Motor Stirling

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Diseño de un Motor Stirling tipo Rombic Beta.

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.

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.

Artículo principal: Ciclo Stirling

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)

Descripción del funcionamiento

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, reventando el regenerador.

Puede emplear 1, 2, 3 o más pistones.

Rendimiento del ciclo

La definición de rendimiento para una máquina térmica es: $\eta = \frac{W_{neto}}{Q_{absorbido}}$

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

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

donde V_min y V_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_max / V_min y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a

W_neto = nR(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_absorbido = nC_V(T_C − T_F) + nRT_Cln(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 η_R = Q_devuelto / Q_cedido, se obtiene

Q_absorbido = (1 − η_R)nC_V(T_C − T_F) + nRT_Cln(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 $\eta \xrightarrow[\eta_R \rightarrow 1]{} 1 - \frac{T_F}{T_C}$

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Motor Stirling. Commons
• Funcionamiento del motor Stirling
• Proyecto Distal y EuroDISH de la Plataforma Solar de Almería
• Información sobre motores Stirling: historia, tipos, funcionamiento, construcción, etc. (en inglés)