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.

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