Motor Stirling

Universidad de Chile Escuela de Verano 2009 Curso de Energía Renovable

Guía Teórica Experiencia Motor Stirling

Escrito por: Diego Huarapil
Enero 2009

Introducción
El Motor Stirling es un motor térmico, es decir, que utiliza la energía térmica para generar energía mecánica. Este motor funciona al aplicar calor a un foco el cual transmite calor a un gas que hace el trabajo. Su principioradica en una diferencia de temperatura en diferentes focos que hace expandir y contraer este gas, el cual mueve los pistones del motor.

Un poco de historia El motor nació en 1884, por el escoses Robert Stirling, donde el motivo principal era desplazar el motor a caldera, y tener algo menos peligroso. Se hicieron diversas configuraciones durante los primeros años que permitían diversasaplicaciones. Pero en esos años, no se podía generar tanto calor exteriormente por lo que su uso no se amplió a otras áreas, donde la combustión interna iba dominando en el mundo industrial, ya que era más económico pero no tan eficiente. No fue hasta la década de los 70’s que el motor Stirling comenzó a resurgir como posible uso en generación a nivel masivo.

Funcionamiento
El funcionamiento delmotor Stirling radica en la diferencia de temperatura que se genera entre los focos del motor, un foco a baja temperatura y uno a alta. Esta diferencia hace que el gas que se utiliza (puede ser hidrogeno, aire, etc.) entre en un ciclo termodinámico, en el cual el gas se desplaza cíclicamente por convección, de esta manera permite mover los pistones en cada ciclo. Veamos un grafico donde se ilustraeste ciclo:

En este grafico podemos ver la relación entre el volumen y la presión, a diferentes temperaturas, donde T1 es mayor a T2. Podemos observar también que estas curvas no se cortan entre sí, y que muestran una relación inversamente proporcional entre volumen y presión. En otras palabras, cumple la relación de los gases ideales:

Donde: = Presión, se mide en la Fuerza dividida porunidades de Área [ ] = Volumen, se mide en [mts2]. = Moles de gas que se miden en [mol]. = Constante universal de los gases ideales. [Newton ∙ metro ∙ mol-1 ∙ °K-1]. = Temperatura en Kelvin [°K]. Esto es la medición de la temperatura absoluta. La relación entre grados Celcius y Kelvin es: .

En las siguientes imágenes se pueden ilustrar dos formas de construcción del motor Stirling y sufuncionamiento:

Esto nos permite ver cuál es el proceso que utiliza el motor para moverse. El ciclo se inicia en la posición 1, donde el gas tiene una presión mayor a todos los estados. Esta se mueve a la posición 2 donde el gas se relaja y comienza a aumentar su volumen a una misma temperatura y los pistones pueden moverse. Para devolver a estos a su posición de inicio, se enfría el gas pasando desde laposición 2 a la 3, donde la curva es de menor temperatura T2, por lo que este se comienza a contraerse, haciendo que los pistones vuelvan a su posición de inicio, y el ciclo termina en la figura 4 cuando los pistones vuelven a su posición de inicio y el gas al mismo volumen que al inicio pero a presión menor. Luego el gas se vuelve a calentar a una temperatura T1 y el ciclo comienzo nuevamente.Eficiencia En términos teóricos, el motor Stirling puede alcanzar una eficiencia del orden del 90% (eficiencia de Carnot). Lamentablemente, los materiales y las formas de fabricación aun no son lo suficientemente buenos para alcanzar tal eficiencia, pero día a día se mejora en cuanto a la construcción de este motor. Se trata de un ciclo reversible, es decir que en vez de proporcionarle unadiferencia de temperatura y generar trabajo mecánico, es posible entregarle energía mecánica y producir calor o frío, dependiendo del foco que se use. Se dice que es un ciclo cerrado (el gas nunca abandona el ciclo) y degenerativo (utiliza un “intercambiador” de calor que aumenta la eficiencia).

Ventajas y Desventajas
Ventajas Las ventajas del motor Stirling consisten en que no necesariamente...