Ciclo Stirling

Ciclo Stirling

Historia

Robert Stirling fue un clérigo Escocés que, heredando el interés de su padre por la ingeniería, diseñó en 1816 un motor térmico que funcionaba sin peligro de las explosiones y quemaduras que tenia la maquina de vapor (ya que el material de las calderas no era lo suficientemente resistente y llegaban a explotar) . Posteriormente sería el francés Sadi Carnot el quehiciera una interpretación teórica de su funcionamiento para comprender el fenómeno de producir fuerza motriz partiendo del calor que fluye entre dos focos a distinta temperatura. Si bien en potencia no podía competir con la, famosa por entonces, máquina de vapor, era el motor de Stirling una máquina mucho más sencilla, barata y segura y se aseguró un campo de aplicación allí donde la fuerza no fueraun factor tan decisivo diseñándose así ventiladores y bombas de agua basadas en el principio de la expansión y la compresión del aire.

Descripción

* Diagrama

* Explicación

El ciclo termodinámico del motor de Stirling visto en la gráfica de presión contra volumen, se compone de dos procesos isotermos (se mantiene constante la temperatura) y de dos procesosisócoros (se mantiene constante el volumen), veámoslo en detalle:


Si partimos por ejemplo de la situación en la que el pistón desplazador se encuentra en la posición más baja, el aire se encontrará por competo en la cámara fría del cilindro, supongamos pues que esas condiciones son de temperatura T1, volumen V1 y presión P1. Ahora el pistón desplazadorcomienza subir y en consecuencia el aire comienza a ser enviado a la parte caliente del cilindro [trazo A, isócoro], se supone que este proceso se hace a volumen constante y por lo tanto cuando ya está todo el aire en la parte caliente las condiciones son de volumen V1, de temperatura T2 (mayor que T1) y de presión P2 (mayor que P1). El aire, al estar más caliente y con mayor presión comienza aexpansionarse generando trabajo mecánico [trazo B, isoterma], al expandirse su volumen pasa a ser V2 (mayor que V1) y su presión desciende a P3 sin embargo mantiene su temperatura T2.
Llegado este punto el pistón desplazador comienza de nuevo su recorrido descendente y envía de nuevo todo el aire a la parte fría del cilindro sin cambiar el volumen V2 [trazo C, isócoro], la temperatura bajaa T1 y la presión a P4. Por último volvemos al punto de partida del ciclo al comprimirse el aire manteniendo su temperatura T1 y reduciendo su
volumen a V1 y con presión P1 [trazo D, isoterma]. De esta manera comienza el ciclo de nuevo.

El diagrama Presión-Volumen aporta la ventaja de poder “ver” gráficamente el trabajo externo desarrollado por la máquinapues coincide con el área encerrada en el ciclo (al multiplicar presión por volumen las unidades físicas resultantes son de trabajo).
Cuanto mayor sea el área del ciclo mayor es la potencia del motor de lo que se puede deducir que a mayor diferencia de temperaturas entre los focos mayor es la distancia entre las dos isotermas y por lo tanto mayor es la potencia del motor.

Ejemplo

Parailustrar el ciclo presentamos el siguiente ejercicio:

Innovaciones actuales (aplicaciones)

Aeronaves
Uno de los usos que pueden sorprender más del motor Stirling (MS) es en la propulsión de aeronaves, y es que el MS tiene unas cualidades que lo hacen idóneo para algunas aplicaciones en aviación.
* Es silencioso. Todos sabemos lo ruidosos que pueden ser los aviones, desde los reactores hastalas pequeñas avionetas equipadas con motores de explosión. El MS puede traer mejoras tanto para el confort de los viajeros como de los residentes en las cercanías de los aeropuertos.
* Menos vibraciones. Los MS se caracterizan por su bajo nivel de vibraciones debido a que no se produce la explosión en los cilindros (esta ventaja no es relevante en los motores a reacción). La reducción de las...