Un motor Stirling es un motor térmico alternativo que utiliza el calor de una fuente externa para crear energía para el ciclo de trabajo. Este calor suele obtenerse por combustión externa, por lo que se trata de un motor de combustión externa.

Este tipo de motor utiliza energía química obtenida al quemar combustible para calentar la sustancia de trabajo, que posteriormente realiza trabajo en el motor. La combustión siempre tiene lugar fuera del motor y la sustancia de trabajo suele ser gas.

La historia del motor Stirling en pocas palabras

El desarrollo del motor Stirling comenzó a principios del siglo XIX cuando el ingeniero y clérigo escocés Robert Stirling intentó crear una alternativa más segura a los motores de vapor, que eran conocidos por explotar. El motor Stirling fue patentado en 1816. En los años siguientes, experimentó varias mejoras para aumentar la eficiencia. Los hermanos Stirling también patentaron un motor de aire caliente en 1827.

Durante los siglos XIX y XX, los motores Stirling experimentaron un mayor interés e innovación, especialmente durante la escasez de combustible o los períodos de rápido progreso tecnológico. Hoy en día, los motores Stirling vuelven a cobrar protagonismo como una alternativa ecológica a los motores de combustión tradicionales.

La construcción del motor Stirling

En términos de diseño, el motor Stirling tiene muchas ventajas sobre otros motores de combustión. El motor es robusto y tiene una construcción simple, lo que lo hace muy confiable.

Este motor está encapsulado y estanco, lo que permite su uso, por ejemplo, bajo el agua o en el vacío. Dado que el combustible no se quema dentro del motor, no se producen ruidos ni vibraciones innecesarias.

El motor es, por lo tanto, más silencioso, más refinado y tiene una vida útil más larga que los motores de combustión interna clásicos porque sus partes están menos solicitadas. La eficiencia del motor Stirling es la misma, a veces incluso mayor, que la de los mejores motores diésel. Sin embargo, su mayor ventaja es que se pueden utilizar diferentes tipos de combustible para impulsar el motor.

¿Cómo funciona un motor Stirling monocilíndrico?

Inicialmente, el gas está a baja temperatura y, por lo tanto, la presión se encuentra entre los pistones de trabajo inferior (fuga) y superior (apretado), que están interconectados. El pistón inferior se mueve hacia la parte superior del cilindro y expulsa el gas, que fluye alrededor del pistón hacia la parte inferior del cilindro, que es calentada por una fuente de calor externa.

Gracias al calentamiento, la temperatura del gas dentro del cilindro aumenta. El gas aumenta así su volumen y presión y se expande hacia arriba mientras fluye de nuevo alrededor del pistón con fugas.

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En la parte superior del cilindro, el gas se enfría, reduciendo su volumen y presión, lo que hace que el pistón de trabajo se desplace hacia abajo, elevando el pistón con fugas hacia arriba y permitiendo que el gas regrese al fondo del cilindro, que se calienta. Este ciclo sigue repitiéndose.

¿Cómo funciona un motor Stirling de dos o más cilindros?

Una fuente de calor externa calienta el cilindro rojo. El gas en el cilindro aumenta su volumen y presión, empujando el pistón del cilindro (rojo) hacia arriba. Después de que el pistón alcanza el límite superior del cilindro, el gas fluye a través del tubo hacia el segundo cilindro (azul).

Allí se enfría, gracias a lo cual reduce su volumen y presión, lo que hace que el pistón caiga, lo que empuja el gas enfriado hacia el cilindro calentado.

Ventajas del motor Stirling

El motor Stirling tiene un uso versátil y una eficiencia comparable a los motores de chispa o diesel. Como se mencionó, es un motor con combustión externa, lo que genera menos sustancias nocivas.

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Dado que ninguna sustancia entra o sale del motor, es posible utilizar el llenado más adecuado en los cilindros. Las principales ventajas del motor Stirling incluyen las siguientes:

1. Versatilidad del combustible: los motores Stirling pueden funcionar prácticamente con cualquier fuente de calor, lo que los hace adaptables a una amplia gama de combustibles, incluidas las fuentes de energía renovable, como la energía solar.
2. Alta eficiencia: Gracias al regenerador y los procesos isotérmicos, los motores Stirling pueden alcanzar una mayor eficiencia térmica en comparación con los motores de combustión.
3. Bajas emisiones: el proceso de combustión externa genera menos emisiones y menos contaminación, lo que convierte a los motores Stirling en una solución respetuosa con el medio ambiente. Menos sustancias nocivas entran en el aire debido a la ausencia de aceite en el combustible.
4. Funcionamiento silencioso: los motores Stirling funcionan con un ruido y vibración mínimos porque no hay combustión interna ni eliminación rápida de gases de escape.

Combustibles para el motor Stirling

Como ya se mencionó, una gran ventaja del motor Stirling sobre otros motores de combustión es que se puede utilizar una amplia gama de combustibles diferentes para alimentar el motor, como:

• Gas natural (consigue los mejores resultados desde un punto de vista económico pero también ecológico)
• Combustibles líquidos y gaseosos
• Combustibles sólidos
• Biomasa (astillas de madera, residuos vegetales y otros...) • • • Biogás (gas de vertederos, depuradoras, gas de coque)
• Energía solar
• muchos más...

Aparte del motor Stirling, ningún otro motor puede utilizar un grupo tan amplio de fuentes diferentes para su propulsión.

Desventajas del motor Stirling

Como cualquier otro dispositivo, el motor Stirling tiene pros y contras. Entre las desventajas de este motor podemos incluir las siguientes:

• Relación peso-potencia más baja: en comparación con los motores de combustión, los motores Stirling tienen una relación peso-potencia más baja.
• Diseño complejo: los motores Stirling tienen un diseño más complejo, lo que genera mayores costos de producción y un mantenimiento más problemático.
• La complejidad de los materiales: La transferencia de calor eficiente entre la cámara fría y caliente es esencial para un rendimiento óptimo. Por lo tanto, los requisitos para los materiales de sellado son altos y, por lo tanto, los costos de producción.

Uso del motor Stirling

El motor Stirling se utiliza en una amplia gama de aplicaciones debido a su versatilidad y propiedades únicas:

• Generación de energía: el motor Stirling puede generar electricidad en áreas remotas utilizando calor residual o fuentes de energía renovables como la energía solar.
• Cogeneración: en los sistemas combinados de calor y electricidad (CHP), un motor Stirling puede recuperar el calor residual de procesos industriales o edificios, aumentando la eficiencia energética.
• Propulsión marina: el motor Stirling se utiliza en submarinos y otras embarcaciones navales para un funcionamiento silencioso y ahorro de combustible.
• Energía de naves espaciales: Los generadores Stirling de radioisótopos se utilizan como fuente de energía para misiones en el espacio, como el Generador Stirling de radioisótopos avanzado de la NASA (ASRG).

Futuras innovaciones

Los motores Stirling están preparados para desempeñar un papel importante en la transición hacia soluciones energéticas más limpias y eficientes. Las áreas potenciales para la innovación futura incluyen:

• Energía solar: los sistemas de energía solar concentrada pueden usar motores Stirling para convertir la luz solar en electricidad, ofreciendo un recurso renovable.
• Recuperación del calor residual: El desarrollo de materiales y diseños avanzados puede mejorar aún más la eficiencia de los motores Stirling, convirtiéndolos en una opción atractiva para la recuperación del calor residual y el ahorro energético.
• Uso en automoción: aunque aún no está muy extendida, la integración de los motores Stirling en los sistemas de vehículos híbridos podría ayudar a reducir el consumo de combustible y las emisiones.

Datos interesantes sobre el motor Stirling

• Primer motor patentado: El motor Stirling fue el primer motor patentado, que recibió su patente en 1816, incluso antes que el motor de combustión interna.
• Innovación en seguridad: el motor Stirling se desarrolló originalmente como una alternativa más segura a los motores de vapor propensos a explosiones debido al vapor a alta presión.
• Submarinos suecos: La Armada sueca ha estado utilizando motores Stirling en sus submarinos de clase Gotland desde 1996, aprovechando el funcionamiento silencioso y la eficiencia de los motores.
• Philips Electronics: en la década de 1950, Philips Electronics desarrolló una gama de motores Stirling para usar en radios y otros pequeños electrodomésticos, lo que ayudó a popularizar la tecnología.
• Motor Stirling con el funcionamiento más largo: el motor Stirling con el funcionamiento continuo más largo se encuentra en la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda. Este motor, conocido como Canterbury Ringbom, ha estado en servicio desde 1986.

Preguntas frecuentes sobre el motor Stirling

P: ¿Se puede usar un motor Stirling en un automóvil?

Respuesta: El motor Stirling aún no se ha generalizado para el uso automotriz debido a su menor relación potencia-peso y complejidad. Sin embargo, puede integrarse en sistemas de vehículos híbridos para mejorar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones.

Pregunta: ¿Cómo se compara la eficiencia de un motor Stirling con la de un motor de combustión interna?

Respuesta: El motor Stirling puede lograr una mayor eficiencia térmica en comparación con los motores de combustión interna, a menudo logrando eficiencias del 30-40 % o más, mientras que los motores de combustión interna suelen tener una eficiencia de alrededor del 20-25 %.

Pregunta: ¿Cuáles son los principales factores que afectan la eficiencia de un motor Stirling?

Respuesta: La eficiencia de un motor Stirling depende de varios factores, incluida la diferencia de temperatura entre las cámaras caliente y fría, el diseño del regenerador, el gas de trabajo y las pérdidas mecánicas en el motor.

P: ¿Cómo arranca un motor Stirling?

Respuesta: Un motor Stirling requiere una fuente de calor externa para comenzar a funcionar. Una vez que el gas de trabajo se calienta y comienza a expandirse, el motor arrancará y seguirá funcionando mientras se mantenga la fuente de calor.

P: ¿Qué gas de trabajo se usa en un motor Stirling?

Respuesta: El gas de trabajo en un motor Stirling puede variar según el diseño y la aplicación específicos. Los gases comúnmente utilizados incluyen aire, hidrógeno, helio y nitrógeno.

Conclusión

El motor Stirling ofrece una combinación única de versatilidad de combustible, alta eficiencia y bajas emisiones, lo que lo hace posible para una amplia gama de aplicaciones. A medida que avance la tecnología, aumentará el potencial del motor Stirling, así como su uso en diversos campos.

Vea un motor Stirling en funcionamiento en una versión reducida: