Motor stirling
El concepto teórico del motor Stirling, para trabajos escolares Este blog tiene como finalidad ayudar a las personas que tienen interés en construir su propio motor Stirling casero o incluso auxiliar en trabajos escolares.
Historia
El motor Stirling fue inventado en 1816 por el pastor escocés Robert Stirling, visto en la (fig.1), auxiliado por su hermano ingeniero. El objetivo fue construir un mecanismo más seguro en relación al motor a vapor, pues eran constantes las explosiones trágicas ocurridas con las precarias calderas de la época. El motor Stirling funciona con presiones relativamente bajas, usando aire (u otro tipo de gases) confinado en el interior del motor,
proporcionando mayor seguridad. En 1818, el primer motor fue construido para bombear agua en una cantera y perfeccionado en 1843 para su uso en una fundición.
Como funciona el motor
Este motor utiliza un gas como fluido de trabajo, que puede ser (por ejemplo) aire, gas Helio o Hidrógeno. Su funcionamiento se basa en la variación del volumen de este gas según la variación de la temperatura que se somete, es decir, el gas se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría. Se compone de dos cámaras de diferentes temperaturas que calientan y enfrian dicho gas de forma alternada, provocando expansión y contracción, lo que hace mover dos émbolos ligados a un solo eje. Este tipo de motor funciona con un ciclo termodinámico compuesto por 4 fases y se ejecuta en 2 tiempos:
1-2 - Compresión isotérmica
2-3 - Calefacción isocórica
3-4- Expansión isotérmica
4-1 - Enfriamiento isocorico
En los modelos más simples se utiliza el aire atmosférico como fluido de trabajo, sobre todo en los caseros. En versiones de mayor potencia, se pueden utilizar gases como Helio o Hidrógeno, normalmente sometidos a presiones de hasta 200 Bar (2900 PSI) en el interior del motor, lo que permite llegar a una eficiencia energética de hasta 45%, superando fácilmente los tradicionales motores de combustión interna, como aquellos movidos a gasolina o diesel, que poseen una eficiencia entre 20% y 30%. Estos gases de alta conductividad térmica, absorben energía térmica (calor) con mayor rapidez y tienen menor resistencia al flujo (menor fricción del gas por el camino que recorre dentro del motor), reflejando en un mayor rendimiento. Se trata de una máquina de ciclo cerrado, donde el fluido de trabajo nunca deja el interior del motor. El empleo del agua consiste en el enfriamiento de la parte superior del cilindro (lado frío), evitando que sobre calentamiento y manteniendo mayor diferencia de temperatura posible entre las dos cámaras.
Este vídeo explica el funcionamiento básico del motor:
Vídeo de motor stirling
Ventajas de este motor
-> Puede ser alimentado por cualquier tipo de fuente de calor, lo que incluye la quema de los más variados combustibles, (gas natural, aceite combustible, biomasa, diesel, gasolina, alcohol, entre otros) pero también la posibilita el aprovechamiento del calor proveniente de fuentes de energía limpia como la luz solar o la energía geotérmica;
-> Presenta una operación silenciosa - lo que hace una óptima opción para la producción de energía en embarcaciones navales durante la noche;
-> También sorprende por su simplicidad, pues no hay necesidad del uso de válvulas; - - Bajo desgaste interno, bajo consumo de lubricante y poco mantenimiento;
-> Eficiencia global en torno al 40%, lo que puede hacer que el motor Stirling sea competitivo con otras tecnologías;
-> Alrededor de 25 mil horas de funcionamiento hasta el final de la vida útil;
-> Se puede emplear también en la producción de electricidad en lugares donde hay buena incidencia solar, con la construcción de parques repletos de estructuras parabólicas o incluso en pequeñas instalaciones residenciales, buscando el consumo propio. El motor transforma el calor del sol en energía mecánica, accionando un generador para la producción de electricidad. De este modo, complementa la producción de energía justamente en el período cálido del día (período de gran consumo), debido al aumento del uso de aparatos de aire acondicionado.
Desventajas de este motor
-> Alto costo de fabricación, además de la dificultad en mantener el gas confinado presurizado en el interior del motor considerando la existencia de piezas móviles como los pistones en los cilindros. Es necesario la adopción de eficientes intercambiadores de calor, tanto para el calentamiento y para el enfriamiento del motor. Sólo en estas condiciones es posible tener un motor altamente eficiente;
-> Normalmente tienen lentas aceleración y recesión. En generar, son motores dichos de pequeña densidad energética, o sea, poseen gran tamaño para dada potencia, lo que hace difícil su aplicación en automóviles;
-> Otros problemas pueden aparecer cuando se utilizan combustibles que dejan residuos como carbón, diesel, gasolina. Entre los principales destacan el óxido, el alquitrán y las partículas, que pueden reducir la eficiencia del intercambiador de calor.
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