¿Qué es un motor Stirling? ¿Cómo funciona el motor Stirling? ¿Cómo se descubrió el motor Stirling? ¿En qué áreas se utiliza? ¿Cómo se convierte la energía térmica en energía de movimiento? Los detalles sobre los motores Stirling se encuentran en nuestro artículo.

¿Qué es el motor Stirling?

Un motor Stirling es una máquina que convierte la energía generada por el calentamiento externo de una cámara cerrada en energía mecánica. También conocido como motor de aire caliente. A medida que el aire caliente se expande y comprime, el motor comienza a moverse. Fue inventado en 1816 por el sacerdote escocés, Reverent Robert Stirling. El motor fue desarrollado por su hermano, James Stirling. En la época de los inventores se usaban máquinas a vapor y eran bastante peligrosas. Se propusieron encontrar una alternativa más confiable. Lo que querían era convertir la energía térmica directamente en energía de movimiento.

¿Qué hay en el motor Stirling?

Pistón de potencia (desplazador): Sirve para mover el gas en la cámara cerrada. Generalmente se utiliza en motores tipo beta y tipo alfa.
Pistón: Ayuda a convertir la energía térmica en energía mecánica al moverse en los cilindros del motor.
Volante: Es la estructura a la que se unen los pistones. La tarea de esta estructura es transferir la energía mecánica generada a las partes móviles.
Enfriador: Ayuda a enfriar el gas en la cámara cerrada. Ayuda al motor a ser utilizado por períodos más largos.
Calentador: Es la parte más importante del motor. Se utiliza para calentar el gas en la cámara cerrada para convertir la energía térmica en energía de movimiento.

Además, en algunos tipos de motor, se puede utilizar en componentes diferentes a estos. Esto queda enteramente a discreción de los desarrolladores.

Principio de funcionamiento del motor Stirling

Un motor Stirling funciona mediante el calentamiento y enfriamiento repetidos de una cantidad aislada de gas de trabajo (generalmente aire o gases como helio, hidrógeno).

El gas exhibe un comportamiento definido por las leyes de los gases (en relación con la presión, la temperatura y el volumen). Cuando el gas se calienta, por estar en un espacio aislado, su presión sube y afecta al pistón de potencia, produciendo una carrera de potencia. Cuando el gas se enfría, la presión cae y, como resultado, el pistón utiliza parte del trabajo realizado en su carrera de retorno para volver a comprimir el gas. El trabajo neto resultante crea fuerza en el eje. El gas de trabajo fluye periódicamente entre los intercambiadores de calor frío y caliente. El gas de trabajo está sellado dentro de los cilindros del pistón. Así que no hay gases de escape aquí. A diferencia de otros tipos de motores de pistón, no se necesitan válvulas.

Algunos motores Stirling usan un pistón divisor para mover el gas de trabajo de un lado a otro entre los tanques frío y caliente. El gas de trabajo se mueve manteniendo los cilindros a diferentes temperaturas gracias a que los pistones de potencia de los múltiples cilindros están conectados entre sí.

En los motores Stirling reales, se coloca un regenerador entre los tanques. Este calor se transfiere desde el regenerador a medida que se produce un ciclo de gas entre el lado frío y el caliente. En algunos diseños, el pistón separador es el propio regenerador. Este regenerador contribuye a la eficiencia del ciclo Stirling. La estructura a la que se hace referencia aquí como el regenerador es en realidad una estructura sólida que no impedirá que algo de aire pase a través de ella. Por ejemplo, se pueden usar bolas de acero para este trabajo. A medida que el aire se mueve entre una habitación fría y una cálida, pasa a través de este regenerador. Antes de que el aire caliente llegue a la parte fría, deja algo de energía térmica en estas bolas. A medida que el aire frío pasa al lado caliente, se calienta un poco con la energía térmica liberada antes. En otras palabras, aumenta la eficiencia del motor al precalentar el aire antes de ingresar a la parte caliente y preenfriarlo antes de ingresar a la parte fría.

Un ciclo de motor Stirling ideal tiene la misma eficiencia teórica que un motor térmico de Carnot para las mismas temperaturas de entrada y salida. Su eficiencia termodinámica es superior a la de las máquinas de vapor. (o algunos motores diésel y de combustión interna simples)

Cualquier fuente de calor puede alimentar el motor Stirling. Motor de combustión externa, la combustión en la expresión a menudo se malinterpreta. La fuente de calor puede ser generada por combustión, pero también puede ser energía solar, energía geotérmica o energía nuclear. Asimismo, la fuente de frío utilizada para crear una diferencia de temperatura puede ser de diferentes materiales por debajo de la temperatura ambiente. El enfriamiento se puede lograr con el uso de agua fría o un refrigerante. Sin embargo, dado que la diferencia de temperatura a obtener de la fuente fría será pequeña, se requerirá trabajar con masas mayores, y la pérdida de potencia que se producirá en el bombeo reducirá la eficiencia del ciclo.Los productos de la combustión no entran en contacto con las partes internas del motor. La vida útil del aceite lubricante en el motor Stirling es más larga que en los motores de combustión interna.

Tipos de motores Stirling

Hay 3 tipos principales de motores Stirling. Otros tipos de motores son versiones mejoradas de 3 motores.

Motor Stirling tipo alfa:

Consta de dos pistones, un volante, una cámara de gas cerrada con los pistones, intercambiadores de calor, un generador de calor y un volante. Su objetivo es activar el gas en él calentando el área del pistón colocado en la parte superior con una fuente de calor. El gas calentado comienza a empujar el pistón hacia adelante y hacia atrás, el otro pistón conectado comienza a moverse, de modo que el gas frío y caliente se desplazan en la cámara. La energía generada se transfiere con la ayuda del volante al que están conectados estos dos pistones.

Motor Stirling tipo Beta:

Hay 2 pistones en el mismo eje. Estos dos pistones están conectados entre sí. Al calentar la cámara con el pistón en la parte inferior, el gas en la cámara cerrada se calienta y activa. De esta forma, el pistón inicia su movimiento ascendente. El otro pistón conectado también ayuda al gas frío a moverse en la cámara. El volante, al que se unen los pistones, transfiere la energía generada.

Motor Stirling tipo gamma:

Hay dos pistones separados. La cámara con el pistón más grande se calienta y el gas que contiene se activa. De esta forma, los pistones conectados entre sí con el volante comienzan a moverse.

Ventajas de los motores Stirling

Dado que el calor se aplica externamente, podemos controlar con precisión la mezcla de combustible y aire.
Dado que se utiliza una fuente de calor continua para proporcionar calor, la cantidad de combustible no quemado es muy pequeña.
Este tipo de motor requiere menos mantenimiento y lubricación que los tipos de motor en su nivel de potencia.
Tienen una estructura bastante simple en comparación con los motores de combustión interna.
Pueden trabajar incluso a baja presión, son más seguras que las máquinas de fuente de vapor.
La baja presión permite el uso de cilindros más livianos y duraderos.

Desventajas de los motores Stirling

El costo es alto en términos de economía de combustible, ya que se requiere el calor necesario en el primer arranque del motor.
Es bastante difícil llevar su poder a un nivel diferente.
Algunos motores Stirling no pueden arrancar rápidamente. Necesitan suficiente calor.
Generalmente, el gas hidrógeno se usa en una cámara cerrada. Sin embargo, cuando las moléculas de este gas son bastante pequeñas, es difícil mantenerlo en la cámara. Por lo tanto, enfrentamos costos adicionales.
La parte más fría debe absorber suficiente calor. Si hay demasiada pérdida de calor, la eficiencia del motor disminuirá.

Áreas de aplicación de motores Stirling

Los motores Stirling se utilizan en motores de aviación de baja potencia, motores marinos, bombas de calor, sistemas combinados de calor y energía. Hoy en día, se utiliza principalmente para generar electricidad en campos de paneles solares.

¿Qué es el motor Stirling? ¿Cómo funciona un motor Stirling?