Cómo funcionan los motores Stirling

Foto cortesía de American Stirling Company. Este motor puede funcionar usando solo el calor de su mano. Ver fotos de motores.

El motor Stirling es un motor térmico que es muy diferente del motor de combustión interna de su automóvil. Inventado por Robert Stirling en 1816, el motor Stirling tiene el potencial de ser mucho más eficiente que un motor de gasolina o diesel. Pero hoy en día, los motores Stirling se utilizan solo en algunas aplicaciones muy especializadas, como en submarinos o generadores de energía auxiliares para yates, donde el funcionamiento silencioso es importante. Aunque no ha habido una aplicación exitosa para el mercado masivo del motor Stirling, algunos inventores de muy alta potencia están trabajando en él..

Un motor Stirling utiliza el Ciclo de Stirling,- que es diferente a los ciclos utilizados en los motores de combustión interna.

• Los gases utilizados dentro de un motor Stirling nunca salen del motor. No hay válvulas de escape que ventilen gases a alta presión, como en un motor de gasolina o diésel, y no se producen explosiones. Debido a esto, los motores Stirling son muy silenciosos..
• El ciclo de Stirling utiliza una fuente de calor externa, que puede ser cualquier cosa, desde gasolina hasta energía solar y el calor producido por las plantas en descomposición. No se produce combustión dentro de los cilindros del motor..

Hay cientos de formas de armar un motor Stirling. En este artículo, aprenderemos sobre el ciclo Stirling y veremos cómo funcionan dos configuraciones diferentes de este motor..

Contenido

1. El ciclo de Stirling
2. Motor Stirling tipo desplazador
3. Motor Stirling de dos pistones
4. ¿Por qué los motores Stirling no son más comunes??

El principio clave de un motor Stirling es que una cantidad fija de gas está sellada dentro del motor. El ciclo de Stirling implica una serie de eventos que cambian la presión del gas dentro del motor, lo que hace que funcione..

Hay varias propiedades de los gases que son fundamentales para el funcionamiento de los motores Stirling:

• Si tiene una cantidad fija de gas en un volumen fijo de espacio y aumenta la temperatura de ese gas, la presión aumentará.
• Si tiene una cantidad fija de gas y lo comprime (disminuye el volumen de su espacio), la temperatura de ese gas aumentará.

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Repasemos cada parte del ciclo Stirling mientras miramos un motor Stirling simplificado. Nuestro motor simplificado utiliza dos cilindros. Un cilindro se calienta con una fuente de calor externa (como el fuego) y el otro se enfría con una fuente de enfriamiento externa (como el hielo). Las cámaras de gas de los dos cilindros están conectadas, y los pistones están conectados entre sí mecánicamente mediante un enlace que determina cómo se moverán entre sí..

Hay cuatro partes en el ciclo de Stirling. Los dos pistones de la animación anterior cumplen todas las partes del ciclo:

1. Se agrega calor al gas dentro del cilindro calentado (izquierda), lo que hace que se acumule presión. Esto obliga al pistón a moverse hacia abajo. Esta es la parte del ciclo de Stirling que hace el trabajo.
2. El pistón izquierdo se mueve hacia arriba mientras que el pistón derecho se mueve hacia abajo. Esto empuja el gas caliente hacia el cilindro enfriado, que rápidamente enfría el gas a la temperatura de la fuente de enfriamiento, reduciendo su presión. Esto facilita la compresión del gas en la siguiente parte del ciclo..
3. El pistón del cilindro refrigerado (derecha) comienza a comprimir el gas. El calor generado por esta compresión es eliminado por la fuente de enfriamiento..
4. El pistón derecho se mueve hacia arriba mientras que el izquierdo se mueve hacia abajo. Esto obliga al gas a entrar en el cilindro calentado, donde se calienta rápidamente, aumentando la presión, momento en el que el ciclo se repite..

El motor Stirling solo genera energía durante la primera parte del ciclo. Hay dos formas principales de aumentar la potencia de salida de un ciclo Stirling:

• Aumente la potencia de salida en la etapa uno - En la primera parte del ciclo, la presión del gas calentado que empuja contra el pistón realiza el trabajo. El aumento de la presión durante esta parte del ciclo aumentará la potencia de salida del motor. Una forma de aumentar la presión es aumentando la temperatura del gas. Cuando echemos un vistazo a un motor Stirling de dos pistones más adelante en este artículo, veremos cómo un dispositivo llamado regenerador puede mejorar la potencia de salida del motor almacenando temporalmente calor.
• Disminuya el uso de energía en la etapa tres - En la tercera parte del ciclo, los pistones realizan un trabajo sobre el gas, utilizando parte de la energía producida en la primera parte. Bajar la presión durante esta parte del ciclo puede disminuir la potencia utilizada durante esta etapa del ciclo (aumentando efectivamente la potencia de salida del motor). Una forma de disminuir la presión es enfriar el gas a una temperatura más baja..

Esta sección describe el ciclo ideal de Stirling. Los motores de trabajo reales varían ligeramente el ciclo debido a las limitaciones físicas de su diseño. En las dos secciones siguientes, veremos un par de tipos diferentes de motores Stirling. El motor de tipo desplazador es probablemente el más fácil de entender, así que empezaremos por ahí..

Gracias especiales

Un agradecimiento especial a Brent Van Arsdell de American Stirling Company por su ayuda con este artículo..

En lugar de tener dos pistones, un motor de tipo desplazador tiene un pistón y un desplazador. los desplazador sirve para controlar cuándo se calienta la cámara de gas y cuándo se enfría. Este tipo de motor Stirling se utiliza a veces en demostraciones en el aula. Incluso puedes comprar un kit para construir uno tú mismo.!

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Para funcionar, el motor anterior requiere un diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del cilindro grande. En este caso, la diferencia entre la temperatura de su mano y el aire que la rodea es suficiente para hacer funcionar el motor..

En la figura de esta página, puede ver dos pistones:

1. los pistón de potencia - Este es el pistón más pequeño en la parte superior del motor. Es un pistón herméticamente sellado que se mueve hacia arriba a medida que se expande el gas dentro del motor..
2. los desplazador - Este es el pistón grande del dibujo. Este pistón está muy suelto en su cilindro, por lo que el aire puede moverse fácilmente entre las secciones calentadas y enfriadas del motor a medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo..

El desplazador se mueve hacia arriba y hacia abajo para controlar si el gas del motor se calienta o se enfría. Hay dos posiciones:

• Cuando el desplazador está cerca de la parte superior del cilindro grande, la fuente de calor calienta la mayor parte del gas dentro del motor y se expande. La presión se acumula dentro del motor, lo que hace que el pistón de potencia suba.
• Cuando el desplazador está cerca de la parte inferior del cilindro grande, la mayor parte del gas dentro del motor se enfría y se contrae. Esto hace que la presión baje, lo que facilita que el pistón de potencia se mueva hacia abajo y comprima el gas..

El motor calienta y enfría repetidamente el gas, extrayendo energía de la expansión y contracción del gas..

A continuación, veremos un motor Stirling de dos pistones..

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En este motor, el cilindro calentado se calienta mediante una llama externa. El cilindro enfriado se enfría por aire y tiene aletas para ayudar en el proceso de enfriamiento. Una varilla que sale de cada pistón está conectada a un pequeño disco, que a su vez está conectado a un volante más grande. Esto mantiene los pistones en movimiento cuando el motor no genera energía..

La llama calienta continuamente el cilindro inferior..

1. En la primera parte del ciclo, la presión aumenta, lo que obliga al pistón a moverse hacia la izquierda, trabajando. El pistón enfriado permanece aproximadamente estacionario porque está en el punto de su revolución donde cambia de dirección.
2. En la siguiente etapa, ambos pistones se mueven. El pistón calentado se mueve hacia la derecha y el pistón enfriado sube. Esto mueve la mayor parte del gas a través del regenerador y en el pistón enfriado. El regenerador es un dispositivo que puede almacenar calor temporalmente; podría ser una malla de alambre por la que pasan los gases calentados. La gran superficie de la malla de alambre absorbe rápidamente la mayor parte del calor. Esto deja menos calor para ser eliminado por las aletas de enfriamiento..
3. A continuación, el pistón del cilindro enfriado comienza a comprimir el gas. El calor generado por esta compresión es eliminado por las aletas de enfriamiento..
4. En la última fase del ciclo, ambos pistones se mueven: el pistón enfriado se mueve hacia abajo mientras que el pistón calentado se mueve hacia la izquierda. Esto fuerza al gas a través del regenerador (donde recoge el calor que se almacenó allí durante el ciclo anterior) y hacia el cilindro calentado. En este punto, el ciclo comienza de nuevo..

Quizás se pregunte por qué todavía no hay aplicaciones de mercado masivo de motores Stirling. En la siguiente sección, veremos algunas de las razones de esta.

Hay un par de características clave que hacen que los motores Stirling no sean prácticos para su uso en muchas aplicaciones, incluso en la mayoría de los automóviles y camiones..

Porque la fuente de calor es externa, El motor tarda un poco en responder a los cambios en la cantidad de calor que se aplica al cilindro; se necesita tiempo para que el calor pase a través de las paredes del cilindro y llegue al gas dentro del motor. Esto significa que:

• El motor necesita algo de tiempo para calentarse antes de que pueda producir energía útil..
• El motor no puede cambiar su potencia de salida rápidamente.

Estas deficiencias casi garantizan que no reemplazará el motor de combustión interna en los automóviles. Sin embargo, un automóvil híbrido con motor Stirling podría ser factible.

Para obtener más información sobre los motores Stirling y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente..

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