Introducción

El Motor Stirling objeto de nuestro estudio es un tipo de motor térmico y como tal, genera trabajo mecánico a partir de la diferencia de temperaturas entre dos focos.La actual preocupación medioambiental y la cada vez más acuciante escasez de recursos energéticos de carácter fósil han hecho que se haya rescatado del olvido este genial artilugio como una de las posibles soluciones a tales problemas dados su excepcional rendimiento.

Historia

Robert Stirling fue un clérigo Escocés que, heredando el interés de su padre por laingeniería, diseñó en 1816 un motor térmico que funcionaba sin peligro de las explosiones y quemaduras que tenia la máquina de vapor. Posteriormente sería el francés Sadi Carnot el que hiciera una interpretación teórica de su funcionamiento para comprender el de producir fuerza motriz partiendo del calor que fluye entre dos focos a distinta temperatura.

Si bien en potencia no podía competir con la, famosa por entonces, máquina de vapor, era el motor de Stirling una máquina mucho más sencilla, barata y segura y se aseguró un campo de aplicación allí donde la fuerza no fuera un factor tan decisivo diseñándose así ventiladores y bombas de agua basadas en el principio de la expansión y la compresión del aire.

Principios de funcionamiento

El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar elMedio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posiciónInicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

Ciclo del motor

El motor Stirling en su ciclo ideal es capaz de desarrollar el trabajo máximo posible entre dos focos térmicos a distinta temperatura, conocido como rendimiento de Carnot, pero que a diferencia del ciclo de Carnot poco útil técnicamente, el motor Stirling es capaz de generar trabajo de forma práctica, pudiendo en algunos casos reales llegar al 80% del trabajo máximo obtenible, lo que lo sitúa como una opción ante estos tiempos de necesidad de mayor eficiencia energética y menor contaminación.

Comparación entre el ciclo real y el ideal del motor Stirling

Desde el punto de vista termodinámico el ciclo de un motor Stirling consta de dos procesos isocóricos y de dos isotérmicos.

Rendimiento del motor

La definición de rendimiento para una máquina térmica es:

El trabajo neto será el debido a la expansión y compresión isotérmicas, puesto que durante los procesos isocóricos no se realiza trabajo. Para un gas ideal se calcula como

Donde: Vmin y Vmax son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan TC y TF las temperaturas de las fuentes caliente y fría respectivamente

Definiendo la relación de compresión como r = Vmax / Vmin y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a

Wneto = nR (TC − TF) ln(r)

El gas sólo absorbe calor durante dos etapas: el calentamiento a volumen constante y la expansión isotérmica. Para un gas ideal esto representa

Qabsorbido = nCV (TC − TF) + nRTCln(r)

En la práctica es común el uso de regeneradores, que permiten almacenar el calor cedido por el gas durante el enfriamiento a volumen constante para luego devolverlo al sistema durante el proceso de calentamiento. Si bien ambas cantidades son iguales en módulo, puesto que se tratan de procesos isocóricos entre las mismas dos temperaturas, el regenerador no es perfecto y parte de esa energía se pierde. Definiendo su eficiencia como

ηR = Qdevuelto / Qcedido, se obtiene

Qabsorbido = (1 − ηR) nCV (TC − TF) + nRTCln(r).

Finalmente el rendimiento total de la máquina resulta

.

En la medida que el funcionamiento del regenerador se acerca al caso ideal, el rendimiento del ciclo se aproxima al del ciclo de Carnot

Tipos de motores

Motor Alfa

Este tipo de motor no utiliza desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos.

Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.

Uno de los cilindros se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua.

El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.

Motor beta

Es el motor original de Stirling. Consta de un cilindro con una zona caliente y otra fría. En el interior del cilindro está el desplazador. Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, y existe una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del gas.

Motor gamma

Es derivado del motor beta, pero más sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en el otro el pistón de potencia

Construcción del motor

Materiales

Una jeringa de vidrio de 20 cc. Un tubo de ensayo. Un mechero con aceite de quemar. Manguera de suero. 4 o 5 Canicas (rodamientos), que

quepan en el interior del tubo de ensayo.

Un trozo de tabla Corcho de goma Masilla. Un par de largos tornillos (mas de

3 cm), y un par de tuercas donde atornillarlos.

Procedimiento para la construcción

Corta del trozo de la tabla de unos 30 cm aprox. De al tabla de madera corta dos trocitos de 15 cm y dos de 10 cm y, con un

taladro hazle agujeros espaciados con 1,5 cm

En la base de madera, a unos 12 cm de la cara trasera, hazle unos bordes que te permitan poner de manera vertical los palitos de madera, es decir, de unos 1,5x1,5 cm.

En la base de madera, a un centímetro aproximadamente desde la la cara frontal, hazle un agujero (con un taladro) por donde puedas pasar la manguera de suero. Y a unos 3 cm desde la misma cara una abertura para que entre la jeringa pero con cuidado que no atraviese por completo la madera (pues no queremos que la jeringa se caiga).

Al corcho de goma hazle un agujero, sobre su eje, por el que puedas pasar el trocito de tubo metálico.

Une el anillo de aluminio al tubo de ensayo y adhiérele unos trozos de metal (dos remaches o clavos de 2 pulgadas) para que sirvan de eje de rotación para el tubo de

ensayo. Y al primer agujero de cada uno de los palitos de 10 cm ponle una tuerca que sirva de soporte para el eje de giro que tiene el anillo.

Corta un trozo de 2 pulg. por 15 cm de madera. y hazle un agujero para que pase la jeringa.

Atornilla en los bordes que hiciste en la base los dos palitos de madera de 15 cm de largo.

Ponle unas 5 canicas al tubo de ensayo y ciérralo con el corcho, luego, al tubo de metal que sale por el interior del corcho, únele la manguera de suero la que, luego de pasarla a través del agujero de la base, deberás unir a la jeringa (estando esta sin aire en su interior).

El tubo de ensayo se posará sobre la jeringa, pero a causa del movimiento éste se desliza hacia los costados, para solucionar ese problema haz un "soporte" con la masilla para que el tubo no tenga un desplazamiento horizontal. (En la figura el soporte se ve en amarillo).

Arma el sistema como se ve en la figura.

Aplicaciones

Muchos piensan que este motor murió cuando salió el motor de Otto y diesel pero esto es erróneo ya que hoy en día se utiliza motores Stirling para:

Submarinos: el Stirling es la base de la propulsión de algunos submarinos pues permiten recargar las baterías a altas profundidades, al contrario que el tradicional motor diesel, que exige subir a altura de periscopio para realizar esa operación.

Yates: existe un tipo específico de motor Stirling que es especialmente diseñado para yates.

Enfriadoras: una de las características del motor Stirling es que es un ingenio reversible, es decir, puede ser usado como motor aplicándole calor de forma que genera movimiento, o puede ser usado como máquina, consiguiendo producir frío y calor cuando se le aplica movimiento mecánico mediante un motor exterior. Diseñando el artefacto Stirling de la manera correcta, se pueden llegar a alcanzar los 10º K. - es decir, -263º C - y se usan en aparatos de alta tecnología.

Y se está pensando que colocar estos motores en autos híbridos

Ventajas y desventajas

Ventajas:

Su elevado rendimiento, ya que el motor Stirling puede potencialmente alcanzar el rendimiento ideal de Carnot.

Posee una baja cantidad de elementos móviles, sobre todo en comparación con los motores de combustión interna, lo que permite pérdidas de rendimiento por fricción muy bajas.

El hecho que el ciclo en la realidad sea cerrado hace que potencialmente se puedan obtener niveles muy bajos de emisiones.

Dado que es un motor de combustión externa el proceso de combustión se puede controlar muy bien, con lo que se reducen las emisiones.

Como intercambia calor con el exterior, se pueden utilizar una gran cantidad de fuentes de calor, como por ejemplo energía nuclear, energía solar y combustibles fósiles, entre otras.

El bajo nivel de ruido y la ausencia de vibraciones con que opera.

Desventajas:

Baja densidad de potencia debido a la combustión externa, lo que condiciona su tamaño.

Dificultad en la construcción del motor para sellar el fluido de trabajo durante toda la vida útil, lo que eleva su costo.

Falta de experiencia en la construcción de este tipo de motores en el rubro automotriz.

Como el fluido de trabajo es gaseoso, esto acarrea dificultades operativas, con lo que los fluidos realmente viables debido a sus buenas propiedades termodinámicas son el helio y el hidrógeno.

Lento tiempo de respuesta. Se requieren grandes superficies de intercambios de calor, lo que hace

aumentar desmesuradamente su tamaño en comparación con los motores de combustión interna.

Largo tiempo de encendido y apagado del motor.

 Conclusiones

Bibliografía

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling http://zeth.ciencias.uchile.cl/tallerdefisica/pagexp/motorstirlingA.html http://mstirling.wordpress.com/ http://www.todomotores.cl/motores-stirling.htm http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm video: http://www.youtube.com/watch?v=STtCgj--DSg&feature=related video: http://www.youtube.com/watch?v=u16ZtdX3xbk (parte 1) video: http://www.youtube.com/watch?v=mgl6HotI9nk&feature=related (parte

2) imágenes: google imágenes motor stirling