El motivo de construir un Motor Stirling “casero” viene con el propósito de analizar el funcionamiento real de una maquina térmica, conociendo sus partes tanto internas como externas para una mejor comprensión del mismo. La realización de este proyecto es una forma práctica, sencilla y económica de demostrar la transformación de la energía térmica en trabajo mecánico y viceversa. 

¿Qué nos ayuda a comprender el funcionamiento del Motor Stirling?

El funcionamiento del motor Stirling, se basa primordialmente en la variación de presión a causa de los cambios de temperatura. Conociendo los siguientes conceptos será más fácil de entender.

 La Termodinámica es la rama de la Física, que se ocupa del estudio de la transformación de la energía térmica en energía mecánica y del proceso inverso; es decir, la termodinámica es aquella que se encarga de estudiar cómo es que el calor (energía térmica) puede producir algún tipo de trabajo (energía mecánica).

Existen diversos factores llamados variables de estado que determinan la condición física de un gas, como son: Presión, volumen, temperatura y cantidad de materia o sustancia. Se han realizado diversos estudios sobre las interacciones de estas variables, dando como resultado la formación de tres leyes: Ley de Boyle, ley de Gay Lussac y Ley de Charles, que a la vez dieron pie a la conformación de los procesos termodinámicos, los cuales son:

·         Proceso Isotérmico.

·         Proceso Isométrico o Isocórico

·         Proceso Isobárico.

La Primera Ley de la termodinámica enuncia que la energía debe conservarse en cualquier proceso termodinámico, es decir que en cualquiera de los procesos mencionados debe de conservarse la energía. En la elaboración del motor nos enfocamos en el proceso Isotérmico y el proceso Isocórico o Isométrico.

Los procesos isométricos se observan en el funcionamiento del motor al calentar y enfriar el fluido de trabajo a volumen constante. Este proceso es comúnmente conocido como Ley de Gay Lussac en donde se enuncia que la presión absoluta del gas es directamente proporcional a la temperatura.

P1/T1 = P2/T2

donde:

P1= Presión inicial

T1= Temperatura inicial

P2= Presión final

T2= Temperatura final

Los procesos isotérmicos, podemos verlos en la compresión y expansión del fluido a temperatura constante y también son conocidos como Ley de Boyle en donde se enuncia que el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta que se le aplique.

P1V1 = P2V2

donde:

P1= Presión inicial

P2= Presión final

V1= Volumen inicial

V2= Volumen final

Es más fácil entender el funcionamiento del motor Stirling si podemos comprender bien estos principios; en conclusión este motor se basa principalmente en la variación de presión a causa de los cambios de temperatura.

Porque hemos definido en lo general la termodinámica para entender este procedimiento, el por qué es posible su uncionamiento, hay que aclarar también que el motor Striling es una máquina térmica, pero…

¿Qué es una máquina térmica?

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para tal efecto, utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica para que ésta pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo. Un problema que presentan las máquinas térmicas en el ámbito práctico es que están sujetas a un gran número de adversidades como la fricción, la pérdida de calor por conducción y la radiación, que impiden que dichas máquinas trabajen a su máxima eficiencia. Una máquina ideal, libre de este tipo de problemas, fue sugerida por Sadi Carnot en 1824. Esta máquina tiene la eficiencia máxima posible tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente a alta temperatura, realiza un trabajo externo y deposita calor en un recipiente a baja temperatura. La eficiencia de una cierta máquina puede determinarse al compararla con la máquina de Carnot al funcionar entre las mismas temperaturas.  

¿Qué es el Motor Stirling?

Se define al motor Stirling como un dispositivo que convierte energía calorífica en trabajo mecánico y viceversa, a través de un ciclo termodinámico regenerativo el cual se compone de movimientos de compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, operando dicho fluido entre dos temperaturas la del foco caliente y la del foco frío.

Historia…

El motor fue inventado en 1816 por el fraile escocés Robert Stirling. En sus inicios, fungió como una gran alternativa al motor de vapor empleado en las locomotoras. Poco a poco fue perdiendo fama debido al desarrollo del motor de combustión interna, el cual generaba una mayor potencia a pesar de la poca eficiencia térmica que presentaba. Con el paso del tiempo, el motor Stirling se ha vuelto a tomar en cuenta debido a las grandes ventajas termodinámicas que presenta, así como a su fácil manipulación de ciclo y a su baja emisión de contaminantes.

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot. Es importante mencionar que el motor Stirling a pesar de presentar una alta eficiencia térmica, tiene una potencia muy baja, adicionado a que el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. Es un motor de combustión externa, lo que le permite emitir menores cantidades de gases contaminantes en comparación al motor de combustión interna, además tiene la posibilidad de aceptar fuentes de calor que no requieran de la combustión. Basándose en lo anterior, grupos de científicos han construido motores Stirling que funcionan a partir de la energía solar, de energía nuclear y de calor de desechos de procesos.

Considerando las características que presenta el motor Stirling, las cuales son muy parecidas a las que presenta la máquina ideal de Carnot, podemos considerarlo como una máquina térmica ideal, hecho que a lo largo del trabajo se desarrollará con mayor detalle.

Alfa

No utiliza pistón desplazador como en la patente original de Stirling, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar. Fue diseñado por Rider en Estados Unidos.

Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro. Uno de los cilindros se calienta mediante un mechero de gas o alcohol y el otro se enfría mediante aletas o agua. El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor. 

Beta

El motor original de Stirling era de este tipo. Consta de un cilindro, con una zona caliente y una zona fría.

En el interior del cilindro está el desplazador cuya misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa.

Concéntrico con el desplazador se encuentra el pistón de potencia y mediante un cigüeñal especial el movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione.

Desde el punto de vista termodinámico es el motor más eficaz, pero su construcción es complicada ya que el pistón debe de tener dos bielas y permitir el paso del vástago que mueve el desplazador.