Motor Stirling

Descripción del funcionamiento[editar · editar código]

Artículo principal: Ciclo Stirling.

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. El ciclo teórico Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto, además el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos, mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales, conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión.

Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante)

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 contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.

Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones.

Rendimiento del ciclo[editar · editar código]

La definición de rendimiento para una máquina térmica es:

\eta = \frac{W_{\rm neto}}{Q_{\rm absorbido}}

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

W_{\rm neto} = n R T_C \ln \left( \frac{V_{\rm max}}{V_{\rm min}} \right) + n R T_F \ln \left( \frac{V_{\rm min}}{V_{\rm max}}\right)

donde V_{\rm min} y V_{\rm max} son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan, y T_C, T_F las temperaturas de las fuentes caliente y fría respectivamente. Definiendo la relación de compresión como r=V_{\rm max}/V_{\rm min} y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a

W_{\rm neto} = n R (T_C-T_F) \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

Q_{\rm absorbido} = n C_V (T_C-T_F) + n R T_C \ln(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 \eta_R = Q_{\rm devuelto}/Q_{\rm cedido}, se obtiene

Q_{\rm absorbido} = (1-\eta_R) n C_V (T_C-T_F) + n R T_C \ln(r).

Finalmente el rendimiento total de la máquina resulta

\eta = \frac{n R (T_C-T_F) \ln (r)}{(1-\eta_R) n C_V (T_C-T_F) + n R T_C \ln(r)}.

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

\eta \ \xrightarrow[\eta_R \rightarrow 1]{}

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