Motor Stirling

El Motor Stirling fue inventado 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 Argentina, la Universidad Nacional de General Sarmiento, elaboró un dispositivo mecánico de alta eficiencia para, a través de undisco Stirling generar electricidad¹ .

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.

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:

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

donde

y son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan, y , las temperaturas de las fuentes caliente y fría respectivamente. Definiendo la relación de compresión como

y aplicando propiedades del logaritmo, se reduce a

.

El gas sólo absorbe calor durante dos etapas: el calentamiento a volumen constante y la expansión isotérmica. Para un gas ideal esto representa

.

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

, se obtiene

.

Finalmente el rendimiento total de la máquina resulta

.

En la medida que el funcionamiento del regenerador se acerca al caso ideal, el rendimiento del ciclo se aproxima al del ciclo de Carnot

Fase 1 El comienzo de la compresión El émbolo de trabajo está por encima de la expansión máxima se alcanza, el desplazador va hacia adelante y empuja el aire en el enfriador

Fase 2 Expansión El émbolo de trabajo es presionado por el aire que se expande hacia arriba, el desplazador cubre el refrigerador, el maximo de calor

Fase 3 El comienzo de la compresión El émbolo de trabajo está por encima de la expansión máxima se alcanza, el desplazador va hacia adelante y empuja el aire en el enfriador

Fase 4 Compresión El émbolo de trabajo se tira hacia abajo desde el aire comprimido, el desplazador oculta la región caliente

MODELOS

¿Cómo funciona un motor Stirling?

Paso 1 Características del aire

Vamos a instalar un caucho a una figura como uno puede. Se puede entender fácilmente que la goma se expande cuando la lata es calentada (Figura 2), y los contratos de goma cuando la lata se enfría (Figura 3). Se hizo que una presión del aire en la lata funciona a la goma cuando el aire se calienta, se muestra en permite la figura 2. Por supuesto, usted no puede ver la presión de los ojos.

Paso 2 ¿Qué es un pistón desplazador?

A continuación, vamos a poner en un pistón en la Figura 4 puede gustar. Un diámetro del pistón debe ser algo menor que el de la lata, porque el pistón funciona para mover (desplazar) el aire hacia arriba y hacia abajo en la lata. Y, por favor calentar el lado inferior de la lata y enfriar el lado superior de la lata. Después de que se tiene la diferencia de temperatura suficiente, mueve el pistón hacia arriba y hacia abajo con la mano. Cuando el pistón se mueve hacia arriba, la goma se expande porque hay una gran cantidad de aire caliente en la lata (Figura 5). Se corresponde a la Figura 2. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, los contratos de goma porque hay una gran cantidad de aire frío en la lata. Se corresponde a la Figura 3.

En el caso de que el motor Stirling, este pistón, que se mueve (desplaza) el aire y hacer los cambios de presión que se llama un pistón desplazador.

Paso 3 ~ mecanismo de manivela de movimiento del pistón a la rotación ~

¿Comprende usted acerca de las características del aire y el trabajo del pistón desplazador? Son muy importantes para entender cómo funciona el motor Stirling.

En primer lugar, la conexión desde el pistón y un alambre doblado con un hilo parecido a la figura 6. Cuando el alambre doblado se hace girar, el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo. Esto se llama un mecanismo de manivela.

favor calentar el lado inferior de la lata y enfriar el lado superior de la lata, similar a la descripción anterior. Cuando la mano hace girar el alambre doblado, el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo, y se expande y se contrae el caucho repetidamente (Figura 7).

Paso 4 pistón de potencia ~ función de la goma ~

El motor Stirling convierte a partir del movimiento de la goma a la rotación del alambre doblado. Por favor, conectar desde la goma al alambre doblado con una varilla. En este momento, una fuerza de la goma (expansión y contracción) tiene que ser la dirección, el cual gira el alambre doblado. En resumen, debe doblar el alambre doblado el ángulo justo (90 grados) del pistón como en la Figura 8 y 9.

Paso 5 del volante ~ para la rotación suave ~

Este motor no ha funcionado todavía. Si intenta trabajar este motor (Figura 8 y 9), la goma mantiene el más expansión o contracción. Con el fin de girar suavemente y repetidamente, debe ajustarse a una masa girar con el alambre doblado. Se llama un volante.

Generalmente, el volante es circular como en la Figura 10. Pero en este punto, por favor doblar el extremo del alambre doblado, y adaptarse a una masa en el borde del alambre como en la Figura 11. La masa funciona como el volante y se equilibra con el peso del pistón. Por lo tanto, debe ajustarse a la masa contra el pistón.

Dibujo del Ensamble de la LSE-01 (2)

Sugerencias para montar LSE-01

Dibujo del Ensamble de las EET-03