El motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, un cura escocés. El objetivo era conseguir un motor menos peligroso que la máquina de vapor.
El funcionamiento del motor Stirling se basa en la expansión y contracción de un gas que puede ser helio, hidrógeno, nitrógeno o aire. A este gas se le obliga a desplazarse cíclicamente de una fuente fría donde se contrae a una fuente caliente donde se expande. Se considera como un motor térmico (motor termodinámico) debido a la presencia de un gradiente de temperaturas entre las dos fuentes térmicas.
Originariamente, el motor Stirling se concibió como un motor principal industrial para competir con la máquina de vapor, pero en la práctica, durante más de un siglo sólo se usó para aplicaciones domésticas y para motores de baja potencia.
Actualmente, aún se investiga el desarrollo. El hecho de que sólo necesite una fuente de calor externa le da una gran versatilidad ya que este hecho le da la posibilidad de poder utilizar muchas fuentes de energía para su funcionamiento. La fuente de energía de un motor Stirling más relevante para nosotros es la energía solar térmica, aunque también se puede utilizar todo tipo de combustibles, biomasa, energía geotérmica y otras.
Funcionamiento de un motor Stirling
Un motor Stirling es un aparato mecánico que funciona en un ciclo regenerativo termodinámicamente «cerrado», con compresión cíclica y expansión cíclica del fluido de trabajo a diferentes niveles de temperatura.
El motor es un motor térmico que funciona a través de un ciclo de compresión y expansión de un gas. Se utilizan dos niveles de temperatura que hace que haya una conversión neta de de energía térmica en trabajo mecánico.
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 con el gas de trabajo se hacen a través de la pared del motor. En cambio, en un motor de combustión interna la entrada de calor se hace por la combustión de una combustible dentro del cuerpo del fluido de trabajo.
A diferencia de un motor de vapor el motor Stirling cierra una cantidad fija de fluido en estado permanentemente gaseoso como es el aire. En cambio, en el motor de vapor el fluido de trabajo sufre un cambio de fase de líquido a gas.
Como es típico en los motores térmicos, el ciclo general consiste en comprimir el gas frío, calentar el gas, expandir el gas caliente, y finalmente enfriar el gas antes de repetir el ciclo. La eficiencia del proceso queda muy restringida por la eficiencia del ciclo de Carnot, que depende de la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el frío.
El motor Stirling se caracteriza por su alta eficiencia en comparación con las máquinas de vapor, un funcionamiento silencioso, y la facilidad con que se puede utilizar casi cualquier fuente de calor. Esta compatibilidad con las fuentes de energía alternativas y renovables ha sido cada vez más importante a medida que subía el coste de los combustibles convencionales, y también a la luz de las preocupaciones, como el pico de producción de petróleo ya pasado y el cambio climático . Este motor es actualmente de interés como núcleo de las unidades microcombinades de calor y energía, es decir de cogeneración, en las que es más seguro y eficiente que una energía de vapor.
Listado de los diferentes tipos de Motor Stirling
1.- Motores tipo alfa
Diseñado por Rider, en EEUU, funciona bajo el mismo principio termodinámico pero no usa desplazador, a diferencia del motor de la patente original de Stirling.
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.
2.- Motores tipo beta
Como el primero realizado por Stirling, con el pistón de potencia concéntrico al desplazador y en el mismo cilindro.Consta de un cilindro, con una zona caliente mediante un mechero de gas, alcohol etc. y una zona fría, refrigerada por aletas, agua etc.
Mediante un cigüeñal especial el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione.
Desde el punto de vista termodinámico es el motor más eficaz, pero su construcción es complicada ya que el pistón debe de tener dos bielas y permitir el paso del vástago que mueve el desplazador.
Los motores pequeños no suelen llevar regenerador, tan solo una holgura de algunas décimas de milímetro entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire; los grandes, en cambio, suelen llevar un regenerador externo por el que debe pasar el aire en su camino de la zona fría a la caliente y viceversa
3.- Motores tipo gamma
Es una variante del tipo beta, con idénticos sistemas para calentar y enfriar, pero de construcción más sencilla, similar al de un motor de motocicleta.
Consta de dos cilindros separados en uno se sitúa el desplazador y en otro el pistón de potencia.
El pistón y el desplazador se mueven desfasados 90 grados, lo cual se consigue mediante el cigüeñal adecuado.
Desde el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el tipo beta, puesto que la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.
4.- Motores especiales
4.1.- Motor Ringbom
En 1905 Ossian Ringbom patentó un motor cuyo desplazador se movía por una combinación de las variaciones internas de la presión en el motor y la fuerza de la gravedad. La simplicidad de este mecanismo es asombrosa aunque en su tiempo no tuvo gran éxito puesto que al necesitar de la fuerza de la gravedad para mover el desplazador, la velocidad del motor no era muy elevada.
Posteriormente los investigadores que trabajaron con este tipo de motor, descubrieron que con pequeñas modificaciones sobre la patente original de Ringbom podía realizarse un motor igual de sencillo y a su vez tan rápido con cualquiera de los tipos clásicos de motores de Stirling.
4.2.- Motor de pistón líquido
El motor de pistón líquido es una variable del motor Stirling. Está formado por dos tubos en forma de U rellenos de líquido, el de la izquierda actúa como desplazador y el de la derecha actúa como pistón de potencia.
4.3.- Motor tipo pistón libre
Ideados para aplicaciones donde no se necesita transmitir potencia a un eje giratorio, como en el caso de un compresor de aire, una bomba de agua, o un generador eléctrico con alternador lineal.
Todos ellos pueden ser accionados por un motor de ciclo Stirling en el que no solamente el desplazador se mueva libremente sino que también el pistón lo haga.
Estos sencillos motores se han construido para funcionar varios años sin ningún tipo de mantenimiento.
Futuro de los motores Stirling y aplicaciones
En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento.
Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica.
Es de esperar que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran escala unidades pequeñas de ese mismo tipo, (con disco solar) como por ejemplo con capacidad de producir unos 200 a 400 kWh al mes (equipos de 1 a 2 kW de potencia aproximadamente); especialmente para los países situados entre los trópicos, pues en estas zonas la cantidad de radiación solar es grande a lo largo de todo el año y a su vez es la región donde hay más población dispersa.
Ventajas y Desventajas de un Motor Stirling
VENTAJAS
1.- A nivel alimentación:
Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas: energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etc.
2.- Por su rendimiento:
El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, de hecho teóricamente lo alcanza, por lo que en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción.
3.- A nivel medioambiental:
Se puede usar un proceso de combustión continua, por lo cual se pueden reducir la mayor parte de las emisiones (NOx, hollines, hidrocarburos, …)
4.- Por su sencillez:
La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco frío, y por tanto necesitan menos lubricación y duran más que otras maquinas alternativas. Además, los mecanismos son más sencillos que otras maquinas alternativas, no necesitando válvulas, el quemador puede simplificarse y en algunos casos, las bajas presiones, permiten usar cilindros ligeros.
5.- Por seguridad:
Una maquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión. En comparación una máquina de vapor usa agua en estados líquido y vapor, por lo que un fallo en una válvula puede provocar una explosión peligrosa.
6.- Por su buena respuesta a las bajas temperaturas:
Arrancan con facilidad, si bien despacio y después de un calentamiento inicial. Funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de combustión interna, que arrancan con facilidad en temperatura templada pero con problemas en temperaturas frías.
7.- Por su versatilidad:
Se pueden construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio.
Se pueden usar para bombear agua, pudiendo diseñarse para utilizar el agua como refrigerante del foco frío, (a menor temperatura del agua mejor funcionamiento)
Son extremadamente flexibles pudiéndose utilizar para cogeneración en invierno y como refrigeración en verano.
DESVENTAJAS
1.- Elevado coste:
Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que contienen el fluido de trabajo a alta temperatura, y deben soportar los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera. Esto supone el uso de materiales que encaren notablemente la máquina.
2.- Gran tamaño:
Si el motor trabaja con pequeños diferenciales térmicos son muy grandes, por culpa de los intercambiadores. Aumentar la diferencia de temperatura o la presión permite motores más pequeños.
La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica. Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños compactos.
3.- Encendido lento:
Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, primero tiene que calentarse.
4.- Tipo de respuesta:
Su mejor uso es en aplicaciones que requieran una velocidad constante. Para ajustar el funcionamiento de un motor Stirling se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Esto generalmente se consigue con un desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo. Esta característica es menos crítica en el caso de motores de propulsión híbrida eléctrica o en la producción de electricidad de base de carga, donde esa producción constante es deseable.
5.- Fluido a emplear:
El hidrógeno por su baja viscosidad, alto calor especifico y conductividad térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de fluidos; sin embargo, presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales, además de ser inflamable.
Generalmente se usa helio, que tiene propiedades semejantes al hidrógeno y es más seguro, al ser inerte. Otra opción es usar aire comprimido. Éste presenta riesgo de explosión, por la presencia de oxígeno, por lo cual, la alternativa es eliminarlo por combustión o usar nitrógeno.