Motor Stirling

Un modelo de un motor Stirling mostrando su sencillez. A diferencia del motor de vapor o motor de combustión interna, no tiene válvulas ni tren de tiempo. La fuente de calor (no se muestra) se colocaría debajo del cilindro de latón.

Un motor Stirling es un motor térmico que funciona mediante la compresión y expansión cíclica de aire u otro gas (el fluido de trabajo) entre diferentes temperaturas, lo que resulta en una Conversión neta de energía térmica en trabajo mecánico.

Más específicamente, el motor Stirling es un motor térmico regenerativo de ciclo cerrado, con un fluido de trabajo gaseoso permanente. Ciclo cerrado, en este contexto, significa un sistema termodinámico en el que el fluido de trabajo está contenido permanentemente dentro del sistema. Mientras que regenerativo describe el uso de un tipo específico de intercambiador de calor interno y acumulador térmico, conocido como regenerador. En rigor, la inclusión del regenerador es lo que diferencia a un motor Stirling de otros motores de aire caliente de ciclo cerrado.

En el motor Stirling, un gas se calienta y se expande mediante la energía suministrada desde el exterior del espacio interior del motor (cilindro). Luego se desvía a una ubicación diferente dentro del motor, donde se enfría y comprime. Un pistón (o pistones) mueven el gas a los lugares correctos dentro del motor, en el momento correcto del ciclo, y extraen energía mecánica de él. El gas oscila entre estos espacios de calentamiento y enfriamiento, cambiando la temperatura y la presión a medida que avanza. Una característica única es el regenerador, que actúa como un depósito de calor temporal al retener el calor dentro de la máquina en lugar de descargarlo en el disipador de calor, lo que aumenta su eficiencia.

El calor se suministra desde el exterior, por lo que la zona caliente del motor se puede calentar con cualquier fuente de calor externa. De manera similar, la parte más fría del motor puede mantenerse mediante un disipador de calor externo, como agua corriente o flujo de aire. El gas queda permanentemente retenido en el motor, lo que permite utilizar un gas con las propiedades más adecuadas, como el helio o el hidrógeno. No hay admisión ni flujo de gases de escape, por lo que la máquina es prácticamente silenciosa.

La máquina es reversible, por lo que si una fuente de alimentación externa gira el eje, se desarrollará una diferencia de temperatura en toda la máquina; de esta manera actúa como una bomba de calor.

El motor Stirling fue inventado por el escocés Robert Stirling en 1816 como motor industrial principal para competir con el motor de vapor, y su uso práctico se limitó en gran medida a aplicaciones domésticas de baja potencia durante más de un siglo.

La inversión contemporánea en energías renovables, especialmente la energía solar, ha dado lugar a su aplicación dentro de la energía solar concentrada y como bomba de calor.

Historia

Ilustración de la aplicación de patente 1816 de Robert Stirling del diseño del motor de aire que más tarde llegó a ser conocido como el motor de Stirling

Primeros motores de aire caliente

Robert Stirling es considerado uno de los padres de los motores de aire caliente, a pesar de algunos predecesores anteriores, en particular Guillaume Amontons, quien logró construir, en 1699, el primer motor de aire caliente en funcionamiento.

Amontons fue seguido más tarde por Sir George Cayley. Este tipo de motor era de aquellos en los que el fuego está encerrado y alimentado por aire bombeado debajo de la parrilla en cantidad suficiente para mantener la combustión, mientras que la mayor parte del aire entra por encima del fuego para calentarse y expandirse; el conjunto, junto con los productos de la combustión, actúa entonces sobre el pistón y pasa a través del cilindro de trabajo; y siendo la operación de mezcla simple solamente, no se requiere una superficie de calentamiento de metal, poniéndose el aire a calentar en contacto inmediato con el fuego.

Stirling ideó un primer motor de aire en 1816. El principio del motor de aire Stirling difiere del de Sir George Cayley (1807), en el que el aire es forzado a través del horno y expulsado, mientras que en Stirling' s motor el aire trabaja en un circuito cerrado. El inventor dedicó la mayor parte de su atención a eso.

Un motor de 2 caballos de fuerza (1,5 kW), construido en 1818 para bombear agua en una cantera de Ayrshire, siguió funcionando durante algún tiempo, hasta que un asistente descuidado permitió que el calentador se sobrecalentara. Este experimento demostró al inventor que, debido a la baja presión de trabajo obtenible, el motor sólo podía adaptarse a pequeñas potencias para las que, en ese momento, no había demanda.

La patente de Stirling de 1816 también se refería a un 'economizador', que es el predecesor del regenerador. En esta patente (# 4081) describe el "economizador" tecnología y varias aplicaciones donde dicha tecnología puede ser utilizada. De ellos surgió un nuevo arreglo para un motor de aire caliente.

Stirling patentó un segundo motor de aire caliente, junto con su hermano James, en 1827. Invirtieron el diseño para que los extremos calientes de los desplazadores quedaran debajo de la maquinaria y agregaron una bomba de aire comprimido para que el aire del interior pudiera ser aumentó su presión a alrededor de 20 atmósferas estándar (2000 kPa).

Los dos hermanos Stirling fueron seguidos poco después (1828) por Parkinson & Crossley y Arnott en 1829.

Estos precursores, a los que hay que añadir Ericsson, han traído al mundo la tecnología de los motores de aire caliente y sus enormes ventajas frente a la máquina de vapor. Cada uno de ellos vino con su propia tecnología específica, y aunque el motor Stirling y el Parkinson & Los motores Crossley eran bastante similares, Robert Stirling se distinguió por inventar el regenerador.

Parkinson y Crosley introdujeron el principio de utilizar aire de mayor densidad que la de la atmósfera, y así obtuvieron un motor de mayor potencia en el mismo compás. James Stirling siguió esta misma idea cuando construyó el famoso motor Dundee.

La patente de Stirling de 1827 fue la base de la tercera patente de Stirling de 1840. Los cambios con respecto a la patente de 1827 fueron menores pero esenciales, y esta tercera patente condujo al motor Dundee.

James Stirling presentó su motor a la Institución de Ingenieros Civiles en 1845. El primer motor de este tipo que, después de varias modificaciones, fue construido y calentado de manera eficiente, tenía un cilindro de 30 centímetros (12 pulgadas) de diámetro, con un longitud de carrera de 60 centímetros (2 pies), y realizó 40 carreras o revoluciones en un minuto (40 rpm). Este motor movió toda la maquinaria en la fábrica de Dundee Foundry Company durante ocho o diez meses, y anteriormente se descubrió que era capaz de levantar 320 000 kg (700 000 lbs) 60 cm (2 pies) en un minuto, una potencia de aproximadamente 16 kilovatios (21 caballos de fuerza).

Encontrando esta potencia insuficiente para sus trabajos, Dundee Foundry Company erigió el segundo motor, con un cilindro de 40 centímetros (16 pulgadas) de diámetro, una carrera de 1,2 metros (4 pies) y realizando 28 carreras en un minuto.. Cuando este motor había estado en funcionamiento continuo durante más de dos años, no solo había realizado el trabajo de fundición de la manera más satisfactoria, sino que también había sido probado (mediante un freno de fricción en un tercer motor) hasta el punto de levantar casi 687 toneladas (1.500.000 libras), una potencia de aproximadamente 34 kilovatios (45 caballos de fuerza).

Invención y desarrollo temprano

El motor Stirling (o motor neumático Stirling, como se conocía en ese momento) se inventó y patentó en 1816. Fue la continuación de intentos anteriores de fabricar un motor neumático, pero probablemente fue el primero que se puso en práctica cuando, en 1818, se empleó un motor construido por Stirling bombeando agua en una cantera. El tema principal de la patente original de Stirling era un intercambiador de calor, al que llamó "economizador". por su mejora de la economía de combustible en una variedad de aplicaciones. La patente también describe en detalle el empleo de una forma de economizador en su diseño único de motor de aire de ciclo cerrado en cuya aplicación ahora se conoce generalmente como 'regenerador'. El desarrollo posterior de Robert Stirling y su hermano James, un ingeniero, resultó en patentes para varias configuraciones mejoradas del motor original, incluida la presurización, que en 1843 había aumentado la potencia lo suficiente como para impulsar toda la maquinaria en una fundición de hierro de Dundee.

Un documento presentado por James Stirling en junio de 1845 a la Institución de Ingenieros Civiles afirmaba que sus objetivos no solo eran ahorrar combustible, sino también crear una alternativa más segura a las máquinas de vapor de la época, cuyas calderas explotaban con frecuencia, provocando muchas heridos y muertos. Sin embargo, esto ha sido cuestionado.

La necesidad de que los motores Stirling funcionaran a temperaturas muy altas para maximizar la potencia y la eficiencia expuso las limitaciones de los materiales de la época, y los pocos motores que se construyeron en esos primeros años sufrieron fallas inaceptablemente frecuentes (aunque con consecuencias mucho menos desastrosas que explosiones de calderas). Por ejemplo, el motor de fundición de Dundee fue reemplazado por un motor de vapor después de tres fallas de cilindros calientes en cuatro años.

Siglo XIX posterior

Un motor de bombeo de agua de finales del siglo XIX y principios del siglo XX por la empresa Rider-Ericsson Engine

Después de la sustitución del motor de fundición de Dundee, no hay constancia de que los hermanos Stirling tuvieran más participación en el desarrollo del motor neumático, y el motor Stirling nunca más compitió con el vapor como fuente de energía a escala industrial. (Las calderas de vapor se estaban volviendo más seguras, por ejemplo, la caldera de vapor de Hartford y las máquinas de vapor eran más eficientes, por lo que presentaban un objetivo menor para los motores primarios rivales). Sin embargo, a partir de 1860, se produjeron cantidades sustanciales de motores más pequeños del tipo Stirling/aire caliente para aplicaciones en las que se requerían fuentes fiables de potencia baja a media, como el bombeo de aire para órganos de iglesia o la elevación de agua. Estos motores más pequeños generalmente operaban a temperaturas más bajas para no gravar los materiales disponibles y, por lo tanto, eran relativamente ineficientes. Su punto de venta era que, a diferencia de las máquinas de vapor, cualquiera capaz de manejar un incendio podía operarlas de manera segura. El catálogo de Rider-Ericsson Engine Co. de 1906 afirmaba que "cualquier jardinero o doméstico común puede operar estos motores y no se requiere un ingeniero con licencia o experiencia". Varios tipos permanecieron en producción más allá del final del siglo, pero aparte de algunas mejoras mecánicas menores, el diseño del motor Stirling en general se estancó durante este período.

Renacimiento del siglo XX

Philips MP1002CA Generador de escalada de 1951

Durante la primera parte del siglo XX, el papel del motor Stirling como "motor doméstico" fue absorbido gradualmente por motores eléctricos y pequeños motores de combustión interna. A fines de la década de 1930, se olvidó en gran medida, solo se produjo para juguetes y algunos ventiladores pequeños.

En esa época, Philips buscaba expandir las ventas de sus radios a partes del mundo donde la red eléctrica y las baterías no estaban disponibles de manera constante. Philips' la dirección decidió que ofrecer un generador portátil de baja potencia facilitaría dichas ventas y pidió a un grupo de ingenieros del laboratorio de investigación de la empresa en Eindhoven que evaluara formas alternativas de lograr este objetivo. Después de una comparación sistemática de varios motores primarios, el equipo decidió seguir adelante con el motor Stirling, citando su funcionamiento silencioso (tanto audible como en términos de interferencia de radio) y la capacidad de funcionar con una variedad de fuentes de calor (aceite de lámpara común - & #34;barato y disponible en todas partes" – fue favorecido). También eran conscientes de que, a diferencia de los motores de vapor y de combustión interna, prácticamente no se había llevado a cabo un trabajo de desarrollo serio en el motor Stirling durante muchos años y afirmaron que los materiales y los conocimientos modernos deberían permitir grandes mejoras.

En 1951, el grupo electrógeno de 180/200 W denominado MP1002CA (conocido como "conjunto Bungalow") estaba listo para la producción y se planificó un lote inicial de 250, pero pronto quedó claro que podrían no debe hacerse a un precio competitivo. Además, la llegada de las radios de transistores y sus requisitos de potencia mucho más bajos significaron que la razón original del equipo estaba desapareciendo. Finalmente, se produjeron aproximadamente 150 de estos juegos. Algunos llegaron a los departamentos de ingeniería de universidades y colegios de todo el mundo, brindando a generaciones de estudiantes una valiosa introducción al motor Stirling; una carta fechada en marzo de 1961 de Research and Control Instruments Ltd. London WC1 al North Devon Technical College, ofreciendo "las existencias restantes... a instituciones como ustedes... a un precio especial de 75 libras esterlinas netas".

Paralelamente al conjunto Bungalow, Philips desarrolló motores Stirling experimentales para una amplia variedad de aplicaciones y continuó trabajando en el campo hasta finales de la década de 1970, pero solo logró el éxito comercial con el "motor Stirling invertido" enfriador criogénico. Sin embargo, presentaron una gran cantidad de patentes y acumularon una gran cantidad de información, que otorgaron en licencia a otras empresas y que formaron la base de gran parte del trabajo de desarrollo en la era moderna.

En 1996, la armada sueca encargó tres submarinos de la clase Gotland. En la superficie, estos barcos son propulsados por motores diesel marinos. Sin embargo, cuando están sumergidos, utilizan un generador impulsado por Stirling desarrollado por el constructor naval sueco Kockums para recargar las baterías y proporcionar energía eléctrica para la propulsión. Se transporta un suministro de oxígeno líquido para apoyar la quema de combustible diesel para impulsar el motor. Los motores Stirling también se instalan en los submarinos suecos de la clase Södermanland, los submarinos de la clase Archer en servicio en Singapur y los submarinos japoneses de la clase Sōryū, con motores fabricados bajo licencia por Kawasaki Heavy Industries. En una aplicación submarina, el motor Stirling ofrece la ventaja de ser excepcionalmente silencioso cuando funciona.

Desarrollos del siglo XXI

A principios del siglo XXI, los motores Stirling se usaban en la versión de plato de los sistemas de energía solar concentrada. Una antena parabólica similar a una antena parabólica muy grande dirige y concentra la luz solar en un receptor térmico, que absorbe y recoge el calor y, mediante un fluido, lo transfiere al motor Stirling. La potencia mecánica resultante se utiliza luego para hacer funcionar un generador o alternador para producir electricidad.

El componente principal de las microunidades de cogeneración de calor y electricidad (CHP) puede estar formado por un motor de ciclo Stirling, ya que son más eficientes y seguras que una máquina de vapor comparable. En 2003, las unidades CHP se estaban instalando comercialmente en aplicaciones domésticas.

En 2013, se publicó un artículo sobre las leyes de escala de los motores Stirling de pistón libre basadas en seis grupos adimensionales característicos.

Nombre y clasificación

Motor Stirling

Robert Stirling patentó el primer ejemplo práctico de un motor de aire caliente de ciclo cerrado en 1816, y Fleeming Jenkin ya en 1884 sugirió que todos esos motores deberían llamarse genéricamente motores Stirling. Esta propuesta de denominación encontró poco favor, y los diversos tipos en el mercado continuaron siendo conocidos por el nombre de sus diseñadores o fabricantes individuales, por ejemplo, Rider's, Robinson's o Heinrici's (caliente) motor de aire. En la década de 1940, la compañía Philips buscaba un nombre adecuado para su propia versión del 'motor de aire', que en ese momento había sido probado con fluidos de trabajo distintos del aire, y se decidió por 'Stirling'. motor' en abril de 1945. Sin embargo, casi treinta años después, Graham Walker todavía tenía motivos para lamentar el hecho de que términos como motor de aire caliente siguieran siendo intercambiables con motor Stirling, que a su vez se aplicaba amplia e indiscriminadamente, situación que continúa.

Al igual que la máquina de vapor, el motor Stirling se clasifica tradicionalmente como un motor de combustión externa, ya que todas las transferencias de calor hacia y desde el fluido de trabajo se realizan a través de un límite sólido (intercambiador de calor), lo que aísla el proceso de combustión y cualquier contaminante que pueda contener. producto de las partes de trabajo del motor. Esto contrasta con un motor de combustión interna, donde la entrada de calor es por combustión de un combustible dentro del cuerpo del fluido de trabajo. La mayoría de las posibles implementaciones del motor Stirling entran en la categoría de motor de pistón alternativo.

Teoría

Un gráfico de presión/volumen del ciclo de Stirling idealizado.

El ciclo de Stirling idealizado consta de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:

1. Expansión intrastera. El intercambiador de calor de expansión-espacio y asociado se mantiene a una temperatura constante alta, y el gas se somete a expansión casi-isotérmica absorbiendo el calor de la fuente caliente.
2. Constant-volume (conocido como isovolumetrico o isochoric) calor-removal. El gas pasa por el regenerador, donde se enfría, transfiriendo el calor al regenerador para su uso en el próximo ciclo.
3. Compresión intrastera. El espacio de compresión y el intercambiador de calor asociado se mantienen a una temperatura baja constante por lo que el gas sufre una compresión casi intrasterna rechazando el calor al fregadero frío
4. Constant-volumen (conocido como isovolumetrico o isochoric) calor-addición. El gas pasa por el regenerador donde recupera gran parte del calor transferido en el proceso 2, calentando en su camino al espacio de expansión.

El motor está diseñado para que el gas de trabajo generalmente se comprima en la parte más fría del motor y se expanda en la parte más caliente, lo que da como resultado una conversión neta de calor en trabajo. Un intercambiador de calor regenerativo interno aumenta la eficiencia térmica del motor Stirling en comparación con los motores de aire caliente más simples que carecen de esta característica.

El motor Stirling utiliza la diferencia de temperatura entre su extremo caliente y su extremo frío para establecer un ciclo de una masa fija de gas, calentada y expandida, enfriada y comprimida, convirtiendo así la energía térmica en energía mecánica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las fuentes caliente y fría, mayor será la eficiencia térmica. La eficiencia teórica máxima es equivalente a la del ciclo de Carnot, pero la eficiencia de los motores reales es menor que este valor debido a la fricción y otras pérdidas.

Dado que el motor Stirling es de ciclo cerrado, contiene una masa fija de gas denominada "fluido de trabajo", generalmente aire, hidrógeno o helio. En funcionamiento normal, el motor está sellado y no entra ni sale gas; no se requieren válvulas, a diferencia de otros tipos de motores de pistón. El motor Stirling, como la mayoría de los motores térmicos, pasa por cuatro procesos principales: enfriamiento, compresión, calentamiento y expansión. Esto se logra moviendo el gas de un lado a otro entre los intercambiadores de calor frío y caliente, a menudo con un regenerador entre el calentador y el enfriador. El intercambiador de calor caliente está en contacto térmico con una fuente de calor externa, como un quemador de combustible, y el intercambiador de calor frío está en contacto térmico con un disipador de calor externo, como aletas de aire. Un cambio en la temperatura del gas provoca un cambio correspondiente en la presión del gas, mientras que el movimiento del pistón hace que el gas se expanda y comprima alternativamente.

El gas sigue el comportamiento descrito por las leyes de los gases que describen cómo se relacionan la presión, la temperatura y el volumen de un gas. Cuando el gas se calienta, la presión aumenta (porque está en una cámara sellada) y esta presión actúa sobre el pistón de potencia para producir una carrera de potencia. Cuando el gas se enfría, la presión cae y esta caída significa que el pistón necesita hacer menos trabajo para comprimir el gas en la carrera de retorno. La diferencia de trabajo entre los golpes produce una potencia neta positiva.

Cuando un lado del pistón está abierto a la atmósfera, el funcionamiento es ligeramente diferente. A medida que el volumen sellado de gas de trabajo entra en contacto con el lado caliente, se expande y realiza trabajo tanto en el pistón como en la atmósfera. Cuando el gas de trabajo entra en contacto con el lado frío, su presión cae por debajo de la presión atmosférica y la atmósfera empuja el pistón y realiza un trabajo sobre el gas.

Componentes

Diagrama de corte de una configuración beta de unidad rhombic Diseño de motor:

1 - Cilindro caliente

2 - Muro de cilindro frío

3 - Tubos de entrada y salida refrigerantes

4 - Aislamiento térmico que separa los dos extremos del cilindro

5 - pistón desplazador

6 - pistón de potencia

7 - Linkage crank and flywheels

No se muestra: Fregaderos de calor y fuente de calor. En este diseño el pistón desplacer se construye sin un regenerador construido a propósito.

Como consecuencia del funcionamiento de ciclo cerrado, el calor que impulsa un motor Stirling debe transmitirse desde una fuente de calor al fluido de trabajo mediante intercambiadores de calor y, finalmente, a un disipador de calor. Un sistema de motor Stirling tiene al menos una fuente de calor, un disipador de calor y hasta cinco intercambiadores de calor. Algunos tipos pueden combinar o prescindir de algunos de estos.

Fuente de calor

Espejo parabólico con motor Stirling en su centro y su rastreador solar en Plataforma Solar de Almería (PSA) en España.

La fuente de calor puede provenir de la combustión de un combustible y, dado que los productos de la combustión no se mezclan con el fluido de trabajo y, por lo tanto, no entran en contacto con las partes internas del motor, un motor Stirling puede funcionar con combustibles. que dañaría otros tipos de motores' componentes internos, como el gas de vertedero, que pueden contener siloxano que podría depositar dióxido de silicio abrasivo en los motores convencionales.

Otras fuentes de calor adecuadas incluyen la energía solar concentrada, la energía geotérmica, la energía nuclear, el calor residual y la bioenergía. Si se usa energía solar como fuente de calor, se pueden usar espejos solares regulares y platos solares. También se ha recomendado el uso de lentes y espejos de Fresnel, por ejemplo, en la exploración de la superficie planetaria. Los motores Stirling alimentados por energía solar son cada vez más populares, ya que ofrecen una opción ambientalmente racional para producir energía, mientras que algunos diseños son económicamente atractivos en proyectos de desarrollo.

Intercambiadores de calor

El diseño de intercambiadores de calor de motores Stirling es un equilibrio entre una alta transferencia de calor con bajas pérdidas por bombeo viscoso y un espacio muerto reducido (volumen interno sin barrer). Los motores que funcionan a altas potencias y presiones requieren que los intercambiadores de calor del lado caliente estén hechos de aleaciones que mantengan una resistencia considerable a altas temperaturas y que no se corroan ni se deformen.

En motores pequeños y de baja potencia, los intercambiadores de calor pueden consistir simplemente en las paredes de las cámaras fría y caliente respectivas, pero cuando se requieren potencias mayores, se necesita una superficie mayor para transferir suficiente calor. Las implementaciones típicas son aletas internas y externas o múltiples tubos de pequeño calibre para el lado caliente y un enfriador que usa un líquido (como agua) para el lado frío.

Regenerador

En un motor Stirling, el regenerador es un intercambiador de calor interno y un depósito de calor temporal colocado entre los espacios caliente y frío de modo que el fluido de trabajo lo atraviesa primero en una dirección y luego en la otra, tomando calor del fluido en una dirección., y devolverlo en el otro. Puede ser tan simple como una malla metálica o una espuma, y se beneficia de una gran área de superficie, alta capacidad calorífica, baja conductividad y baja fricción de flujo. Su función es retener dentro del sistema ese calor que de otro modo se intercambiaría con el medio ambiente a temperaturas intermedias a las temperaturas máxima y mínima del ciclo, permitiendo así que la eficiencia térmica del ciclo (aunque no de ningún motor práctico) se acerque al límite de Carnot. eficiencia.

El efecto principal de la regeneración en un motor Stirling es aumentar la eficiencia térmica al 'reciclar' calor interno que, de otro modo, atravesaría el motor de forma irreversible. Como efecto secundario, el aumento de la eficiencia térmica produce una mayor potencia de salida de un conjunto determinado de intercambiadores de calor de extremo frío y caliente. Estos suelen limitar el rendimiento de calor del motor. En la práctica, es posible que este poder adicional no se realice por completo ya que el "espacio muerto" (volumen no barrido) y la pérdida de bombeo inherente a los regeneradores prácticos reduce las posibles ganancias de eficiencia de la regeneración.

El desafío de diseño para un regenerador de motor Stirling es proporcionar suficiente capacidad de transferencia de calor sin introducir demasiado volumen interno adicional ("espacio muerto") o resistencia al flujo. Estos conflictos de diseño inherentes son uno de los muchos factores que limitan la eficiencia de los motores Stirling prácticos. Un diseño típico es una pila de mallas de alambre de metal fino, con baja porosidad para reducir el espacio muerto y con los ejes del alambre perpendiculares al flujo de gas para reducir la conducción en esa dirección y maximizar la transferencia de calor por convección.

El regenerador es el componente clave inventado por Robert Stirling, y su presencia distingue a un verdadero motor Stirling de cualquier otro motor de aire caliente de ciclo cerrado. Muchos pequeños 'juguetes' Los motores Stirling, en particular los tipos de diferencia de baja temperatura (LTD), no tienen un componente regenerador distinto y pueden considerarse motores de aire caliente; sin embargo, una pequeña cantidad de regeneración es proporcionada por la superficie del propio desplazador y la pared del cilindro cercana, o de manera similar, el pasaje que conecta los cilindros fríos y calientes de un motor de configuración alfa.

Disipador de calor

Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las secciones caliente y fría de un motor Stirling, mayor será la eficiencia del motor. El disipador de calor suele ser el entorno en el que funciona el motor, a temperatura ambiente. En el caso de motores de media a alta potencia, se requiere un radiador para transferir el calor del motor al aire ambiente. Los motores marinos tienen la ventaja de utilizar agua fría de mar, lago o río, que normalmente es más fría que el aire ambiente. En el caso de sistemas combinados de calor y electricidad, el agua de refrigeración del motor se utiliza directa o indirectamente para fines de calefacción, lo que aumenta la eficiencia.

Alternativamente, el calor se puede suministrar a temperatura ambiente y el disipador de calor se puede mantener a una temperatura más baja por medios tales como fluido criogénico (ver Economía de nitrógeno líquido) o agua helada.

Desplazador

El desplazador es un pistón de propósito especial, que se utiliza en los motores Stirling de tipo Beta y Gamma, para mover el gas de trabajo de un lado a otro entre los intercambiadores de calor frío y caliente. Según el tipo de diseño del motor, el desplazador puede o no estar sellado al cilindro; es decir, puede ser un ajuste flojo dentro del cilindro, lo que permite que el gas de trabajo pase a su alrededor mientras se mueve para ocupar la parte del cilindro más allá. El motor tipo Alpha tiene un alto estrés en el lado caliente, por eso tan pocos inventores comenzaron a usar un pistón híbrido para ese lado. El pistón híbrido tiene una parte sellada como un motor tipo Alpha normal, pero tiene una parte desplazadora conectada con un diámetro más pequeño que el cilindro que lo rodea. La relación de compresión es un poco más pequeña que en los motores tipo Alpha originales, pero el factor de estrés es bastante bajo en las partes selladas.

Configuraciones

Los tres tipos principales de motores Stirling se distinguen por la forma en que mueven el aire entre las áreas caliente y fría:

1. El alfa la configuración tiene dos pistones de potencia, uno en un cilindro caliente, uno en un cilindro frío, y el gas es impulsado entre los dos por los pistones; es típicamente en una formación V con los pistones unidos en el mismo punto en un crankshaft.
2. El beta configuración tiene un solo cilindro con un extremo caliente y un extremo frío, que contiene un pistón de potencia y un 'desplacer' que conduce el gas entre los extremos fríos y calientes. Normalmente se utiliza con una unidad rhombic para lograr la diferencia de fase entre el desplazador y los pistones de potencia, pero se pueden unir 90 grados fuera de fase en un crankshaft.
3. El gamma configuración tiene dos cilindros: uno que contiene un desplazador, con un extremo frío y caliente, y uno para el pistón de potencia; se unen para formar un solo espacio, por lo que los cilindros tienen igual presión; los pistones son típicamente en paralelo y se unen 90 grados fuera de fase en un crankshaft.

Alfa

Motor Stirling tipo alfa. Hay dos cilindros. El cilindro de expansión (rojo) se mantiene a alta temperatura mientras que el cilindro de compresión (azul) se enfría. El paso entre los dos cilindros contiene el regenerador

Un Stirling alfa contiene dos pistones de potencia en cilindros separados, uno caliente y otro frío. El cilindro caliente está situado dentro del intercambiador de calor de alta temperatura y el cilindro frío está situado dentro del intercambiador de calor de baja temperatura. Este tipo de motor tiene una alta relación potencia-volumen pero tiene problemas técnicos debido a la temperatura generalmente alta del pistón caliente y la durabilidad de sus sellos. En la práctica, este pistón suele llevar una gran cabeza aislante para alejar los sellos de la zona caliente a expensas de un espacio muerto adicional. El ángulo del cigüeñal tiene un efecto importante en la eficiencia y, con frecuencia, el mejor ángulo debe encontrarse experimentalmente. Un ángulo de 90° se bloquea con frecuencia.

Una descripción de cuatro pasos del proceso es la siguiente:

1. La mayor parte del gas de trabajo está en el cilindro caliente y tiene más contacto con las paredes del cilindro caliente. Esto resulta en la calefacción general del gas. Su presión aumenta y el gas se expande. Debido a que el cilindro caliente está en su volumen máximo y el cilindro frío es a mediados de carrera (volumen parcial), el volumen del sistema se aumenta por la expansión en el cilindro frío.
2. El sistema tiene un volumen máximo y más gas tiene contacto con el cilindro frío. Esto enfría el gas, bajando su presión. Debido al impulso de volante u otros pares de pistón en el mismo eje, el cilindro caliente comienza un aumento reduciendo el volumen del sistema.
3. Casi todo el gas está ahora en el cilindro frío y el enfriamiento continúa. Esto continúa reduciendo la presión del gas y causando contracción. Debido a que el cilindro caliente es de volumen mínimo y el cilindro frío es de volumen máximo, el volumen del sistema se reduce aún más por compresión del cilindro frío hacia adentro.
4. El sistema tiene un volumen mínimo y el gas tiene mayor contacto con el cilindro caliente. El volumen del sistema aumenta por la expansión del cilindro caliente.

Beta

Motor tipo Beta Stirling, con solo un cilindro, caliente en un extremo y frío en el otro. Un desplazador de ajuste suelto huye el aire entre los extremos fríos y calientes del cilindro. Un pistón de potencia en el extremo abierto del cilindro conduce el volante

Un Stirling beta tiene un solo pistón de potencia dispuesto dentro del mismo cilindro en el mismo eje que un pistón desplazador. El pistón desplazador es de ajuste holgado y no extrae ninguna potencia del gas en expansión, sino que solo sirve para transportar el gas de trabajo entre los intercambiadores de calor frío y caliente. Cuando el gas de trabajo se empuja hacia el extremo caliente del cilindro, se expande y empuja el pistón de potencia. Cuando se empuja hacia el extremo frío del cilindro, se contrae y el impulso de la máquina, generalmente mejorado por un volante, empuja el pistón de potencia hacia el otro lado para comprimir el gas. A diferencia del tipo alfa, el tipo beta evita los problemas técnicos de los sellos móviles calientes, ya que el pistón de potencia no está en contacto con el gas caliente.

1. El pistón de potencia (grano oscuro) ha comprimido el gas, el pistón de desplacer (grano ligero) se ha movido para que la mayor parte del gas esté adyacente al intercambiador de calor caliente.
2. El gas calentado aumenta la presión y empuja el pistón eléctrico al límite más lejano de la carrera eléctrica.
3. El pistón desplacer se mueve ahora, removiendo el gas al extremo frío del cilindro.
4. El gas refrigerado ahora está comprimido por el impulso del volante. Esto requiere menos energía, ya que su presión baja cuando se enfría.

Gama

Un Stirling gamma es simplemente un Stirling beta con el pistón de potencia montado en un cilindro separado junto al cilindro del pistón desplazador, pero aún conectado al mismo volante. El gas en los dos cilindros puede fluir libremente entre ellos y permanece como un solo cuerpo. Esta configuración produce una relación de compresión más baja debido al volumen de la conexión entre los dos, pero es mecánicamente más simple y se usa a menudo en motores Stirling de varios cilindros.

Otros tipos

Vista superior de dos desplazadores giratorios que alimentan el pistón horizontal. Regeneradores y radiador eliminados para claridad

Otras configuraciones de Stirling continúan interesando a ingenieros e inventores.

• El motor giratorio Stirling busca convertir la potencia del ciclo Stirling directamente en par, similar al motor de combustión giratoria. Aún no se ha construido ningún motor práctico, pero se han producido varios conceptos, modelos y patentes, como el motor Quasiturbine.
• Un híbrido entre el pistón y la configuración rotativa es un motor de doble acción. Este diseño gira los desplazadores en ambos lados del pistón de potencia. Además de dar gran variabilidad de diseño en el área de transferencia de calor, este diseño elimina todo menos un sello externo en el eje de salida y un sello interno en el pistón. Además, ambas partes pueden ser altamente presurizadas mientras se equilibran entre sí.
• Otra alternativa es el motor Fluidyne (o la bomba de calor Fluidyne), que utiliza pistones hidráulicos para implementar el ciclo de Stirling. El trabajo producido por un motor Fluidyne va a bombear el líquido. En su forma más simple, el motor contiene un gas de trabajo, un líquido y dos válvulas de no retorno.
• El concepto de motor Ringbom publicado en 1907 no tiene ningún mecanismo rotativo o enlace para el desplazador. Esto es impulsado por un pequeño pistón auxiliar, generalmente una varilla de desplazamiento grueso, con el movimiento limitado por las paradas.
• El ingeniero Andy Ross inventó un motor Stirling de dos cilindros (posicionado a 0°, no 90°) conectado con un yugo especial.
• El motor Franchot es un motor de doble acción inventado por Charles-Louis-Félix Franchot en el siglo XIX. En un motor de doble acción, la presión del fluido de trabajo actúa en ambos lados del pistón. Una de las formas más simples de una máquina de doble acción, el motor Franchot consta de dos pistones y dos cilindros, y actúa como dos máquinas de alfa separadas. En el motor Franchot, cada pistón actúa en dos fases de gas, lo que hace un uso más eficiente de los componentes mecánicos que una máquina de alfa de acción única. Sin embargo, una desventaja de esta máquina es que una varilla de conexión debe tener un sello deslizante en el lado caliente del motor, que es difícil al tratar con altas presiones y temperaturas.

Motores de pistón libre

Varios piston gratis Configuraciones de Stirling... F. " cilindro libre", G. Fluidyne, H. "doble-acting" Stirling (típicamente 4 cilindros).

Los motores Stirling de pistón libre incluyen aquellos con pistones líquidos y aquellos con diafragmas como pistones. En un dispositivo de pistón libre, la energía puede agregarse o eliminarse mediante un alternador lineal eléctrico, una bomba u otro dispositivo coaxial. Esto evita la necesidad de un enlace y reduce el número de piezas móviles. En algunos diseños, la fricción y el desgaste casi se eliminan mediante el uso de cojinetes de gas sin contacto o una suspensión muy precisa a través de resortes planos.

Cuatro pasos básicos en el ciclo de un motor Stirling de pistón libre son:

1. El pistón de energía es empujado hacia fuera por el gas en expansión haciendo así trabajo. La gravedad no juega ningún papel en el ciclo.
2. El volumen de gas en el motor aumenta y por lo tanto la presión disminuye, lo que causa una diferencia de presión a través de la varilla de desplazamiento para forzar el desplazador hacia el extremo caliente. Cuando el desplazador se mueve, el pistón es casi estacionario y por lo tanto el volumen de gas es casi constante. Este paso resulta en el proceso constante de refrigeración de volumen, que reduce la presión del gas.
3. La presión reducida ahora detiene el movimiento exterior del pistón y comienza a acelerarse hacia el extremo caliente de nuevo y por su propia inercia, comprime el ahora gas frío, que está principalmente en el espacio frío.
4. A medida que aumenta la presión, se llega a un punto en el que la diferenciación de presión a través de la varilla de desplazamiento se hace lo suficientemente grande para comenzar a empujar la varilla de desplazamiento (y por lo tanto también el desplazador) hacia el pistón y así colapsar el espacio frío y transferir el gas frío y comprimido hacia el lado caliente en un proceso de volumen casi constante. A medida que el gas llega al lado caliente la presión aumenta y comienza a mover el pistón hacia fuera para iniciar el paso de expansión como se explica en (1).

A principios de la década de 1960, William T. Beale, de la Universidad de Ohio, ubicada en Athens, Ohio, inventó una versión de pistón libre del motor Stirling para superar la dificultad de lubricar el mecanismo del cigüeñal. Si bien la invención del motor Stirling de pistón libre básico se atribuye generalmente a Beale, E.H. Cooke-Yarborough y C. West en los Laboratorios Harwell de la AERE del Reino Unido. G. M. Benson también hizo importantes contribuciones tempranas y patentó muchas configuraciones novedosas de pistón libre.

La primera mención conocida de una máquina de ciclo Stirling que usa componentes que se mueven libremente es una divulgación de patente británica en 1876. Esta máquina fue concebida como un refrigerador (es decir, el ciclo Stirling invertido). El primer producto de consumo que utilizó un dispositivo Stirling de pistón libre fue un refrigerador portátil fabricado por Twinbird Corporation de Japón y ofrecido en EE. UU. por Coleman en 2004.

Motores planos

Corte del motor de Stirling plano: 10 - Cilindro caliente. 11 - Un volumen de cilindro caliente. 12 - B de cilindro caliente. 17 - Cálido pistón diafragma. 18 - Medio de calefacción. 19 - Piston rod. 20 - Cilindro frío. 21 - Volumen de cilindro frío. 22 - B Volumen de cilindro frío. 27 - Diafragma de pistón frío. 28 - Medio refrigerante. 30 - Cilindro de trabajo. 31 - Un volumen de cilindro de trabajo. 32 - B de cilindro de trabajo. 37 - Diafragma de pistón de trabajo. 41 - Masa regeneradora de un volumen. 42 - Masa regeneradora de volumen B. 48 - Acumulador de calor. 50 - Aislamiento térmico. 60 - Generador. 63 - Circuito magnético. 64 - Enrollamiento eléctrico. 70 - Canal que conecta cilindros cálidos y de trabajo.

El diseño del motor Stirling plano de doble efecto resuelve el accionamiento de un desplazador con la ayuda del hecho de que las áreas de los pistones fríos y calientes del desplazador son diferentes.

La unidad lo hace sin ninguna transmisión mecánica. El uso de diafragmas elimina la fricción y la necesidad de lubricantes.

Cuando el desplazador está en movimiento, el generador mantiene el pistón de trabajo en la posición límite, lo que acerca el ciclo de trabajo del motor a un ciclo de Stirling ideal. La relación entre el área de los intercambiadores de calor y el volumen de la máquina aumenta con la implementación de un diseño plano.

El diseño plano del cilindro de trabajo aproxima el proceso térmico de expansión y compresión más cerca del isotérmico.

La desventaja es una gran área del aislamiento térmico entre el espacio frío y caliente.

Ciclo termoacústico

Los dispositivos termoacústicos son muy diferentes de los dispositivos Stirling, aunque el camino individual recorrido por cada molécula de gas en funcionamiento sigue un ciclo de Stirling real. Estos dispositivos incluyen el motor termoacústico y el refrigerador termoacústico. Las ondas estacionarias acústicas de gran amplitud provocan compresión y expansión de forma análoga a un pistón de potencia Stirling, mientras que las ondas viajeras acústicas desfasadas provocan un desplazamiento a lo largo de un gradiente de temperatura, de forma análoga a un pistón desplazador de Stirling. Por lo tanto, un dispositivo termoacústico normalmente no tiene un desplazador, como se encuentra en un Stirling beta o gamma.

Otros desarrollos

La NASA ha considerado motores Stirling calentados por descomposición nuclear para misiones extendidas al sistema solar exterior. En 2018, la NASA y el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunciaron que habían probado con éxito un nuevo tipo de reactor nuclear llamado KRUSTY, que significa "Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY", y que está diseñado para poder impulsar vehículos y sondas del espacio profundo, así como campamentos exoplanetarios.

En la Expo Cable-Tec de 2012 organizada por la Sociedad de Ingenieros de Telecomunicaciones por Cable, Dean Kamen subió al escenario con el Director de Tecnología de Time Warner Cable, Mike LaJoie, para anunciar una nueva iniciativa entre su empresa Deka Research y la SCTE. Kamen se refiere a él como un motor Stirling.

Consideraciones operativas

Tamaño y temperatura

Se han construido motores de muy baja potencia que funcionan con una diferencia de temperatura de tan solo 0,5 K. Un motor Stirling de tipo desplazador tiene un pistón y un desplazador. Se requiere una diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del cilindro grande para hacer funcionar el motor. En el caso del motor Stirling de baja diferencia de temperatura (LTD), la diferencia de temperatura entre la mano y el aire circundante puede ser suficiente para hacer funcionar el motor. El pistón de potencia en el motor Stirling de tipo desplazador está herméticamente sellado y se controla para moverse hacia arriba y hacia abajo a medida que se expande el gas del interior. El desplazador, por otro lado, está muy holgado para que el aire pueda moverse libremente entre las secciones caliente y fría del motor a medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo. El desplazador se mueve hacia arriba y hacia abajo para hacer que la mayor parte del gas en el cilindro del desplazador se caliente o se enfríe.

Los motores Stirling, especialmente aquellos que funcionan con pequeños diferenciales de temperatura, son bastante grandes para la cantidad de energía que producen (es decir, tienen una potencia específica baja). Esto se debe principalmente al coeficiente de transferencia de calor de la convección gaseosa, que limita el flujo de calor que se puede lograr en un intercambiador de calor frío típico a aproximadamente 500 W/(m²·K), y en un intercambiador de calor caliente a unos 500-5000 W/(m²·K). En comparación con los motores de combustión interna, esto hace que sea más difícil para el diseñador del motor transferir calor dentro y fuera del gas de trabajo. Debido a la eficiencia térmica, la transferencia de calor requerida crece con una diferencia de temperatura más baja, y la superficie del intercambiador de calor (y el costo) para una salida de 1 kW crece con (1/ΔT)². Por lo tanto, el costo específico de los motores de muy baja diferencia de temperatura es muy alto. El aumento del diferencial de temperatura y/o la presión permite que los motores Stirling produzcan más potencia, suponiendo que los intercambiadores de calor estén diseñados para una mayor carga de calor y puedan proporcionar el flujo de calor por convección necesario.

Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente; literalmente necesita "calentarse". Esto es cierto para todos los motores de combustión externa, pero el tiempo de calentamiento puede ser mayor para los Stirling que para otros de este tipo, como los motores de vapor. Los motores Stirling se utilizan mejor como motores de velocidad constante.

La potencia de salida de un Stirling tiende a ser constante y ajustarla a veces puede requerir un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Por lo general, los cambios en la salida se logran variando el desplazamiento del motor (a menudo mediante el uso de una disposición de cigüeñal de placa oscilante), o cambiando la cantidad de fluido de trabajo, o alterando el ángulo de fase del pistón/desplazador, o en algunos casos simplemente modificando la carga del motor. Esta propiedad es un inconveniente menor en la propulsión eléctrica híbrida o la "carga base" generación de servicios públicos donde la salida de energía constante es realmente deseable.

Elección de gases

El gas utilizado debe tener una capacidad calorífica baja, de modo que una determinada cantidad de calor transferido provoque un gran aumento de la presión. Teniendo en cuenta este problema, el helio sería el mejor gas debido a su muy baja capacidad calorífica. El aire es un fluido de trabajo viable, pero el oxígeno en un motor de aire altamente presurizado puede causar accidentes fatales causados por explosiones de aceite lubricante. Después de uno de estos accidentes, Philips fue pionera en el uso de otros gases para evitar el riesgo de explosiones.

• La baja viscosidad y alta conductividad térmica del hidrógeno lo convierten en el gas de trabajo más potente, principalmente porque el motor puede funcionar más rápido que con otros gases. Sin embargo, debido a la absorción de hidrógeno, y dada la alta tasa de difusión asociada a este bajo gas de peso molecular, particularmente a altas temperaturas, H₂ filtra el metal sólido del calentador. La difusión a través del acero al carbono es demasiado alta para ser práctica, pero puede ser aceptablemente baja para metales como el aluminio, o incluso el acero inoxidable. Ciertas cerámicas también reducen enormemente la difusión. Las juntas de presión hermetica son necesarias para mantener la presión dentro del motor sin reemplazar el gas perdido. Para motores de alta temperatura-diferencial (HTD), los sistemas auxiliares pueden ser necesarios para mantener fluido de trabajo de alta presión. Estos sistemas pueden ser una botella de almacenamiento de gas o un generador de gas. El hidrógeno puede ser generado por el electrólisis del agua, la acción del vapor sobre el combustible caliente rojo, mediante la gasificación del combustible hidrocarburo o por la reacción del ácido en el metal. El hidrógeno también puede causar la incrustación de metales. El hidrógeno es un gas inflamable, que es una preocupación de seguridad si se libera del motor.
• Más técnicamente avanzado Los motores de escala, como los desarrollados para los laboratorios del gobierno de Estados Unidos, utilizan el helio como gas de trabajo, porque funciona cerca de la eficiencia y densidad de energía del hidrógeno con menos de los problemas de contención de materiales. El helio es inerte, y por lo tanto no inflamable. El helio es relativamente caro, y debe ser suministrado como gas embotellado. Una prueba mostró que el hidrógeno era 5% (absoluto) más eficiente que el helio (24% relativamente) en el motor de Stirling GPU-3. El investigador Allan Organ demostró que un motor de aire bien diseñado es teóricamente igual que eficiente como un motor de helio o hidrógeno, pero los motores de helio e hidrógeno son varias veces más potente por volumen de unidad.
• Algunos motores usan aire o nitrógeno como fluido de trabajo. Estos gases tienen una densidad de potencia mucho menor (que aumenta los costos del motor), pero son más convenientes para usar y minimizan los problemas de contención y suministro de gas (que disminuye los costos). El uso de aire comprimido en contacto con materiales o sustancias inflamables como el aceite lubricante introduce un peligro de explosión, ya que el aire comprimido contiene una alta presión parcial de oxígeno. Sin embargo, el oxígeno se puede quitar del aire a través de una reacción de oxidación o el nitrógeno embotellado se puede utilizar, que es casi inerte y muy seguro.
• Otros posibles gases más ligeros que el aire incluyen metano y amoníaco.

Presurización

En la mayoría de los motores Stirling de alta potencia, tanto la presión mínima como la presión media del fluido de trabajo están por encima de la presión atmosférica. Esta presurización inicial del motor se puede realizar mediante una bomba, o llenando el motor desde un tanque de gas comprimido, o incluso simplemente sellando el motor cuando la temperatura media es inferior a la temperatura media de funcionamiento. Todos estos métodos aumentan la masa de fluido de trabajo en el ciclo termodinámico. Todos los intercambiadores de calor deben tener el tamaño adecuado para suministrar las tasas de transferencia de calor necesarias. Si los intercambiadores de calor están bien diseñados y pueden suministrar el flujo de calor necesario para la transferencia de calor por convección, entonces el motor, en una primera aproximación, produce potencia en proporción a la presión media, como lo predicen el número de West y el número de Beale. En la práctica, la presión máxima también se limita a la presión segura del recipiente a presión. Como la mayoría de los aspectos del diseño del motor Stirling, la optimización es multivariante y, a menudo, tiene requisitos contradictorios. Una dificultad de la presurización es que mientras mejora la potencia, el calor requerido aumenta proporcionalmente al aumento de potencia. Esta transferencia de calor se hace cada vez más difícil con la presurización ya que el aumento de la presión también exige mayores espesores de las paredes del motor, lo que, a su vez, aumenta la resistencia a la transferencia de calor.

Lubricantes y fricción

Un moderno motor Stirling y generador con salida eléctrica de 55 kW, para aplicaciones de calor y potencia combinadas.

A altas temperaturas y presiones, el oxígeno en los cárteres presurizados con aire, o en el gas de trabajo de los motores de aire caliente, puede combinarse con el aceite lubricante del motor y explotar. Al menos una persona ha muerto en tal explosión. Los lubricantes también pueden obstruir los intercambiadores de calor, especialmente el regenerador. Por estas razones, los diseñadores prefieren materiales no lubricados, de bajo coeficiente de fricción (como el rulón o el grafito), con fuerzas normales bajas en las partes móviles, especialmente para los sellos deslizantes. Algunos diseños evitan por completo las superficies deslizantes mediante el uso de diafragmas para pistones sellados. Estos son algunos de los factores que permiten que los motores Stirling tengan menores requisitos de mantenimiento y una vida más larga que los motores de combustión interna.

Eficiencia

La eficiencia térmica teórica es igual a la del hipotético ciclo de Carnot, es decir, la mayor eficiencia alcanzable por cualquier motor térmico. Sin embargo, aunque es útil para ilustrar principios generales, el ciclo ideal se desvía sustancialmente de los motores Stirling prácticos. Se ha argumentado que su uso indiscriminado en muchos libros estándar sobre termodinámica de ingeniería ha perjudicado el estudio de los motores Stirling en general.

Los motores Stirling no pueden alcanzar las eficiencias totales típicas de un motor de combustión interna, siendo la principal limitación la eficiencia térmica. Durante la combustión interna, las temperaturas alcanzan alrededor de 1500 °C–1600 °C durante un corto período de tiempo, lo que da como resultado una mayor temperatura media de suministro de calor del ciclo termodinámico que la que podría alcanzar cualquier motor Stirling. No es posible suministrar calor a temperaturas tan altas por conducción, como se hace en los motores Stirling porque ningún material podría conducir el calor de la combustión a esa temperatura alta sin grandes pérdidas de calor y problemas relacionados con la deformación térmica de los materiales.

Los motores Stirling tienen un funcionamiento silencioso y pueden usar casi cualquier fuente de calor. La fuente de energía térmica se genera externamente al motor Stirling en lugar de por combustión interna como en los motores de ciclo Otto o diésel. Este tipo de motor está generando interés actualmente como el componente central de las microunidades de cogeneración de calor y electricidad (CHP), en las que es más eficiente y seguro que una máquina de vapor comparable. Sin embargo, tiene una baja relación potencia-peso, lo que lo hace más adecuado para su uso en instalaciones estáticas donde el espacio y el peso no son importantes.

Otros problemas del mundo real reducen la eficiencia de los motores reales, debido a los límites de la transferencia de calor por convección y el flujo viscoso (fricción). También hay consideraciones mecánicas prácticas: por ejemplo, un enlace cinemático simple puede preferirse a un mecanismo más complejo necesario para replicar el ciclo idealizado, y las limitaciones impuestas por los materiales disponibles tales como propiedades no ideales del gas de trabajo, conductividad térmica, resistencia a la tracción, fluencia, resistencia a la ruptura y punto de fusión. Una pregunta que surge a menudo es si el ciclo ideal con expansión y compresión isotérmicas es de hecho el ciclo ideal correcto para aplicar al motor Stirling. El profesor C. J. Rallis ha señalado que es muy difícil imaginar cualquier condición en la que los espacios de expansión y compresión puedan acercarse al comportamiento isotérmico y es mucho más realista imaginar estos espacios como adiabáticos. Rallis analizó un análisis ideal en el que los espacios de expansión y compresión se toman como adiabáticos con intercambiadores de calor isotérmicos y una regeneración perfecta y lo presentó como un mejor criterio ideal para la maquinaria Stirling. Llamó a este ciclo el 'ciclo pseudo-Stirling' o 'ciclo de Stirling adiabático ideal'. Una consecuencia importante de este ciclo ideal es que no predice la eficiencia de Carnot. Otra conclusión de este ciclo ideal es que las eficiencias máximas se encuentran en relaciones de compresión más bajas, una característica observada en máquinas reales. En un trabajo independiente, T. Finkelstein también asumió espacios de expansión y compresión adiabáticos en su análisis de la maquinaria de Stirling.

El ciclo de Stirling ideal es inalcanzable en el mundo real, como ocurre con cualquier motor térmico. La eficiencia de las máquinas Stirling también está ligada a la temperatura ambiental: se obtiene una mayor eficiencia cuando el clima es más fresco, lo que hace que este tipo de motores sean menos atractivos en lugares con climas más cálidos. Al igual que con otros motores de combustión externa, los motores Stirling pueden utilizar fuentes de calor distintas a la combustión de combustibles. Por ejemplo, se han desarrollado varios diseños de motores Stirling alimentados con energía solar.

Comparación con motores de combustión interna

A diferencia de los motores de combustión interna, los motores Stirling tienen el potencial de utilizar fuentes de calor renovables más fácilmente y de ser más silenciosos y fiables con un mantenimiento menor. Se prefieren para aplicaciones que valoran estas ventajas únicas, particularmente si el costo por unidad de energía generada es más importante que el costo de capital por unidad de energía. Sobre esta base, los motores Stirling son competitivos en costes hasta unos 100 kW.

En comparación con un motor de combustión interna de la misma potencia nominal, los motores Stirling actualmente tienen un costo de capital más alto y, por lo general, son más grandes y pesados. Sin embargo, son más eficientes que la mayoría de los motores de combustión interna. Sus menores requisitos de mantenimiento hacen que el costo total de energía sea comparable. La eficiencia térmica también es comparable (para motores pequeños), oscilando entre el 15 % y el 30 %. Para aplicaciones como micro-CHP, un motor Stirling suele ser preferible a un motor de combustión interna. Otras aplicaciones incluyen el bombeo de agua, la astronáutica y la generación eléctrica a partir de abundantes fuentes de energía que son incompatibles con el motor de combustión interna, como la energía solar, y la biomasa, como los desechos agrícolas y otros desechos, como la basura doméstica. Sin embargo, los motores Stirling generalmente no tienen un precio competitivo como motor de automóvil, debido al alto costo por unidad de potencia, & baja densidad de potencia.

El análisis básico se basa en el análisis de Schmidt de forma cerrada.

Las ventajas de los motores Stirling en comparación con los motores de combustión interna incluyen:

• Los motores de estiramiento pueden funcionar directamente en cualquier fuente de calor disponible, no sólo una producida por la combustión, por lo que pueden correr a fuego de fuentes solares, geotérmicas, biológicas, nucleares o desperdicio de calor de procesos industriales.
• Se puede utilizar un proceso continuo de combustión para suministrar calor, por lo que se pueden reducir las emisiones asociadas con los procesos de combustión intermitente de un motor de combustión interna reciprocante.
• Algunos tipos de motores Stirling tienen los rodamientos y sellos en el lado frío del motor, donde requieren menos lubricante y duran más que equivalentes en otros tipos de motores de reciprocación.
• Los mecanismos del motor son de alguna manera más simples que otros tipos de motores de reciprocación. No se necesitan válvulas, y el sistema de quemador puede ser relativamente simple. Los motores Crude Stirling se pueden hacer utilizando materiales domésticos comunes.
• Un motor Stirling utiliza un fluido de trabajo monofásico que mantiene una presión interna cerca de la presión de diseño, y por lo tanto para un sistema diseñado correctamente el riesgo de explosión es bajo. En comparación, un motor de vapor utiliza un fluido de trabajo de gas/líquido de dos fases, por lo que una válvula de alivio de sobrepresión defectuosa puede causar una explosión.
• En algunos casos, la baja presión de funcionamiento permite el uso de cilindros ligeros.
• Pueden ser construidos para funcionar tranquilamente y sin suministro de aire, para uso de propulsión independiente en submarinos.
• Empiezan fácilmente (aunque lentamente, después del calentamiento) y corren más eficientemente en clima frío, en contraste con la combustión interna, que comienza rápidamente en clima cálido, pero no en clima frío.
• Se puede configurar un motor Stirling usado para bombear agua para que el agua enfríe el espacio de compresión. Esto aumenta la eficiencia al bombear agua fría.
• Son extremadamente flexibles. Se pueden utilizar como CHP (calor combinado y energía) en el invierno y como enfriadores en verano.
• El calor de los desechos se cosecha fácilmente (comparado para desperdiciar el calor de un motor de combustión interno), haciendo que los motores Stirling sean útiles para los sistemas de calor y energía de doble salida.
• En 1986 la NASA construyó un motor automotriz Stirling y lo instaló en un Chevrolet Celebrity. La economía del combustible mejoró el 45% y las emisiones se redujeron considerablemente. La aceleración (respuesta de potencia) equivalía al motor de combustión interna estándar. Este motor, designado el Mod II, también anula argumentos de que los motores Stirling son pesados, costosos, poco fiables, y demuestran mal rendimiento. No se requieren un convertidor catalítico, un silenciador y cambios frecuentes de aceite.

Las desventajas de los motores Stirling en comparación con los motores de combustión interna incluyen:

• Los diseños de los motores de estiramiento requieren intercambiadores de calor para la entrada de calor y para la salida de calor, y estos deben contener la presión del fluido de trabajo, donde la presión es proporcional a la salida de potencia del motor. Además, el intercambiador de calor del lado de la expansión es a menudo a muy alta temperatura, por lo que los materiales deben resistir los efectos corrosivos de la fuente de calor, y tienen baja corriente. Por lo general, estos requisitos materiales aumentan considerablemente el costo del motor. Los materiales y costos de montaje para un intercambiador de calor de alta temperatura normalmente representan el 40% del costo total del motor.
• Todos los ciclos termodinámicos requieren grandes diferenciales de temperatura para una operación eficiente. En un motor de combustión externo, la temperatura del calentador siempre es igual o supera la temperatura de expansión. Esto significa que los requisitos metalúrgicos para el material calentador son muy exigentes. Esto es similar a una turbina Gas, pero es en contraste con un motor Otto o Diesel, donde la temperatura de expansión puede exceder mucho el límite metalúrgico de los materiales del motor, ya que la fuente de calor de entrada no se realiza a través del motor, por lo que los materiales del motor operan más cerca de la temperatura promedio del gas de trabajo. El ciclo Stirling no es realmente alcanzable, el ciclo real en máquinas Stirling es menos eficiente que el ciclo teórico Stirling, también la eficiencia del ciclo Stirling es menor donde las temperaturas ambiente son suaves, mientras que daría sus mejores resultados en un ambiente fresco, como los inviernos de los países del norte.
• La disipación del calor de los desechos es especialmente complicada porque la temperatura de refrigeración se mantiene lo más baja posible para maximizar la eficiencia térmica. Esto aumenta el tamaño de los radiadores, lo que puede dificultar el embalaje. Junto con el costo de los materiales, éste ha sido uno de los factores que limitan la adopción de motores Stirling como motores primarios automotrices. Para otras aplicaciones tales como propulsión de barcos y sistemas de microgeneración estacionarios usando calor combinado y energía (CHP) alta densidad de potencia no es necesaria.

Aplicaciones

Dish Stirling de SES

Las aplicaciones del motor Stirling van desde calefacción y refrigeración hasta sistemas de energía subacuáticos. Un motor Stirling puede funcionar a la inversa como una bomba de calor para calentar o enfriar. Otros usos incluyen calor y energía combinados, generación de energía solar, enfriadores criogénicos Stirling, bomba de calor, motores marinos, motores de aviones modelo de baja potencia y motores de baja diferencia de temperatura.