Un motor Stirling es un tipo de motor térmico que convierte energía térmica en energía mecánica mediante la expansión y contracción de un gas (normalmente helio o hidrógeno) dentro de un ciclo cerrado. Este motor de combustión externa funciona con cualquier fuente de calor, como combustibles fósiles, energía solar o calor residual, y es conocido por su alta eficiencia si se los compara con los motores de vapor. Estas ventajas están haciendo que vuelva a haber interés este tipo de motores, y en su aplicación a sistemas captadores de energías renovables.
El rendimiento del ciclo de este motor es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos. El ciclo consta de dos transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante):
- Compresión de gas frío. El gas en el motor se comprime a baja temperatura.
- Calentamiento del gas. El gas comprimido se mueve a un área caliente, expandiéndose y realizando trabajo.
- Expansión del gas caliente. El gas expandido se enfría y se mueve a otra área del motor.
- Enfriamiento del gas. El gas se comprime nuevamente a baja temperatura, cerrando el ciclo.
Existe un elemento adicional al motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. El regenerador es un intercambiador de calor interno que tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador consiste en un medio poroso con conductividad térmica despreciable que divide al motor en la zona caliente y la zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.
En el esquema anterior se ven los componentes básicos:
- Dos cilindros: uno caliente y uno frío.
- Dos pistones: uno en cada cilindro.
- Intercambiador de calor (regenerador): colocado entre los dos cilindros, transfiere calor entre los gases en movimiento.
Lógicamente, se necesita también una fuente de calor, que puede ser alcohol en combustión. El combustible se quema en un quemador externo para proporcionar calor durante la fase de calentamiento del gas. El calor generado por la combustión se transfiere al cilindro caliente del motor. El gas situado en el cilindro caliente se calienta, se expande y realiza trabajo sobre el pistón, generando energía mecánica. El gas caliente se enfría, se comprime en el cilindro frío, y el calor del quemador calienta el gas nuevamente, permitiendo la continuidad del ciclo, cuyas etapas son:
- Compresión del gas frío:
El pistón en el cilindro frío se mueve hacia abajo, comprimiendo el gas a temperatura baja. Se requiere trabajo mecánico, pero este trabajo es proporcionado en la fase de expansión. - Calentamiento del gas:
El gas comprimido se mueve al cilindro caliente, pasando por el regenerador. En el regenerador, el gas se calienta. - Expansión del gas caliente:
El pistón en el cilindro caliente se mueve cuando el gas caliente se expande. Este movimiento realiza trabajo útil, generando energía mecánica. La expansión aumenta el volumen y disminuye la presión del gas en el cilindro caliente - Transferencia de gas enfriado:
Después de la expansión, el gas se desplaza nuevamente a través del regenerador, transfiriendo calor residual y enfriándose antes de regresar al cilindro frío. El pistón en el cilindro frío está sincronizado con el pistón en el cilindro caliente. Cuando el pistón caliente se mueve hacia la izquierda (expansión), el pistón frío se mueve hacia arriba (compresión). Este movimiento crea un diferencial de presión que empuja el gas caliente a través del regenerador hacia el cilindro frío. - Refrigeración del gas:
En el cilindro frío, el gas pierde más calor y se enfría aún más, completando el ciclo.
Por tanto, el movimiento del gas en un motor Stirling se debe a la acción coordinada de los pistones y al diferencial de presión generado por los cambios de temperatura del gas.
Los gases
Los gases utilizados en los motores Stirling se eligen en función de sus propiedades térmicas y de transferencia de calor.
Uno de los más convenientes es el helio, gas noble con una alta conductividad térmica y baja viscosidad, lo que lo hace muy eficiente para transferir calor. Además, no reacciona químicamente con los materiales del motor, lo que mejora su durabilidad y seguridad. Su uso es común en aplicaciones de alta eficiencia y en sistemas que requieren un rendimiento consistente a largo plazo.
También es muy adecuado el hidrógeno porque tiene la mayor conductividad térmica de todos los gases y una baja densidad, lo que lo convierte en un excelente fluido de trabajo para este tipo de motores. Su alta conductividad térmica permite una transferencia de calor rápida y eficiente, lo que puede aumentar la eficiencia del motor. Sin embargo, el hidrógeno es altamente inflamable, lo que puede presentar riesgos de seguridad y requiere medidas adicionales de manejo y contención.
El nitrógeno es otra buena elección porque es inerte, no inflamable y relativamente fácil de disponer de él, lo que lo hace una opción segura y económica. Aunque su conductividad térmica no es tan alta como la del helio o el hidrógeno, el nitrógeno se utiliza en aplicaciones donde la seguridad y el costo son consideraciones importantes.
Pero, si no se dispone de estos gases,se puede recurrir al aire, que es es fácilmente disponible y económico, lo que lo convierte en una opción práctica para motores Stirling de baja potencia a pesar de que tiene una menor conductividad térmica que el helio y el hidrógeno.
En general, los motores que utilizan hidrógeno requieren medidas adicionales de seguridad debido a la naturaleza inflamable del hidrógeno. El helio, siendo un gas noble y no inflamable, es más seguro pero más costoso. Frente a esas desventajas, ambos tienen una: su alta conductividad térmica. En cambio, el aire y el nitrógeno son más económicos y fáciles de manejar, pero ofrecen menor eficiencia. La elección del gas también puede depender de la aplicación específica del motor, como en sistemas de energía solar, generación de energía submarina, o sistemas de refrigeración.
Un invento de hace dos siglos
El motor Stirling fue inventado por el cura escocés Robert Stirling. El diseño de Stirling se centraba en crear una máquina más eficiente y segura que las calderas de vapor de la época, que eran propensas a explosiones peligrosas. Su motor utilizaba un ciclo térmico cerrado y gases como helio o hidrógeno para generar movimiento a partir de fuentes de calor externas. Esta innovación permitió el desarrollo de aplicaciones más seguras y diversas en el campo de la generación de energía y la propulsión.
Un recurso escolar
El motor Stirling puede ser un excelente recurso para enseñar Termodinámica en la escuela, ya que ilustra varios principios fundamentales. Aquí hay algunos aspectos clave que se pueden abordar:
Ciclo termodinámico
El motor Stirling opera mediante un ciclo termodinámico cerrado, que incluye procesos de compresión y expansión isotérmica y procesos de transferencia de calor a volumen constante. Los estudiantes pueden analizar este ciclo en detalle y compararlo con otros ciclos termodinámicos, como el ciclo de Carnot.
Eficiencia térmica
El motor Stirling se acerca a la eficiencia máxima teórica de un ciclo de Carnot, lo que lo convierte en un excelente ejemplo para discutir la segunda ley de la termodinámica y el concepto de eficiencia térmica. Los estudiantes pueden calcular la eficiencia teórica y real del motor.
Transferencia de calor
El motor Stirling utiliza un intercambiador de calor para transferir energía térmica al gas de trabajo. Esto proporciona una oportunidad para discutir los principios de transferencia de calor, incluidos los mecanismos de conducción, convección y radiación.
Gas ideal y procesos isotérmicos
Los motores Stirling suelen usar gases ideales, lo que permite explorar las leyes de los gases ideales y los procesos isotérmicos e isocóricos. Los estudiantes pueden analizar cómo se comportan estos gases bajo diferentes condiciones y cómo se aplica esto en el motor.
Aplicaciones prácticas
Discutir las aplicaciones prácticas del motor Stirling, como en generadores de energía a partir de fuentes de calor residual, energía solar, y en submarinos, permite a los estudiantes entender la relevancia de la termodinámica en la ingeniería y la tecnología moderna.
Ejemplo de clase práctica
- Introducción teórica. Explicar el funcionamiento del motor Stirling y su ciclo termodinámico.
- Análisis matemático. Resolver problemas sobre el ciclo Stirling, calculando la eficiencia y el trabajo neto.
- Experimento de laboratorio. Utilizar un modelo de motor Stirling para medir temperaturas, volúmenes y presiones en diferentes etapas del ciclo.
- Discusión y comparación. Comparar el ciclo Stirling con otros ciclos (Otto, Diesel, Carnot) y discutir ventajas y desventajas.
Este enfoque no solo refuerza los conceptos teóricos, sino que también proporciona una visión práctica de cómo se aplican estos principios en el mundo real.
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