerida ]
Los tres tipos principales de motores Stirling se distinguen por la forma en que mueven el aire entre las zonas calientes y frías: [ cita requerida ]
Un motor Stirling alfa 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 normalmente 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 el mejor ángulo con frecuencia debe encontrarse experimentalmente. Un ángulo de 90° con frecuencia se bloquea. [ cita requerida ]
A continuación se presenta una descripción del proceso en cuatro pasos:
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 suelto y no extrae ninguna potencia del gas en expansión, sino que solo sirve para transportar el gas de trabajo entre los intercambiadores de calor caliente y frío. Cuando el gas de trabajo es empujado hacia el extremo caliente del cilindro, se expande y empuja el pistón de potencia. Cuando es empujado 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 continúan despertando el interés de ingenieros e inventores. [ cita requerida ]
Los motores Stirling de pistón libre incluyen aquellos con pistones líquidos y aquellos con diafragmas como pistones. En un dispositivo de pistón libre, se puede agregar o quitar energía mediante un alternador lineal eléctrico , una bomba u otro dispositivo coaxial. Esto evita la necesidad de un enlace y reduce la cantidad de piezas móviles. En algunos diseños, la fricción y el desgaste se eliminan casi por completo mediante el uso de cojinetes de gas sin contacto o una suspensión muy precisa a través de resortes planos . [ cita requerida ]
Los cuatro pasos básicos en el ciclo de un motor Stirling de pistón libre son: [ cita requerida ]
A principios de la década de 1960, William T. Beale, de la Universidad de Ohio ubicada en Athens, 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 básico de pistón libre generalmente se atribuye a Beale, EH Cooke-Yarborough y C. West realizaron 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 divulgada en 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 requerida ]
El diseño del motor Stirling de doble efecto plano resuelve el problema del accionamiento del desplazador gracias a que las áreas de los pistones fríos y calientes del desplazador son diferentes. [ cita requerida ]
El accionamiento se realiza sin ninguna transmisión mecánica. [ cita requerida ] El uso de diafragmas elimina la fricción y la necesidad de lubricantes. [ cita requerida ]
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 requerida ] La relación entre el área de los intercambiadores de calor y el volumen de la máquina aumenta con la implementación de un diseño plano. [ cita requerida ]
El diseño plano del cilindro de trabajo aproxima el proceso térmico de expansión y compresión al isotérmico. [ cita requerida ]
La desventaja es la gran área de aislamiento térmico entre el espacio caliente y el frío. [64]
Los dispositivos termoacústicos son muy diferentes de los dispositivos Stirling, aunque el camino individual recorrido por cada molécula de gas de trabajo sigue un ciclo Stirling real . Estos dispositivos incluyen el motor termoacústico y el refrigerador termoacústico . Las ondas estacionarias acústicas de gran amplitud causan compresión y expansión análogas a un pistón Stirling de potencia, mientras que las ondas viajeras acústicas desfasadas causan desplazamiento a lo largo de un gradiente de temperatura , análogo 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 requerida ]
La NASA ha considerado utilizar 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 Using Stirling TechnologY", y que está diseñado para poder alimentar vehículos y sondas del espacio profundo, 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 la SCTE. Kamen se refiere a ella como un 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 en el interior se expande. El desplazador, por otro lado, está ajustado de manera muy suelta para que el aire pueda moverse libremente entre las secciones caliente y fría del motor a medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo. 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 enfríe. [ cita requerida ]
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 lograr 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 desafiante 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 diferencia de temperatura menor, y la superficie del intercambiador de calor (y el costo) para una salida de 1 kW crece con (1/ΔT) 2 . Por lo tanto, el costo específico de los motores con diferencias de temperatura muy bajas es muy alto. 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 la 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 así para todos los motores de combustión externa, pero el tiempo de calentamiento puede ser más largo para los Stirling que para otros de este tipo, como los motores 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, para ajustarla, a veces se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Por lo general, los cambios en la potencia de salida se logran variando el desplazamiento del motor (a menudo mediante el uso de un cigüeñal con plato oscilante ), o cambiando la cantidad de fluido de trabajo, o alterando el ángulo de fase del pistón/desplazador, o en algunos casos simplemente modificando la carga del motor. Esta propiedad es un inconveniente menor en la propulsión eléctrica híbrida o la generación de servicios públicos de "carga base", donde la potencia de salida constante es realmente deseable.
El gas utilizado debe tener una capacidad calorífica baja , de modo que una cantidad dada de calor transferido conduzca a un gran aumento de la presión. Teniendo en cuenta esta cuestión, el helio sería el mejor gas debido a su capacidad calorífica muy baja. El aire es un fluido de trabajo viable, [72] pero el oxígeno en un motor de aire 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 ese 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, o 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 está limitada a la presión segura del recipiente a presión . Como la mayoría de los aspectos del diseño del motor Stirling, la optimización es multivariable y a menudo tiene requisitos conflictivos. [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 una mayor presión también exige mayores espesores de las paredes del motor, lo que, a su vez, aumenta la resistencia a la transferencia de calor. [ cita requerida ]
A altas temperaturas y presiones, el oxígeno en los cárteres presurizados con 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 una explosión de este tipo. [73] Los lubricantes también pueden obstruir los intercambiadores de calor, especialmente el regenerador. Por estas razones, los diseñadores prefieren materiales no lubricados, de bajo coeficiente de fricción (como rulon o grafito ), con bajas fuerzas normales en las partes móviles, especialmente para sellos deslizantes. Algunos diseños evitan las superficies deslizantes por completo al usar 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 requerida ]
La eficiencia térmica teórica es igual a la del ciclo ideal de Carnot , es decir, la eficiencia más alta alcanzable por cualquier motor térmico. Sin embargo, aunque es útil para ilustrar principios generales, los motores Stirling prácticos se desvían sustancialmente del ideal. [75] [76] 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. [77] [78]
Los motores Stirling no pueden alcanzar las 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 da como resultado una temperatura media de suministro de calor del ciclo termodinámico mayor que la que podría alcanzar cualquier motor Stirling. 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 enormes pérdidas de calor y problemas relacionados con la deformación térmica de los materiales. [ cita requerida ]
Los motores Stirling son capaces de funcionar silenciosamente y pueden utilizar casi cualquier fuente de calor. La fuente de energía térmica se genera fuera del motor Stirling en lugar de mediante combustión interna como en los motores de ciclo Otto o de ciclo diésel . Este tipo de motor está generando actualmente interés como componente central de las microunidades de cogeneración (CHP), en las que es más eficiente y seguro que un motor de vapor comparable. [79] [80] Sin embargo, tiene una baja relación potencia-peso , [81] lo que lo hace más adecuado para su uso en instalaciones estáticas donde el espacio y el peso no son un factor determinante.
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, un enlace cinemático simple puede ser favorecido sobre un mecanismo más complejo necesario para replicar el ciclo idealizado y las limitaciones impuestas por los materiales disponibles, como las propiedades no ideales del gas de trabajo, la conductividad térmica , la resistencia a la tracción , la fluencia , la resistencia a la ruptura y el punto de fusión . Una pregunta que surge a menudo es si el ciclo ideal con expansión y compresión isotérmicas es de hecho 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 acercarse al comportamiento isotérmico y es mucho más realista imaginar estos espacios como adiabáticos . [82] Rallis analizó un análisis ideal en el que los espacios de expansión y compresión se toman como adiabáticos con intercambiadores de calor isotérmicos y regeneración perfecta y lo presentó como un mejor criterio ideal para la maquinaria Stirling. A este ciclo lo denominó «ciclo pseudo-Stirling» o «ciclo Stirling adiabático ideal». Una consecuencia importante de este ciclo ideal es que no predice la eficiencia de Carnot. Otra conclusión de este ciclo ideal es que las eficiencias máximas se encuentran en relaciones de compresión más bajas, una característica observada en máquinas reales. En un trabajo independiente, T. Finkelstein también asumió espacios de expansión y compresión adiabáticos en su análisis de la maquinaria Stirling [83].
El ciclo Stirling ideal es inalcanzable en el mundo real, como ocurre con cualquier motor térmico. La eficiencia de las máquinas Stirling también está vinculada a la temperatura ambiental: se obtiene una mayor eficiencia cuando el clima es más frío, lo que hace que este tipo de motor sea menos atractivo en lugares con climas más cálidos. Al igual que 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 de motores Stirling alimentados con energía solar .
A diferencia de los motores de combustión interna, los motores Stirling tienen el potencial de utilizar fuentes de calor renovables con mayor facilidad, y de ser más silenciosos y más confiables con un menor mantenimiento. Son los preferidos para aplicaciones que valoran estas ventajas únicas, en particular si el costo por unidad de energía generada es más importante que el costo de capital por unidad de potencia. Sobre esta base, los motores Stirling son competitivos en términos de costos hasta aproximadamente 100 kW. [84]
En comparación con un motor de combustión interna de la misma potencia nominal, los motores Stirling actualmente tienen un mayor costo de capital y suelen ser más grandes y pesados. Sin embargo, son más eficientes que la mayoría de los motores de combustión interna. [85] 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%. [84] 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 la biomasa , como los desechos agrícolas y otros desechos , como los desechos domésticos. Sin embargo, los motores Stirling generalmente no son competitivos en precio como un motor de automóvil, debido al alto costo por unidad de potencia y la baja densidad de potencia . [ cita requerida ]
El análisis básico se basa en el análisis de Schmidt de forma cerrada. [86] [87]
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 la calefacción y la refrigeración hasta los sistemas de energía submarina. Un motor Stirling puede funcionar en sentido inverso como una bomba de calor para calentar o enfriar. Otros usos incluyen la cogeneración, la generación de energía solar, los crioenfriadores Stirling, la bomba de calor, los motores marinos, los motores de aviones a escala de baja potencia [90] y los 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 Combined Heat and Power o Micro CHP.
