MOTOR STIRLING, DISPOSITIVO TERMODINAMICO IMPORTANTISIMO PARA BRINDARNOS ENERGIA

MOTOR STIRLING, DISPOSITIVO TERMODINÁMICO REGENERATIVO.
♦ RESUMEN
Todos los motores termodinámicos funcionan con ciclos de calor, llamados con mayor
propiedad ciclos termodinámicos. Cada uno de estos ciclos tiene un nombre. Los motores
termodinámicos se clasifican en endotérmicos (combustión interna) y exotérmicos (combustión
externa). Como ejemplo de motores de combustión interna son los que se usan en los autos, estos
funcionan con el ciclo Otto, los camiones, trenes y barcos con el ciclo Diesel, las plantas de poder
frecuentemente funcionan con el Ranking, mientras que las turbinas de gas funcionan con el ciclo
Brayton. En los motores de combustión externa destaca uno en especial el motor Stirling cuyo
ciclo fue entre los primeros de los ciclos termodinámicos en ser operados por los ingenieros.
La idea del ciclo Stirling fue alternando aire caliente y frío en un cilindro usando brazos
mecánicos articulados y un volante para lograr que el motor funcione en un suave e interminable
ciclo.
Los motores térmicos transforman un flujo de calor en trabajo mediante una serie de procesos
termodinámicos que realizan de forma continuada sobre un fluido motor. En conjunto estos
procesos forman un ciclo termodinámico. Un ciclo termodinámico es una evolución cíclica de
procesos térmicos dentro de un intervalo de temperaturas.
El funcionamiento de los motores térmicos esta caracterizado por la temperatura máxima y
mínima entre las que opera el fluido motor, así como la rapidez con que es capaz de realizar el
ciclo, cuestión que definirá su potencia.
Otro aspecto tecnológico muy importante es el proceso empleado para aportar el calor al ciclo,
distinguiéndose los motores exotérmicos de los endotérmicos. En los procesos exotérmicos el
calor que requiere el ciclo termodinámico es aportado al fluido de trabajo en un dispositivo externo
como en el caso de la maquina de vapor y del motor Stirling. El fluido motor siempre es el mismo
y no cambia de composición.
Por el contrario, en los motores endotérmicos el calor es aportado al fluido del trabajo
haciéndolo intervenir como comburente en un proceso de combustión, que se desarrolla en el
interior del mecanismo como en el caso de los coches (motor Otto), aviones (turborreactores), y en
gran cantidad de industrias. Con lo que será necesario sustituir el fluido motor después de cada
ciclo de trabajo, puesto que, debido al cambio de composición química sufrido en el proceso de
combustión, el fluido resultante no es reutilizable después de haber transferido su energía al
mecanismo.
La forma de aportación de calor al ciclo no presenta diferencias en los procesos
termodinámicos; sin embargo, las diferencias tecnológicas son determinantes. Los motores
endotérmicos solo pueden trabajar con combustible de una cierta calidad, dado que el proceso de
combustión debe realizarse, a enorme rapidez, en el interior del mecanismo. En cambio, los
motores exotérmicos aportan el calor al ciclo mediante una transferencia de calor, con lo que
pueden aprovechar combustibles de inferior calidad, como puede ser la biomasa o gases de escape
de otros motores, o incluso fuentes de calor alternativas, como la energía solar o la fisión nuclear.
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♦ PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El motor Stirling representa un reto a la tecnología. En este trabajo se planteara el estudio
termodinámico de una maquina térmica considerada la mas eficiente.
♦ OBJETIVOS
• Construir una maquina térmica Stirling y hacerla funcionar con materiales comunes, de
fácil acceso.
• Determinar las ventajas y desventajas en el motor Stirling.
• Determinar la importancia de un regenerador.
♦ MARCO TEÓRICO
FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR STIRLING
Se define maquina Stirling como aquel dispositivo que convierte calor en trabajo, o viceversa, a
través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido de
trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas, la del foco caliente y la del foco frío.
En el motor Stirling un gas esta confinado en una cámara cerrada, no sale al ambiente. El gas
se desplaza de un extremo a otro de la cámara, cuando está en un extremo, una fuente de calor
externa lo calienta; esto hace que se expanda y así se produce la fuerza del motor. Una vez que
alcanza su máxima expansión, el gas se traslada al otro extremo de la cámara, donde se enfría, lo
que provoca que se comprima. Después se lleva nuevamente al extremo caliente para iniciar un
nuevo ciclo. Un tambor desplazador mueve el gas entre los dos extremos de la cámara y otro
dispositivo, el pistón de potencia, aprovecha la expansión para producir la fuerza del motor.
La modelizacion del ciclo termodinámico del motor Stirling siempre parte de la base de que las
evoluciones asociadas a la variación de volumen se realiza de modo isotérmico, de modo que
durante la expansión se produce la introducción de calor del ciclo y durante la compresión se
produce la extracción.
Este hecho permite que el fluido motor, una vez se ha expandido, permanece a la misma
temperatura que antes de la expansión, lo que permite la introducción del concepto de regenerador.
Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno frío, se cumple
que el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a su calentamiento, lo que
permite introducir un elemento que almacene el calor cuando una vez expandido el fluido debe
operar a temperatura baja, para después de la compresión volver a absorber dicho calor para pasar
a la cámara caliente donde se expansionara.
El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir de
cuatro procesos cíclicos consecutivos: aporte de calor, expansión con el aporte de calor de la
fuente de calor, extracción de calor hacia un acumulador térmico regenerativo y compresión con
extracción de calor hacia el foco frío.
En seguida se muestra el esquema conceptual de un motor Stirling donde el fluido esta
confinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio, dividiendo el espacio, se
dispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo condiciona para adecuarlo a la temperatura
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de la cámara en que se encuentra. A un lado se dispone la cámara de compresión, a temperatura
baja, y en el otro la cámara de expansión, a temperatura alta.
Esquema ideal