El motor Stirling es un tipo de motor térmico. Su funcionamiento se basa en la expansión y contracción de un gas. A este gas se le obliga a desplazarse cíclicamente de un foco frío donde se contrae a una zona caliente donde se expande.
El motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling. El objetivo era conseguir un motor menos peligroso que la máquina de vapor.
Originariamente, el motor Stirling se concibió como un motor principal industrial para competir con la máquina de vapor. En la práctica, durante más de un siglo sólo se usó para aplicaciones domésticas y para motores de baja potencia.
Actualmente, aún se investiga el desarrollo. El hecho de que sólo necesite una fuente de calor externa le da una gran versatilidad ya que este hecho le da la posibilidad de poder utilizar muchas fuentes de energía para su funcionamiento.
¿Cómo funciona un motor Stirling?
El motor Stirling en un ciclo regenerativo termodinámicamente "cerrado", con compresión cíclica y expansión cíclica del fluido de trabajo a diferentes niveles de temperatura.
El ciclo Stirling es un ciclo de compresión y expansión de un gas. Se utilizan dos niveles de temperatura que hace que haya una conversión neta de de energía térmica en trabajo mecánico.
Al igual que la máquina de vapor, el motor Stirling se clasifica tradicionalmente como un motor de combustión externa. Todas las transferencias de calor con el gas de trabajo se hacen a través de la pared del motor. En cambio, en un motor de combustión interna la entrada de calor se hace por la combustión de una combustible dentro del cuerpo del fluido de trabajo.
A diferencia de un motor de vapor el motor Stirling cierra una cantidad fija de fluido en estado permanentemente gaseoso como es el aire. En cambio, en el motor de vapor el fluido de trabajo sufre un cambio de fase de líquido a gas.
La variación de presión se produce en el cilindro del desplazador. El desplazador está en la zona fría. El calor suministrado en este punto gira el volante y el cigüeñal. Con ello, se convierte la energía térmica en energía mecánica.
El desplazador facilita el desplazamiento del gas hacia las zonas deseadas de forma cíclica. Normalmente, el piston y el desplazador estan dirigidos por el acoplamiento mecánico en un cigüeñal. Estos elementos estan montados con un desfase de 90 grados. Este desfase es obligatorio para un correcto funcionamiento sea correcto. De otro modo, se reduciría la eficacia..
La eficiencia del proceso queda muy restringida por la eficiencia del ciclo de Carnot. Según el ciclo de Carnot, la eficiencia depende de la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el frío.
Caracterísiticas del motor Stirling
El motor Stirling se caracteriza por:
Su alta eficiencia en comparación con las máquinas de vapor
Funcionamiento silencioso
Facilidad con que se puede utilizar casi cualquier fuente de calor.
Esta compatibilidad con las fuentes de energía renovables y alternativas ha sido cada vez más importante a medida que subía el coste de los combustibles convencionales.
Ciclo Stirling
El ciclo ideal de Stirling consiste en procesos:
1-2 expansión isotérmica del fluido de trabajo con el suministro de calor desde el calentador. Expansión a temperatura constante.
2-3 eliminación de calor isocrórico del fluido de trabajo al regenerador. Proceso a volumen constante.
3-4 compresión isotérmica del fluido de trabajo con eliminación de calor al refrigerador.
4-1 calentamiento isocrórico del fluido de trabajo con el suministro de calor desde el regenerador. Proceso a volumen constante. En este punto es donde el gas está a menor temperatura.
Aplicaciones de motores Stirling
Los motores Striling tienen múltiples aplicaciones en diferentes campos tales como:
Salida mecáncia y propulsión. Este tipo de motores se han utilizado en la industria del automóbil y en la propulsión marina, entre otros ejemplos. En comparación con los motores térmicos se pueden obtener buenos rendimientos.
Generación de electricidad. En este caso, existen aplicaciones vinculadas con la energía nuclear y la energía solar térmica. En ambos casos se trata de utilizar estos recursos como fuente de calor para accionar una turbina de vapor.
Bomba de calor. Gracias al intercambiador de calor de estos sistemas y, al hecho que son reversibles, se pueden utilizar para proporcionar calor o refrigerar.