Motor Stirling : un motor térmico en el que el fluido de trabajo en forma de gas o líquido se mueve en un volumen cerrado, un tipo de motor de combustión externa . Se basa en el calentamiento y enfriamiento periódicos del fluido de trabajo con la extracción de energía del cambio de presión resultante. Puede funcionar no solo a partir de la combustión de combustible , sino también a partir de cualquier fuente de calor.
El motor Stirling fue patentado por primera vez por el sacerdote escocés Robert Stirling el 27 de septiembre de 1816 (patente inglesa n.° 4081 1819). Sin embargo, los primeros "motores de aire caliente" elementales ya se conocían a finales del siglo XVII , mucho antes de Stirling. El logro de Stirling es la adición de un nodo, al que llamó "economía".
En la literatura científica moderna, este nodo se denomina " regenerador ". Aumenta el rendimiento del motor al mantener el calor en la parte caliente del motor mientras se enfría el fluido de trabajo . Este proceso mejora en gran medida la eficiencia del sistema. La mayoría de las veces, el regenerador es una cámara llena de alambre, gránulos, papel de aluminio corrugado (las corrugaciones van en la dirección del flujo de gas). El gas, al pasar por la llenadora en un sentido, cede calor al regenerador, y al moverse en el otro sentido, se lo lleva. El regenerador puede ser externo en relación con los cilindros, o puede colocarse en el pistón desplazador en configuraciones β y γ. En este último caso, las dimensiones y el peso de la máquina son menores. Parcialmente, el papel del regenerador lo realiza el espacio entre el desplazador y las paredes del cilindro (con un cilindro largo, la necesidad de dicho dispositivo desaparece por completo, pero aparecen pérdidas significativas debido a la viscosidad del gas). En α-stirling, el regenerador solo puede ser externo. Se instala en serie con el intercambiador de calor, en el que se calienta el fluido de trabajo, desde el lado del pistón frío.
En 1843, el hermano del inventor, James Stirling, utilizó este motor en una fábrica donde trabajaba como ingeniero en ese momento. [1] En 1938, Philips invirtió en un motor Stirling con más de 200 caballos de fuerza y más del 30 % de eficiencia. El motor Stirling tiene una serie de ventajas y fue ampliamente utilizado en la era de las máquinas de vapor.
En el siglo XIX , los ingenieros querían crear un reemplazo seguro para las máquinas de vapor de la época, cuyas calderas a menudo explotaban debido a las altas presiones del vapor y los materiales inadecuados para su construcción. Una buena opción llegó con la creación del motor Stirling, que podía convertir cualquier diferencia de temperatura en trabajo. El principio básico del motor Stirling es la alternancia constante de calentamiento y enfriamiento del fluido de trabajo en un cilindro cerrado. Por lo general, el aire actúa como fluido de trabajo , pero también se utilizan hidrógeno y helio . Se probaron freones, dióxido de nitrógeno, propano-butano licuado y agua en una serie de prototipos. En este último caso, el agua permanece en estado líquido en todas las partes del ciclo termodinámico. Las características de "stirling" con un fluido de trabajo líquido son pequeñas dimensiones, alta densidad de potencia y altas presiones de operación. También hay un "stirling" con un fluido de trabajo de dos fases. También se caracteriza por una alta potencia específica, alta presión de trabajo.
Se sabe por la termodinámica que la presión , la temperatura y el volumen de un gas ideal están interconectados y siguen la ley , donde:
Esto significa que cuando un gas se calienta, su volumen aumenta y cuando se enfría, disminuye. Cuando se calienta, el gas funciona (por ejemplo, empuja un pistón) y se enfría. Es más fácil comprimir un gas enfriado que mantener uno caliente en expansión (se “gasta” menos trabajo en comprimir un gas frío que el trabajo que se libera al calentar y expandir el mismo gas). Esta propiedad de los gases es la base del funcionamiento del motor Stirling.
El motor Stirling es reversible. Si el eje gira por una fuerza externa, entonces, en un lado del volumen de trabajo, el gas se calentará y en el otro lado se enfriará.
El motor Stirling utiliza el ciclo Stirling , que es termodinámicamente tan eficiente como el ciclo Carnot , e incluso tiene una ventaja. El hecho es que el ciclo de Carnot consta de isotermas y adiabáticas que difieren poco entre sí. La implementación práctica de este ciclo no es prometedora. El ciclo de Stirling permitió obtener un motor que funciona en la práctica en un tamaño aceptable.
El ciclo de Stirling consta de cuatro fases y está separado por dos fases de transición: calentamiento, expansión, transición a una fuente fría, enfriamiento, compresión y transición a una fuente de calor. Así, al pasar de una fuente caliente a una fuente fría, el gas en el cilindro se expande y se contrae. En este caso, la presión cambia, por lo que se puede obtener un trabajo útil.
El calentamiento y enfriamiento del fluido de trabajo (secciones 4 y 2) son producidos por el regenerador. Idealmente, la cantidad de calor emitido y extraído por el regenerador es la misma. El trabajo útil se realiza solo debido a las isotermas, es decir, depende de la diferencia de temperatura entre el calentador y el enfriador, como en el ciclo de Carnot.
Ciclo de trabajo del motor Stirling tipo β:
una
2
3
cuatro
donde: a - pistón de desplazamiento; b - pistón de trabajo; c - volante; d - fuego (área de calentamiento); e - aletas de enfriamiento (área de enfriamiento).
En la máquina de Stirling, el movimiento del pistón de trabajo se desplaza 90 ° con respecto al movimiento del pistón de desplazamiento. Según el signo de este desplazamiento, la máquina puede ser un motor o una bomba de calor. Con un cambio de 0°, la máquina no produce ningún trabajo útil.
El ciclo Stirling se considera un accesorio indispensable del motor Stirling. Al mismo tiempo, un estudio detallado de los principios de funcionamiento de muchos diseños creados hasta la fecha muestra que una parte importante de ellos tienen un ciclo de trabajo diferente al ciclo de Stirling. Por ejemplo, el α-stirling con pistones de diferentes diámetros tiene un ciclo más parecido al ciclo de Ericsson . Las configuraciones β y γ, que tienen un diámetro bastante grande de la varilla del pistón-desplazador, también ocupan una posición intermedia entre los ciclos Stirling y Ericsson.
Cuando el desplazador se mueve en la configuración β, el cambio en el estado del fluido de trabajo no ocurre a lo largo de la isocora, sino a lo largo de una línea inclinada intermedia entre la isocora y la isobara . Con una cierta relación entre el diámetro de la varilla y el diámetro total del desplazador, se puede obtener una isobara (esta relación depende de las temperaturas de operación). En este caso, el pistón, que anteriormente era un trabajador, juega solo un papel auxiliar y la varilla desplazadora se convierte en un verdadero trabajador. La potencia específica de un motor de este tipo es aproximadamente 2 veces mayor que en el "stirling" habitual, menores pérdidas por fricción, ya que la presión sobre el pistón es más uniforme. Una imagen similar se encuentra en α-stirlings con diferentes diámetros de pistón.
Un motor con diagrama intermedio puede tener una carga distribuida uniformemente entre los pistones, es decir, entre el pistón de trabajo y la varilla desplazadora.
Una ventaja importante de que el motor funcione en el ciclo de Ericsson o cerca de él es que la isocora se reemplaza por la isobara o un proceso cercano a ella. Cuando el fluido de trabajo se expande a lo largo de la isobara, no hay cambios de presión, ni transferencia de calor, excepto la transferencia de calor del regenerador al fluido de trabajo. Y este calentamiento inmediatamente hace un trabajo útil. Con la compresión isobárica, el calor se transfiere al refrigerante.
En el ciclo de Stirling, cuando el fluido de trabajo se calienta o se enfría a lo largo de la isocora, se producen pérdidas de calor debido a procesos isotérmicos en el calentador y el enfriador.
Los ingenieros clasifican los motores Stirling en tres tipos diferentes:
α-Stirling
β-Stirling con mecanismo rómbico y regenerador
γ-Stirling sin regenerador
También hay variedades del motor Stirling que no se incluyen en los tres tipos clásicos anteriores:
Los incidentes de ingeniería incluyen un "motor de dos cojinetes", que es esencialmente un "stirling" con un fluido de trabajo sólido (la corriente de una máquina de soldadura eléctrica calienta localmente las bolas del cojinete, lo que conduce a su "abultamiento" local y extrusión en una dirección ), así como "agitación" con un fluido de trabajo líquido (desarrolla un par de torsión enorme, pero debido a la falta de propiedades de compresibilidad en los líquidos, requiere una transferencia muy brusca, casi instantánea, del desplazador de una posición a otra cerca del puntos muertos del pistón de trabajo; esto no es muy compatible con la viscosidad de los líquidos).
Sin embargo, el motor Stirling tiene ventajas que obligan a desarrollarlo.
El motor Stirling es aplicable en los casos en que se necesita un pequeño convertidor de energía térmica, de diseño simple, o cuando la eficiencia de otros motores térmicos es menor: por ejemplo, si la diferencia de temperatura no es suficiente para operar una turbina de vapor o de gas. .
Los motores Stirling se pueden utilizar para convertir cualquier calor en electricidad. Las esperanzas están puestas en ellos para la creación de plantas de energía solar. Se utilizan como generadores autónomos para turistas. Algunas empresas producen generadores que funcionan con el quemador de una estufa de gas. La NASA está considerando opciones para generadores basados en Stirling alimentados por fuentes de calor nuclear y de radioisótopos [5] . Un generador de radioisótopos Stirling (ASRG) especialmente diseñado se utilizará en la misión del sistema Titán Saturno planificada por la NASA [6]
La eficiencia de los sistemas de calefacción o refrigeración aumenta si se instala una bomba de circulación forzada en el circuito. La instalación de una bomba eléctrica reduce la capacidad de supervivencia del sistema, y en los sistemas de energía domésticos no autónomos es desagradable porque el medidor eléctrico "carga" una cantidad tangible. Una bomba que utiliza el principio del motor Stirling resuelve este problema.
"Stirling" para bombear líquidos puede ser mucho más simple que el esquema habitual de "motor-bomba". En un motor Stirling, en lugar de un pistón de trabajo, se puede usar un líquido bombeado, que al mismo tiempo sirve para enfriar el fluido de trabajo.
Una bomba basada en un motor Stirling se puede utilizar para bombear agua a los canales de riego utilizando calor solar, para suministrar agua caliente desde un colector solar a una casa (en los sistemas de calefacción, se intenta instalar un acumulador de calor lo más bajo posible para que el agua va a los radiadores por gravedad).
La bomba Stirling se puede utilizar para bombear productos químicos porque está sellada herméticamente.
Una bomba Stirling de pistón líquido utiliza un ciclo diferente al ciclo Stirling. Su diagrama PV idealizado es rectangular y consta de dos isocoras y dos isobaras. La eficiencia es aproximadamente 2 veces peor que la del ciclo de Carnot (y el ciclo de Ericsson) para la misma diferencia de temperatura.
Las bombas de calor permiten ahorrar en calefacción [7] . El principio de funcionamiento es el mismo que el de un acondicionador de aire (un acondicionador de aire es la misma bomba de calor), solo que el acondicionador de aire generalmente enfría la habitación calentando el espacio circundante, y la bomba de calor, por regla general, calienta la habitación enfriando el aire exterior, el agua de un pozo u otra fuente de calor de bajo grado. Por lo general, se utilizan bombas de calor impulsadas por electricidad. Pero la electricidad en varios países se produce en centrales térmicas que queman gas, carbón, fuel oil y, como resultado, la caloría recibida de dicha bomba de calor no es más barata que la que se obtiene quemando gas. Un dispositivo que combina un motor Stirling y una bomba de calor Stirling hace que la situación sea más favorable. El motor Stirling transfiere el calor residual del cilindro "frío" al sistema de calefacción y la energía mecánica resultante se utiliza para bombear calor adicional que se extrae del medio ambiente. Una bomba de calor híbrida "stirling-stirling" es más sencilla que una combinación de dos máquinas stirling. No hay pistones de trabajo en el dispositivo en absoluto. Las diferencias de presión que se producen en el motor se aprovechan directamente para transferir calor mediante la bomba de calor. El espacio interno del dispositivo está sellado y permite el uso del fluido de trabajo a muy alta presión.
Casi todos los frigoríficos utilizan las mismas bombas de calor. En cuanto a los sistemas de refrigeración, su destino resultó ser más feliz. Varios fabricantes de refrigeradores domésticos van a instalar Stirlings en sus modelos. Tendrán mayores ahorros y utilizarán aire ordinario como fluido de trabajo.
El motor Stirling también puede funcionar en el modo de refrigeración ( ciclo Stirling inverso ). Para hacer esto, es puesto en marcha por cualquier otro motor externo (incluso con la ayuda de otro Stirling). Tales máquinas demostraron ser efectivas para licuar gases. Si no se requieren grandes volúmenes (por ejemplo, en un laboratorio), entonces los "stirlings" son más rentables que las unidades de turbina .
Los "Stirlings" pequeños son beneficiosos para usar sensores de enfriamiento en dispositivos ultraprecisos.
Las ventajas del "stirling" llevaron a que ya en la primera mitad de la década de 1960, los libros de referencia navales indicaran la posibilidad de instalar motores Stirling independientes del aire en submarinos tipo Schöurmen de fabricación sueca. Sin embargo, ni los Sjöurmen ni los Nakken y Vesterjötland que les siguieron recibieron estas centrales eléctricas. Y solo en 1988, el submarino principal del tipo Nakken se convirtió en motores Stirling. Con ellos, estuvo bajo el agua durante más de 10.000 horas. En otras palabras, fueron los suecos quienes abrieron la era de los sistemas auxiliares de propulsión anaeróbica en la construcción naval submarina. Y si el Nakken es el primer barco experimental de esta subclase, los submarinos de la clase Gotland se convirtieron en los primeros barcos en serie con motores Stirling, que les permiten permanecer bajo el agua de forma continua hasta 20 días. En la actualidad, todos los submarinos de la Armada sueca están equipados con motores Stirling, y los constructores navales suecos ya han desarrollado la tecnología para equipar los submarinos con estos motores cortando un compartimento adicional, que alberga el nuevo sistema de propulsión. Los motores funcionan con oxígeno líquido, que luego se utiliza para respirar, tienen un nivel de ruido muy bajo y las desventajas mencionadas anteriormente (tamaño y refrigeración) no son significativas en un submarino.
Los últimos submarinos japoneses del tipo Soryu están equipados con 4 motores Kawasaki Kockums V4-275R Stirling de 8.000 hp. Con.
En la actualidad, el motor Stirling se considera un prometedor motor todo modo único para submarinos no nucleares de quinta generación.
Se puede utilizar para almacenar energía utilizando acumuladores de calor de sales fundidas como fuente de calor. Tales baterías son superiores en términos de almacenamiento de energía a las baterías químicas y son más baratas. Usando un cambio en el ángulo de fase entre los pistones para ajustar la potencia, es posible acumular energía mecánica al frenar el motor. En este caso, el motor se convierte en una bomba de calor.
El motor Stirling se puede utilizar para convertir la energía solar en energía eléctrica. Para ello, se instala el motor Stirling en el foco de un espejo parabólico (similar a la forma de una antena parabólica) para que la zona de calentamiento esté constantemente iluminada. El reflector parabólico se controla en dos coordenadas al seguir al sol. La energía del sol se concentra en un área pequeña. Los espejos reflejan alrededor del 92% de la radiación solar que cae sobre ellos. El fluido de trabajo de un motor Stirling suele ser hidrógeno o helio .
En febrero de 2008, el Laboratorio Nacional Sandia logró una eficiencia del 31,25 % en un montaje compuesto por un reflector parabólico y un motor Stirling [8] .
La copia de archivo de Stirling Energy Systems con fecha del 31 de marzo de 2019 en Wayback Machine ha estado desarrollando colectores solares de alta potencia, hasta 150 kW por espejo. La compañía estaba construyendo la planta de energía solar más grande del mundo en el sur de California , pero no logró competir con la competencia cuando cayeron los precios de las células solares fotovoltaicas subsidiadas.