Motor Stirling
Los motores Stirling
Hoy traigo un trabajo realizado para la asignatura de Máquinas Térmicas en el que se analizan de forma general los motores Stirling. Si bien puede parecer una tecnología algo más antigua, pues se inventaron medio siglo antes que los motores de combustión interna (que como apunto en el trabajo, se impusieron), en la actualidad aún tienen uso y se consiguen muy buenos resultados con ellos.
He de decir que ya hace unos cuantos años pude ver uno o por lo menos ver parte del desarrollo de uno de ellos, sin embargo no me llamó la atención más allá de ser una bonita pieza de tecnología. Ahora, ya pasados unos años veo las cosas distintas y mi interés en este tipo de máquinas ha pasado a querer entender cómo funcionan y quien sabe si poder hacer uno yo mismo (con las obvias limitaciones en la construcción). De hecho tengo parte de la información del proyecto que vi en desarrollo y me apena no haber tenido más interés (creo recordar que tenía catorce o quince años).
Como digo, tengo un gran interés así que es posible esperar más actualizaciones de esta entrada en especial este verano o por lo menos otras entradas con este mismo tema. Con el tiempo (en la actualidad no tengo mucho disponible) iré añadiendo enlaces en la bibliografía como en los anteriores. Tras mucho buscar he comprado unos libros de James R. Senft como introducción al tema que son muy interesantes. Lo cierto es que tuve que recurrir a Amazon Canadá para comprarlos a buen precio ya que desgraciadamente no es fácil encontrarlos y si lo haces son sumamente caros (lo cierto es que es algo común a casi todos los libros que tratan este tema, una pena la verdad).
Por último, animar a quien quiera que me lea a comentar mejoras que se pueden hacer, a hacer críticas o a compartir nueva información.
IMPORTANTE. Para complementar este texto es posible que te interese también una traducción que realicé del libro de James R. Senft, An Introduction to Stirling Engines. Aquí el enlace: Una Introducción a los Motores Stirling.
1. Introducción
Con la Revolución Industrial comienza un gran avance en la ciencia y la ingeniería que desata la producción produciéndose en ésta un gran aumento. La máquina de vapor es principal para entender éste fenómeno y su desarrollo marca un gran avance de los motores térmico.
El principio de todo motor es convertir energía en trabajo mecánico útil. Ya desde principios del siglo XX los motores de combustión interna (que se basan en el ciclo Otto y el Diésel) tienen un papel principal debido a que pueden producirse en masa de forma económica y con gran variedad de tamaños, siendo posible además implementarlos en gran cantidad de aplicaciones.
En la actualidad sin embargo las condiciones han cambiado: están en el punto de mira debido a la contaminación que conlleva su uso, si bien es cierto que se han realizado grandes esfuerzos por reducirla, y el uso que hacen de los combustibles fósiles, un factor muy relevante en la actualidad. Ésta preocupación por el medio ambiente y la búsqueda de tecnologías más limpias representan las condiciones para el desarrollo de motores alternativos que satisfagan estas necesidades.
Una de las posibles alternativas es el motor Stirling, que apareció por primera vez en 1816 como sustituto de la máquina de vapor. Se trata de un motor de combustión externa que parece combinar la eficiencia con ciertas características que lo hacen muy interesante como la posibilidad de usar combustibles no fósiles debido a combustión externa, siendo ésta a su vez más limpia al realizarse por completo en una cámara aparte, no en el interior del cilindro.
A continuación se llevará a cabo una exposición de estos motores y su desarrollo a lo largo del tiempo con distintas aplicaciones, pudiendo dividir el texto en esas dos partes: una primera en la que se expondrán características generales de los motores y otra en la que se mostrarán diversas aplicaciones.
2. Motores Stirling
El motor Stirling es un motor térmico de combustión externa que funciona siguiendo un ciclo cerrado y regenerativo llamado Ciclo Stirling, en el que se produce una compresión y expansión del fluido de trabajo a distintas temperaturas. La forma más general en la que se puede definir un motor Stirling son dos espacios entre los que se encuentra un regenerador e intercambiadores auxiliares de calor, teniendo cada una de las zonas una temperatura distinta (una más alta que la otra) y estando encerradas entre dos cilindros, provocando su movimiento (Walker, 1973). El fluido será normalmente aire, hidrógeno o helio (Vineeth, 2012) y a su vez también hay distintas configuraciones.
2.1 Breve historia del motor Stirling
El motor fue inventado por el Reverendo escocés Robert Stirling para sustituir a la máquina de vapor y fue presentado en 1816 cuando realiza una patente para su economizer (lo que actualmente se conoce como regenerador) junto con su motor. En la figura 1 puede observarse una adaptación del dibujo presentado en la patente. Según Beale (1985) tuvo cierto éxito comercial como accionamiento de bombas de agua de poca potencia durante el siglo XIX hasta que poco a poco fue sustituido por los motores de combustión interna debido a su mayor potencia y precio más bajo. Acabaría en el olvido al empezar el siglo XX.
Figura 1. Dibujo realizado en la patente presentada por Robert Stirling (Walker, 1973).
El motor Stirling volvería a aparecer sobre el año 1937 (Kongtragool & Wongwises, Performance of low-temperature differential Stirling engines, 2007) con las investigaciones del Laboratorio de Investigación de Philips en Eindhoven (Holanda). William Beale (1985) apunta que después de la Segunda Guerra Mundial volvió a atraer la atención ya que los avances que se habían producido en la ingeniería (por ejemplo el uso de acero inoxidable) y un mayor conocimiento de las físicas de los fluido y la termodinámica permitían la obtención de una mayor potencia y la reducción de costes y tamaño. Recientemente se han estado llevando a cabo más adelantos y como se verá más adelante el motor Stirling ya va teniendo más aplicaciones.
Un desarrollo que merece la pena ser tenido en cuenta es el de los motores Stirling de baja diferencia de temperatura, que funcionan con una diferencia de temperatura entre las dos zonas de trabajo baja. Vineeth (2012) escribe que el primero fue presentado por Ivo Kolin, de la universidad de Zagreb, en 1983 y trabajaba con un diferencial de 100ºC. Posteriormente el Profesor James Senft presentaría un motor que puede trabajar con un diferencial de hasta 0,5ºC (Kongtragool & Wongwises, 2003).
2.2 El ciclo teórico
El ciclo termodinámico teórico que siguen está compuesto por cuatro procesos. La representación del ciclo y una representación gráfica que ayuda a su comprensión pueden observarse en las figuras 2 y 3. A continuación se procederá a explicar brevemente el ciclo teórico Stirling.
Figura 2. Diagramas PV y TS del ciclo del motor Stirling (Thombare & Verma, 2008).
Figura 3. Diagrama del funcionamiento de un motor Stirling (Thombare & Verma, 2008).
Thombarea y Verma (2008) explican el ciclo atendiendo a esas figuras y comienzan estableciendo que la zona de compresión del fluido es la situada a la derecha del regenerador (donde se encuentra el fluido al inicio) y la de expansión está situada a la izquierda.
El primer proceso (1-2) es una compresión isotérmica en la que el pistón de compresión se mueve hacia el regenerador mientras el de expansión se mantiene estático. La temperatura se mantiene constante debido a que el flujo de calor se disipa en los alrededores debido a una reserva a menor temperatura (la temperatura mínima).
El segundo proceso (2-3) es una transferencia de calor del regenerador a volumen constante. En este proceso ambos pistones se mueven simultáneamente, es decir, el pistón de compresión se acerca más al regenerador y el de expansión se aleja, transfiriéndose así el fluido entre ambas zonas teniendo que pasar por el regenerador (que como se ha dicho actúa como una reserva calorífica) incrementando así la temperatura y la presión.
El tercer proceso (3-4) es una expansión isotérmica en la que el pistón de expansión sigue alejándose del regenerador y el de compresión se mantiene estático. La temperatura se mantiene constante al haber un flujo de calor desde una reserva a la temperatura del foco caliente y el interior del cilindro. De esta forma incrementa el volumen y disminuye la presión. Es esta expansión la que realiza el trabajo efectivo.
El último proceso (4-1) es una transferencia de calor al regenerador a volumen constante. Ambos pistones vuelven a moverse simultáneamente y el fluido de trabajo pasa por el regenerador transfiriendo así calor a éste y reduciendo su temperatura hasta la del foco frío.
2.3 El regenerador y los intercambiadores de calor, pieza clave en el funcionamiento
Como se ha explicado ya, el ciclo actúa entre dos temperaturas de forma que se tienen que mantener durante los procesos. Esto conlleva la presencia de dos elementos: un calentador para la zona de temperatura alta y un refrigerador para la de temperatura baja.
El calentador será el encargado de mantener la temperatura en la zona caliente durante la expansión y para ello recibirá energía producida en la combustión externa a través de convección, que se transmitirá por conducción por las paredes hasta pasar al fluido por convección. Como Thombarea y Verma (2008) apuntan, el cálculo para éste elemento puede ser complicado.
El refrigerador por otro lado será el elemento encargado de absorber el calor generado en la compresión en la zona fría. Los autores antes mencionados apuntan que el refrigerante suele consistir en aire o agua para reducir la temperatura, siendo este último el sistema más utilizado. A su vez, también mencionan que el cálculo de este elemento resulta más sencillo.
Por último está el regenerador que tiene forma de malla y actúa como barrera entre las zonas y como “almacén” de calor. Como ya se ha dicho, Robert Stirling realizó en 1816 una patente en la que daba a conocer junto con su motor un elemento llamado economizer, el regenerador. En la explicación del ciclo se ha señalado que el regenerador es el encargado de almacenar energía o transferirla en los cambios a volumen constante. Esto supone que la matriz debe tener una serie de características (Thombare & Verma, 2008):
Grande y sólida para una máxima capacidad calorífica.
Pequeña muy porosa para reducir pérdidas de flujo.
Pequeña y densa para reducir el espacio vacío.
Grande y dividida finamente para mayor transferencia de calor.
Sin obstrucciones para una contaminación menor.
Como se puede ver todas las características no son compatibles por lo que se debe buscar una buena optimización de esos parámetros.
2.4 Análisis del ciclo teórico Stirling
Ya se ha visto el ciclo teórico consistente en cuatro procesos en los que el regenerador tenía una gran importancia. A continuación se procederá a evaluar la eficiencia del ciclo y se podrá observar la importancia del intercambiador de calor.
Primer proceso, compresión isotérmica:
Como la temperatura se mantiene se considera que la energía interna no varía y por lo tanto según el balance de energía (ΔU=Q-W) el calor cedido por el fluido será igual al trabajo necesitado. Teniendo en cuenta la ecuación del trabajo (W=∫p*dv ) y la de los gases ideales (pv=nRT ), obtendremos:
Segundo proceso, transferencia de calor del regenerador a volumen constante:
En este caso el fluido pasa por el regenerador, que le aporta calor, y no se realiza trabajo. Por lo tanto:
Tercer proceso, expansión isotérmica:
Es muy parecido al primero pero en este caso el calor es absorbido del calentador y el trabajo es realizado (es el proceso en el que se realiza el trabajo). Por tanto:
Cuarto proceso, transferencia de calor al regenerador a volumen constante:
Por último el fluido transfiere calor al regenerador, no realizándose ningún trabajo:
Por otro lado, como hemos dicho, el rendimiento del regenerador tiene un papel importante y debe ser tenido en cuenta. Es por ello que se añadirá el rendimiento del regenerador (ξ) y se considerará que el calor absorbido por el fluido en el segundo proceso es:
Por lo tanto hay que aportar cierto calor al fluido para que alcance la temperatura máxima y tendrá un valor de (1-ξ)mCv(Tmax-Tmin). De esta forma el rendimiento, que es el trabajo neto entre el calor aportado al fluido, queda:
Si el rendimiento del regenerador fuese ideal, es decir del 100%, entonces:
Como se puede observar el rendimiento coincide con el del ciclo Otto, es decir, el mayor rendimiento teórico posible, aunque como ya se ha visto durante el desarrollo se trata de un modelo muy teórico e idealizado y que depende en gran medida del regenerador.
En la práctica, como apunta Walker (1973), los motores Stirling no trabajan con el ciclo Stirling ya que es difícil conseguir una compresión o expansión isotérmica, aunque los calentadores y refrigeradores se acerquen lo máximo posible, a parte del hecho de que los intercambiadores de calor tampoco trabajan con una eficiencia del 100%.
Para un cálculo más cercano a la realidad se han propuesto análisis menos ideales y más complejos que el realizado arriba (Martini, 1983) en los cuales se realizan hipótesis más ajustadas a lo que sucede realmente. El primero se denomina el ciclo de Schmidt y surge en 1871 con Gustaf Schmidt, del que recibe el nombre. Posteriormente viene el denominado ciclo adiabático de Finkelstein y por último Martini expone el ciclo semiadiabático que utiliza la empresa Philips, que como se ha dicho antes fue de las primeras en interesarse de nuevo por este tipo de motores.
2.5 Configuraciones de los motores Stirling
Ya se han mencionado antes los elementos que definen a los motores Stirling, sin embargo, como también se ha apuntado hay muchas combinaciones que se han ido desarrollando con el tiempo. La primera gran división se puede hacer atendiendo al acoplamiento en el cilindro y se puede distinguir entre los que utilizan dos pistones y los que utilizan un pistón y un pistón desplazador (Walker, 1973). De la misma forma, también hay configuraciones con múltiples cilindros así como otras configuraciones que se han ido desarrollando a lo largo de los años para distintas aplicaciones. Las primeras tres configuraciones que se exponen a continuación son las más básicas y principales.
2.5.1 TIPO ALFA
Atendiendo a la configuración de los elementos en el interior del cilindro tenemos primero los motores alfa. Éstos tienen dos pistones en cilindros separados conectados por el calentador, el regenerador y el refrigerador. En la figura 4 está representado en la letra c. Según Thombare y Verma (1973), si bien esta puede ser la configuración más sencilla, tiene la desventaja de necesitar sellar los dos cilindros.
2.5.2 TIPO BETA
Este tipo de motores utiliza un pistón desplazador de forma que tanto éste como el pistón están acomodados en el mismo cilindro. De esta forma, el espacio de compresión es el que queda entre la parte superior del pistón que realiza el trabajo y la inferior del desplazador. La configuración se puede observar en la figura 4, siendo la imagen a.
2.5.3 TIPO GAMMA
Al igual que el tipo beta, también utiliza un desplazador, pero en este caso ambos están en cilindros distintos por lo que el espacio de compresión está dividido entre los dos cilindros que están unidos de forma que el calentador, el refrigerador y el regenerador se encuentran normalmente entre ellos. De nuevo se puede observar en la figura 4, imagen b.
Figura 4. Distintas configuraciones de los motores Stirling: alfa (c), beta (a) y gamma (b) (Walker, 1973)
2.5.4 CONFIGURACIÓN CON MÚLTIPLES CILINDROS
Walker (1973) apunta que se puede llevar a cabo la unión de varios cilindros con el objetivo de aumentar la potencia. El ejemplo que pone para hacer un motor de estas características es la configuración Rinia (ideada por Herre Rinia de los Laboratorios de Investigación de Philips en Holanda). Se trata de la unión de cilindros tipo alfa conectados de forma que la unión de la zona de expansión de uno y la de compresión de otro se haría a través de los intercambiadores de calor adecuados. Éste caso se puede observar en la figura 5.
Figura 5. Representación de la configuración Rinia (Walker, 1973).
2.5.5 Motores Stirling de Baja Diferencia de Temperatura
Sobre este tipo de motores ya se ha hablado en el breve desarrollo sobre la historia de los motores. Como su nombre indica trabajan con una pequeña diferencia de temperatura entre las dos zonas, por lo que la fuente de calor no necesita ser muy potente. En la figura 6 se puede observar un esquema de este tipo de motores.
Figura 6. Dibujo de un motor de Baja Diferencia de Temperatura (Vineeth, 2012)
2.5.6 Pistón, cilindro o desplazador libre
Este tipo de motores fue desarrollado por primera vez por William Beale (Thombare & Verma, 2008). La diferencia con los demás está en que si bien los expuestos anteriormente tienen los elementos unidos mecánicamente, éstos se acoplan dinámicamente por el gas, es por ello que se denominan “libres”. El conjunto es parecido a un motor con pistón desplazador excepto por la salvedad indicada. William Beale en un papel que publicó en 1985 describe las distintas configuraciones que se pueden dar y muestra algunas aplicaciones que se expondrán más adelante. En la figura 7 se pueden observar distintas configuraciones de motores con elementos libres con distintos métodos para lograr el movimiento alternativo como por ejemplo muelles y un motor Stirling doble (con dos desplazadores).
Figura 7. Distintas configuraciones de motores con pistón, cilindro y desplazador libres.
3. Aplicaciones del motor Stirling
Hasta ahora se ha realizado una descripción del motor Stirling formada por su historia, la descripción de sus elementos y cómo pueden estar configurados, el ciclo, el rendimiento, etcétera. De todo esto se desprenden ciertas consideraciones que influyen en su aplicación y lo hacen idóneo para muchas aplicaciones. En primer lugar el hecho de que sea un motor de combustión externa permite utilizar una gran variedad de combustibles (incluidos los no fósiles). Thombare y Verma (2008) exponen otras propiedades que pueden resultar atractivas como un consumo bajo de combustibles con una combustión más limpia además de una buena eficiencia (recordemos que teóricamente es la misma que la del ciclo Otto), una temperatura de operación baja así como un nivel de ruido también bajo.
Como ya se ha mencionado más arriba los motores Stirling vuelven a estar presentes en ciertas aplicaciones o se ha investigado para aplicarlos en otras. A continuación se expondrá una gran variedad de estas aplicaciones.
3.1 Bombeo de agua
Al inicio del texto se ha dicho ya que la principal utilidad que tuvo el motor Stirling como sustituto del motor de vapor fue en el accionamiento de bombas de agua por ejemplo en las minas. Debido a las mejoras el motor Stirling vuelve a ser un elemento que puede resultar útil para el accionamiento de bombas y William Beale (1985) hace constar que pueden resultar especialmente beneficiosos en zonas poco desarrolladas ya que su construcción no es difícil, pueden realizarse con materiales disponibles en la zona y permite el uso de combustibles sólidos disponibles en esas áreas, como distintos tipos de biomasa. Sus aplicaciones estarían destinadas a la obtención de agua no sólo para el consumo sino también para el riego, etcétera. En la figura 8 puede observarse un motor Stirling de pistón libre con el que se obtiene el trabajo necesario para mover una bomba de desplazamiento positivo que se ayuda por un muelle para realizar el movimiento alternativo. Beale apunta que este tipo de configuraciones son muy sencillas.
Figura 8. Motor Stirling siendo usado para bombear agua (Beale, 1985).
3.2 Producción de electricidad
Otro de los sectores en los que los motores Stirling tienen presencia y pueden desarrollarse más es en el de la producción eléctrica. Beale (1985) vuelve a apostar por el uso de estos motores para la producción eléctrica en especial en zonas menos desarrolladas por la misma razón, poder utilizar combustibles alternativos a los fósiles. Para este cometido un motor tipo beta con un accionamiento de manivela es el más sencillo, aunque un motor de pistón libre puede ser más eficiente (aunque más difícil de arreglar).
Teniendo en cuenta que los motores Stirling pueden funcionar con cualquier fuente de calor, un sistema para aprovechar esta tecnología sería en la producción de electricidad a partir de la energía solar. Esto puede lograrse focalizando los rayos de luz a través de un disco parabólico. Kongtragool y Wongwises (2003) examinan cómo se ha ido desarrollando este método de obtención de electricidad así como la situación actual y afirman que estos sistemas son considerados como los de mejor eficiencia en la conversión de energía solar a eléctrica. En España este tipo de instalaciones se pueden encontrar en la Plataforma Solar de Almería, en la que hay varios prototipos que implementan esta tecnología. Un proyecto relevante con discos parabólicos con motor Stirling se realizó en 2010 por la empresa Stirling Energy Systems y Southern California Edison; el lugar elegido fue el desierto de Mojave y se instaló una potencia de 500 MW. En la figura 9 se puede observar una imagen de una de las unidades instaladas por la empresa Stirling Energy Systems, en la que se puede apreciar tanto el disco parabólico como el motor (Graber, 2009).
Figura 9. Fotografía de un disco parabólico con motor Stirling de la empresa SES (Graber, 2009).
Kongtragool y Wongwises (2003, 2007) exponen las aplicaciones en este campo de otro tipo de motores, los de baja diferencia de temperatura. Apuntan que no sólo tienen valor como unidades de demostración si no que generan un interés al considerar las posibilidades de generación de potencia a partir de fuentes de baja temperatura, como puede ser el calor perdido en un proceso de producción. Cabe resaltar también el estudio que realizó Ivo Kolin y otros (2000) para implantar la producción de electricidad a través de este tipo de motores en un campo geotérmico, es decir, a través de la energía geotérmica.
Otro ejemplo del desarrollo de los motores Stirling en la actualidad está relacionado con la producción de electricidad en las misiones espaciales de la NASA. En la actualidad la energía se obtiene a partir de Generadores termoeléctricos de radioisótopos o RTG (de sus siglas en inglés Radioisotope Thermoelectric Generator) (NASA, 2013), un sistema que convierte el calor generado por la desintegración del plutonio-238 en electricidad a través de unos instrumentos llamados termopares. La revista Scientific Amercian se hacía eco ya en 2008 (Wolverton, 2008) de que el centro de investigación Glenn de la agencia NASA estaba desarrollando unos nuevos sistemas RTG que incorporarían un motor Stirling. Éstos se denominan ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator), Generadores Stirling Avanzados de Radioisótopos, y se planea que estén disponibles para en 2016. La pieza clave sería el Conversor Avanzado Stirling (ASC, Advanced Stirling Convertor), que está siendo desarrollado por la compañía Sunpower y que consiste en un motor Stirling de pistón libre (NASA, 2014) al que se le añadiría un alternador lineal para generar la electricidad. Se calcula que aparte del tamaño más reducido consumirá un cuarto menos de combustible gracias a su mayor eficiencia. En la figura 10 se pueden observar las distintas partes de estos sistemas ASC.
Figura 10. Corte de un sistema ASC utilizado por la NASA (NASA, 2014).
3.3 El motor Stirling en los automóviles
Si bien no se ha llegado a implantar hubo pruebas para el uso de los motores Stirling en los vehículos. Los primeros intentos vinieron desde la empresa Philips (Walker, 1973), que como se ha ya se ha dicho más arriba fue la empresa pionera en la “segunda época” de éste tipo de motor. En 1973 Walker apunta que Philips y Ford Motor Company estaban trabajando en un motor de 180 caballos a través de un sistema con placas oscilantes. United Stirling, de Suecia, estaría trabajando también en un motor de 65 caballos con cuatro cilindros en V. En la figura 11 se muestra el motor con sistema de placas oscilantes para la rotación del eje. Éste utilizaría una configuración Rinia (antes mencionada).
Figura 11. Dibujo de un motor Stirling con sistema de placas oscilantes para automoción (Walker, 1973)
La ventaja del motor mostrado en la imagen es la ausencia de gases no quemados ya que la combustión tiene lugar en una cámara de forma continua además de la ausencia de ruidos al ser un motor silencioso en el que no se producen explosiones.
Nightingale (1986) expone como años después la investigación en este terreno volvería a impulsarse gracias al Acta para la Investigación y el Desarrollo de la Propulsión Automotriz establecida en Estados Unidos en 1978. Esto llevó a la creación del Programa de Desarrollo del Motor Stirling Automotriz (ASE, Automotive Stirling Engine). Éste programa incluía a tres miembros: Mechanical Technology Incorporated(MTI), United Stirling AB (USAB) y AM General y fue financiado por el Departamento de Energía y la NASA a través del Centro de Desarrollo Lewis. USAB proporcionaría su experiencia en el tema, MTI el desarrollo tecnológico y AM General era la encargada de seleccionar el vehículo, la integración, aplicación y evaluación.
La base del ASE fue dada por USAB, que proporcionó su motor P-40 de 54 CV, fruto de las investigaciones mencionadas anteriormente. Éste motor tenía cuatro pistones y era demasiado pesado para su uso en vehículos ya que estaba diseñado para laboratorios. El motor realizado en la primera fase del programa fue llamado Mod I, que suponía llegar a una primera generación de motores Stirling para automoción que sirviesen de base para posteriores mejoras. El resultado fue un motor con una potencia máxima de 53,9 kW (73,3 CV) con 4000 rpm y una eficiencia del 37,4%. El presupuesto fue aumentado y se implementaron algunas mejoras que iban a ser destinadas a la segunda parte del programa, alcanzándose una potencia de 63 kW (85,7 CV) con una eficiencia del 39%. La segunda fase del programa consistió en desarrollar el motor Mod II, que representa la culminación del desarrollo del programa. Era un motor de cuatro cilindros en V con un regenerador y un refrigerador rodeando cada cilindro en el que se minimizaron los costes de producción y se realizó de forma que pudiese caber en un coche de tracción delantera con un compartimento para motor pequeño. De esta forma, como apunta Nightligale el motor tendría el mismo tamaño que un motor de encendido provocado pero manteniendo las ventajas del Stirling: buena eficiencia, capacidad para múltiples combustibles, silencioso y bajas emisiones. Para testarlo, fue instalado en un Chevrolet Celebrity para poder compararlo con el motor original de éste. La figura 12 es una fotografía del motor Mod II instalado en el coche. En las figuras 13 y 14 se pueden observar algunos resultados y comparaciones entre los motores del Chevrolet Celebrity, en las que se ver como el consumo de combustible es menor salvo por la penalización en el arranque.
Figura 12. Motor Mod II instalado en un Chevrolet Celebrity (Nightingale, 1986).
Figura 13. Comparativa de las especificaciones de los motores (Nightingale, 1986).
Figura 14. Comparativa del consumo de combustible de los motores (Nightingale, 1986).
3.4 El motor Stirling en la impulsión de submarinos
Si bien los motores Stirling no llegaron a implantarse en los coches sí se utilizan en submarinos. Su uso se engloba dentro de la Propulsión Independiente de Aire (Air-independent propulsión en inglés). Esto significa que la energía necesaria para la propulsión se realiza sin introducir un oxidante (aire) de la atmósfera (Thomton, 1994). Como Thomton apunto, la PIA trata de disminuir la dependencia de los submarinos de diésel y poder extender la inmersión de un par de horas a semanas sin entorpecer la tripulación o el barco. La utilización de reactores nucleares para la propulsión de submarinos supusieron un gran salto en este sentido, sin embargo el motor Stirling también tuvo su aplicación.
La empresa Kockums, que forma parte de Saab, instaló en la década de los 80 motores Stirling con un sistema de oxígeno líquido en el submarino francés Saga (SAAB). En 1988 realizaron su primer trabajo con la Marina de Suecia, instalando en el submarino Näcken un motor Stirling. Toda la experiencia acumulada y la experiencia conseguida en los trabajos llevaron a la instalación de estos sistemas PIA en toda la clase de submarinos Gotland de la marina sueca, por lo que en la actualidad hay cinco de ellos. Debido al buen funcionamiento también fueron convertidos otros submarinos a este sistema que alarga la inmersión de días a semanas.
3.5 Su aplicación en la refrigeración
Walker (1973) apunta que uno de los mayores éxitos del motor Stirling es su aplicación en la refrigeración. Explica que el sistema sería el inverso del que se ha ido mencionando hasta ahora, solo que la fuente de calor en este caso no viene de una caldera en la que se quema combustible si no que es aquello que quieres enfriar. A su vez, también hace referencia a un artículo que Köhler escribió para Scientific American en 1965 en el que se explica el desarrollo de esta tecnología.
En éste artículo (Köhler, 1965) especifica que el la utilización del ciclo Stirling para la refrigeración tiene la mejor eficiencia cuando se tratan de temperaturas muy bajas, es decir, criogénicas. Eso sería un factor por el que esta tecnología no se desarrollase antes, ya que las aplicaciones no existían mucho antes. Aclara además que el hecho de que el ciclo se invierta implica que lo que se debe realizar entonces es la introducción de energía mecánica con el objetivo de absorber calor.
Ya en 1945 Rinia y F.K. du Pré consiguieron temperaturas de hasta -190ºC (83K) (Köhler, 1965) pero tras continuar el desarrollo, del que Köhler fue parte, se llegaron a alcanzar temperaturas de 20K con una buena eficiencia. En el artículo finalmente se apunta que el prototipo del refrigerador industrial que realizaron alcanzó temperaturas de 77K con una producción de 20 kW de frio (absorción de calor) con una eficiencia del 42%.
Por otro lado una de las empresas líderes en éste sector volvería a ser Philips (Stirling Cryogenics), que en 1946 ya empezó a optimizar las técnicas de refrigeración que usaban el ciclo Stirling. Si bien el motor que desarrollaba Philips no tuvo un gran éxito comercial, como ya se ha dicho, su aplicación en la criogenización sí. A principios de la década de los 90 la División Criogénica de Philips se independizó y continuó como Stirling Cryogenics BV, que a día de hoy sigue en actividad y proporciona máquinas que pueden disminuir la temperatura hasta los 20K.
4. Conclusiones
El motor Stirling tiene en la actualidad aplicaciones diversas.
Como se ha visto a lo largo de todo el texto, el motor Stirling ha vuelto a aparecer en distintas aplicaciones desde el inicio de su “segunda etapa”, en la que la compañía Philips tendría una gran importancia, por lo menos al principio. Estas aplicaciones además son bastante variadas: desde la propulsión de submarinos hasta la criogenización. A parte también se han dado intentos de llegar a otros sectores como el de la automoción pero no se llegó a comercializar.
Las características del motor lo hacen interesante bajo la situación actual.
Las características generales de los motores Stirling y su ciclo, como se ha visto en la primera parte del texto pueden resultar muy beneficiosas no sólo por el rendimiento teórico equivalente al del ciclo Otto, si no el hecho de realizarse con combustión externa, lo que permite una combustión más limpia, así como por poder utilizar cualquier fuente de calor con lo que se incluirían desde combustibles no fósiles hasta calor residual de procesos industriales pasando por la energía proveniente del sol.
Es necesaria una mayor investigación para poder hacerlo competitivo.
Si bien, como ya se ha dicho, el motor Stirling está viviendo una “segunda etapa” en la que se están llevando a cabo esfuerzos en la investigación, éstos no son suficientes para poderlo hacer del todo competitivo con los motores de combustión interna (diésel y gasolina), los cuales han tenido un uso muy amplio desde su invención, lo que conlleva un gran desarrollo y mejoras. Esto no tiene relevancia sólo en el aspecto técnico si no también económico, al abaratarse más con los distintos desarrollos. A pesar de todo, ya se han citado a lo largo del texto distintos avances relevantes como el intento de introducción en la automoción (impulsado por Estados Unidos) o los sistemas AIP para los submarinos de la marina sueca.
El motor Stirling tiene un gran potencial sin desarrollar.
Ésta última conclusión está relacionada con las anteriores y es que la falta de desarrollo en comparación con los motores de combustión interna y las distintas innovaciones que se han dado a lo largo del tiempo y se han expuesto en el texto, dan lugar a reflexionar sobre las posibles aplicaciones y mejoras que puede haber. Un ejemplo es la invención de los motores de baja diferencia de temperatura y su aplicación en la energía solar. También puede llevar a pensar en otro intento de la introducción del motor Stirling en la automoción, como ya se realizó en las décadas de los setenta y ochenta.