Motor Stirling, Dispositivo Termodinámico Regenerativo

Motor Stirling, Dispositivo Termodinámico Regenerativo

Índice

1. Introducción
2. Historia.
3. Principios de funcionamiento.
4. Objetivos
5. Tipos de motores de aire caliente.
6. Aplicaciones pasadas, actuales y futuras.
7. Ciclo Stirling diagrama P-V
8. Construcción de un motor gamma Stirling.
9. Datos experimentales.

1. Descripción del experimento.
2. Materiales e instrumentos.
3. Procedimiento.

1. Conclusiones y bibliografía.

1. Introducción.

En 1816 el reverendo escocés Robert Stirling inventó un motor que funcionaba a base de cambios de temperatura, con el objetivo de crear movimiento con un sistema menos peligroso que la maquina de vapor. Dicho motor es nombrado con su apellido, el motor Stirling. Su funcionamiento se basa en la expansión y compactación de un gas debido a los cambios de temperatura que sufre. El gas, compactado en un cilindro, cambiará de volumen al sufrir cambios de temperatura, y eso moverá a los pistones hacia adentro o hacia afuera, creando movimiento.

Este motor es uno de los sistemas mas sencillos para crear cinemática, sin embargo, es una de las máquinas potencialmente mas eficientes que existen, de acuerdo con el coeficiente de rendimiento de Carnot. El único problema que tiene es que, aun cuando es muy eficiente, la potencia que llega a imprimir es muy baja. Lo normal en estos motores es que la diferencia entre la temperatura que calienta el gas y la temperatura que lo enfría no sea mayor a los 5º C, ya que existe una fuente de calor en la parte baja del recipiente, y el enfriamiento es a base de la temperatura que haya en el resto del recipiente, mas no necesariamente con una fuente que absorba el calor mas haya de las paredes del mismo tanque. Esto quiere decir que si existirá el cambio de volumen en el gas, pero la presión que este cambio de volumen ejerza no es suficiente como para mover grandes cosas que requieran mucha potencia. También es un hecho que entre menor sea el volumen, mejor se comportará el motor.

[pic 1]

1. Historia.

El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo de origen escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

[pic 2]

Reverend Dr Robert Stirling

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico.

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, etcétera).

Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan este principio, incluso algunos con base acústica.

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 mas población dispersa.

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.

[pic 3]

Diseño de un Motor Stirling tipo Rombic Beta.

1. Descripción del funcionamiento.           

Una maquina Stirling es un dispositivo termo regenerativo que opera un fluido entre dos temperaturas (foco frio y foco caliente).

En el motor Stirling un gas está confinado en una cámara cerrada, no sale al ambiente. El gas se desplaza de un extremo a otro de la cámara, cuando está en un extremo, una fuente de calor externa lo calienta; esto hace que se expanda y así se produce la fuerza del motor. Una vez que alcanza su máxima expansión, el gas se traslada al otro extremo de la cámara, donde se enfría, lo que provoca que se comprima. Después se lleva nuevamente al extremo caliente para iniciar un nuevo ciclo. Un tambor desplazador mueve el gas entre los dos extremos de la cámara y otro dispositivo, el pistón de potencia, aprovecha la expansión para producir la fuerza del motor.

La modelización del ciclo termodinámico del motor Stirling es isotérmico

Al variar las temperaturas u no los fluidos se introduce el concepto de regeneración.

Este hecho permite que el fluido motor, una vez se ha expandido, permanece a la misma temperatura que antes de la expansión, lo que permite la introducción del concepto de regenerador.

Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno frío, se cumple que el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a su calentamiento, lo que permite introducir un elemento que almacene el calor cuando una vez expandido el fluido debe operar a temperatura baja, para después de la compresión volver a absorber dicho calor para pasar a la cámara caliente donde se expansionara.

El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir de cuatro procesos cíclicos consecutivos: aporte de calor, expansión con el aporte de calor de la fuente de calor, extracción de calor hacia un acumulador térmico regenerativo y compresión con extracción de calor hacia el foco frío.

En seguida se muestra el esquema conceptual de un motor Stirling donde el fluido esta confinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio, dividiendo el espacio, se dispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo condiciona para adecuarlo a la temperatura de la cámara en que se encuentra. A un lado se dispone la cámara de compresión, a temperatura baja, y en el otro la cámara de expansión, a temperatura alta.

Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica

[pic 4]

El proceso al que se somete el fluido descrito en la figura consta de cuatro pasos:

1. La totalidad del fluido se encuentra a baja temperatura en la cámara fría, por lo que el volumen de esta cámara es máximo, mientras que la cámara caliente esta a volumen mínimo.

Evolución 1-2. Se produce un proceso de compresión isotérmica en la cámara fría, por consiguiente debe extraerse calor.

1. El fluido sigue en la cámara fría, el volumen es mínimo para el fluido, pero intermedio para el mecanismo. La cámara caliente continua a volumen mínimo.

Evolución 2-3. Se produce el trasvase del fluido de la cámara fría a la caliente de forma isocórica. El fluido atraviesa el regenerador, que le aporta calor para alcanzar temperatura alta, entrando de este modo, en la cámara caliente a su propia temperatura.

1. Todo el volumen está en la cámara caliente con volumen mínimo para el fluido, siendo el volumen del mecanismo volumen intermedio para la cámara caliente, mientras que la fría a pasado a tener volumen mínimo, es decir, nulo.

Evolución 3-4. Expansión isotérmica en la cámara caliente, por consiguiente debe aportarse calor.

1. La cámara caliente y el fluido están a volumen máximo, y mientras que la cámara fría sigue a volumen mínimo.

Evolución 4-1. Se produce el trasvase de fluido de la cámara caliente a la fría de forma isocórica. El fluido atraviesa el regenerador y lo calienta, acumulándose el calor que volverá a recibir el fluido nuevamente en la evolución 2-3.

Resumen del funcionamiento

• El motor Stirling es un motor exotérmico, es decir, que su combustión es externa.
• La idea del ciclo Stirling fue alternando aire caliente y frío en un cilindro usando brazos mecánicos articulados y un volante para lograr que el motor funcione en un suave e interminable ciclo.
• Los motores térmicos transforman un flujo de calor en trabajo mediante una serie de procesos termodinámicos que realizan de forma continuada sobre un fluido motor. En conjunto estos procesos forman un ciclo termodinámico. Un ciclo termodinámico es una evolución cíclica de procesos térmicos dentro de un intervalo de temperaturas.
• El funcionamiento de los motores térmicos esta caracterizado por la temperatura máxima y mínima entre las que opera el fluido motor, así como la rapidez con que es capaz de realizar el ciclo, cuestión que definirá su potencia.
• En los motores Stirling la composición del fluido no cambia y es reutilizable, además funcionan mediante un ciclo de transferencia de energía de calor, con el cual se puede aprovechar gases energía solar y fisión nuclear a diferencia de motores endotérmicos.

1. Objetivos.

• Construir una maquina térmica Stirling y hacerla funcionar con materiales comunes.
• Determinar las ventajas y desventajas del motor Stirling
• Determinar la importancia de un regenerador

1. Tipos de Motores Stirling.

El Motor Stirling en si no es un diseño fijo. Es mas bien un concepto de cómo la energía térmica se convierte en energía mecánica al cambiar la temperatura de un gas, pero existe una variedad de diseños posibles. Los dos mas comunes son el Motor Stirling tipo Alpha, y el Motor Stirling tipo Beta, y un tercero, no tan utilizado, el Motor Stirling tipo Gamma.

...