Normalmente suelo hablaros acerca de curiosidades de motores de combustión interna, incluso de motores eléctricos en alguna ocasión, pero lo cierto es que es la primera vez que me adentro en el apasionante mundo de los motores de combustión externa. Concretamente, vamos a hablar del motor Stirling, una mecánica que fue inventada en 1816 por un cura escocés, el señor Robert Stirling (1790-1878).
Qué es un Motor Stirling
Se puede considerar el motor Stirling un motor de combustión externa y proceso adiabático, ya que no requiere quemar combustible en su interior y, al operar, no transfiere calor al entorno. En aquella época el objetivo era muy simple: fabricar un motor que resultara menos peligroso que la máquina de vapor. La idea no era mala y, originariamente, el motor Stirling se concibió como un motor principal industrial.
Por desgracia para el reverendo Stirling, en la práctica su uso se redujo a meras aplicaciones domésticas y para motores de baja potencia durante casi un siglo por su alta eficiencia y su gran facilidad para ser aplicados a cualquier fuente de calor. Sin embargo, en la actualidad aún se investiga en su desarrollo y están volviendo a cobrar relevancia.
Antes de entrar en materia, tampoco podemos olvidar al genio francés Sadi Carnot (1796-1832), quien fue el primer científico en realizar una interpretación teórica del funcionamiento de los motores térmicos, estableciendo con ello los principios físicos que participan en su movimiento. Gracias a su teoría, se pudo comprender con mayor claridad el fenómeno que permite al motor Stirling producir fuerza motriz.
Componentes del motor Stirling
Como una imagen vale más que mil palabras, aquí os dejo un dibujo con cada uno de los elementos que compone un motor Stirling convencional:
- Zona de calentamiento.
- Cilindro desplazador.
- Volante de inercia.
- Cigüeñal.
- Pistón.
- Quemador, fuente de calor
Funcionamiento del motor Stirling
Hablando técnicamente, un motor Stirling es un aparato mecánico que funciona en un ciclo regenerativo termodinámicamente cerrado, con compresión cíclica y expansión cíclica del fluido de trabajo a diferentes niveles de temperatura. Entendemos ciclo cerrado como un sistema termodinámico en el que el fluido está permanentemente contenido en el sistema; y regenerativo como el intercambio de calor y almacenamiento térmico (regenerador).
Básicamente, el funcionamiento de un motor Stirling está basado en la expansión y contracción de un gas, el cual puede ser helio, hidrógeno, nitrógeno o aire. A dicho gas se le obliga a desplazarse cíclicamente entre dos focos: pasa de un foco frío, donde se contrae, a un foco caliente, donde se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos fuentes.
Recordemos una idea básica:
- Calentamiento del aire = Aumento de presión
- Enfriamiento del aire = Disminución de presión.
Pues con esta idea en la cabeza, es muy fácil de entender: cuando el gas se calienta, éste se expande y aumenta la presión interior porque no varía el espacio en el que está cerrado. Tras este calentamiento, tiene lugar el enfriamiento. El motor realiza ambas variaciones de calor y frío en cada revolución del volante y la presencia de los dos niveles de temperatura provoca que haya una conversión neta de energía térmica en trabajo mecánico.
Según el dibujo de los componentes más arriba expuesto, la variación de presión se produce en el cilindro del desplazador, que es también la zona de enfriamiento. En ese momento, la energía térmica gira el volante y el cigüeñal, con lo que se transforma en energía mecánica.
El desplazador es el componente que facilita el desplazamiento del gas hacia las zonas deseadas de forma cíclica por cada revolución del volante de inercia. Normalmente, este y el pistón están mandados por el acoplamiento mecánico en un cigüeñal con un desfase de 90º, una condición obligatoria y necesaria para que el funcionamiento sea correcto, sino perderíamos eficacia o, sencillamente, no funcionaría el motor Stirling.
Un motor Stirling se considera un motor termodinámico (térmico) por la presencia de un gradiente de temperaturas entre las dos fuentes térmicas.
Lo cierto es que la eficiencia del motor Stirling queda muy restringida por la eficiencia del ciclo de Carnot, el cual depende de la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el frío, pero a pesar de ello, son mucho más eficientes que las máquinas de vapor. A continuación, veremos algunas de las ventajas y desventajas del motor Stirling.
Ventajas del motor Stirling
- Practicidad: El aporte de calor al cilindro es externo, por lo que las condiciones de combustión son flexibles y es posible utilizar una gran variedad de fuentes energéticas: energía solar térmica, todo tipo de combustibles, biomasa, energía geotérmica…
- Rendimiento: Es el único motor capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico de Carnot. Es más, teóricamente lo alcanza, por lo que en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción.
- Eficiencia: Se puede usar un proceso de combustión continua, lo que permite reducir la mayor parte de las emisiones (hollines, hidrocarburos, NOx…).
- Sencillez: La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco frío, por lo que necesitan menos lubricación y duran más que otras máquinas alternativas. Además, los mecanismos son más sencillos al no necesitar válvulas, permitir el uso de cilindros ligeros, un quemador simplificado…
- Seguridad: Emplean un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño, lo que reduce los riesgos de explosión. Por ejemplo, una máquina de vapor emplea agua en estados líquido y gaseoso, por lo que un fallo en una válvula puede provocar una explosión peligrosa.
- Versatilidad: Se pueden construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio, como bombas de agua, como cogeneradores en invierno y como refrigeradores en verano…
- Eficacia: Arrancan con facilidad (despacio y después del calentamiento inicial) y funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de combustión interna que arrancan con facilidad en temperatura templada, pero presentan problemas en temperaturas frías.
Desventajas del motor Stirling
- Tamaño: La densidad de potencia es baja debido a la combustión externa, lo que condiciona su tamaño. Si el motor Stirling trabaja con diferenciales térmicos pequeños, son motores muy grandes, por culpa de los intercambiadores. Si aumentamos la diferencia de temperatura o la presión, podemos obtener motores más pequeños. Por otra parte, la disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica, lo que incrementa el tamaño de los radiadores y dificulta los diseños compactos.
- Costes: Su construcción tiene un coste elevado dados los materiales que hay que utilizar, pues requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que contienen el fluido de trabajo a alta temperatura, y deben soportar los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera.
- Lentitud: Su funcionamiento no es instantáneo, necesitan calentarse primero. Esto es común para todos los motores de combustión externa, pero es menor que en otros motores como la máquina de vapor.
- Respuesta: Su mejor uso es en aplicaciones que requieran una velocidad constante.
- Gas empleado: El hidrógeno es el gas ideal en términos de termodinámica y dinámica de fluidos para el motor Stirling gracias a su baja viscosidad, su alto calor especifico y su conductividad, pero presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales, además de resultar extremadamente inflamable. Generalmente se usa helio por sus características similares al hidrógeno, pero es inerte; o aire comprimido, aunque este presenta riesgo de explosión.
Tipos de motores Stirling
Motores tipo alfa
Nacen en los Estados Unidos de la mano de Rider. Se caracterizan por la ausencia de desplazador respecto a la patente original del motor Stirling. Cuentan con dos cilindros independientes -en los que hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro- conectados por un tubo en el que se ubica el regenerador, el cual almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90 grados desfasado respecto al otro.
Motores tipo beta
Su diseño es similar al de la patente original del motor Stirling, contando con un pistón concéntrico al desplazador y en el mismo cilindro. Dicho cilindro tiene una zona que se calienta mediante un mechero; y una zona fría, refrigerada por aletas, agua… El movimiento del pistón y el desplazador están desfasados 90 grados gracias al movimiento de un cigüeñal que permite funcionar al motor.
Desde el punto de vista termodinámico es el motor Stirling más eficaz, pero es difícil de construir porque el pistón ha de tener dos bielas y permitir el paso del vástago que mueve el desplazador.
Cuando estos motores son de pequeño tamaño no suelen tener un regenerador, sólo una holgura milimétrica entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del aire. Por el contrario, los más grandes suelen llevar un regenerador externo y por el mismo pasa el aire entre la zona fría y la zona caliente.
Motores tipo gamma
En realidad, son una variante de los motores beta y cuentan con idénticos sistemas para calentar y enfriar el gas, pero los motores gamma tienen un diseño más sencillo, similar al de un motor de motocicleta. Cuentan con dos cilindros separados. En uno de llos se ubica el desplazador y en el otro el pistón.
En estos motores, pistón y desplazador se mueven desfasados 90 grados, lo cual se consigue gracias a un cigüeñal. Desde el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el modelo anterior, ya que la expansión de trabajo se realiza a menor temperatura.
Motores especiales
- Motor Ringbom: Nace en 1905 de la mano de Ossian Ringbom y se caracterizó por tener un desplazador que se movía por una combinación de las variaciones internas de la presión en el motor y la fuerza de la gravedad. Se caracteriza por su sencillez.
- Motor de pistón líquido: Es una variante del motor Stirling formada por dos tubos en forma de U rellenos de líquido: el de la izquierda actúa como desplazador y el de la derecha como pistón.
- Motor tipo pistón libre: Está pensado para aplicaciones donde no es necesario transmitir potencia a un eje giratorio (compresor de aire, una bomba de agua, generador eléctrico…). En él, el desplazador y el pistón se mueven libremente. Se caracteriza por su sencillez y su escaso mantenimiento.
Aplicaciones del motor Stirling
Teniendo en cuenta todas las ventajas del motor Stirling, estas nos llevan a una gran compatibilidad con las fuentes de energía alternativas y renovables que, como ya sabemos, son cada vez más importantes a causa del incremento en el coste de los combustibles convencionales, la problemática en la producción del petróleo y el cambio climático. Es por ello que el motor Stirling es actualmente núcleo de interés.
Entre las aplicaciones del motor Stirling más reseñables a día de hoy están:
La conversión de la energía solar en eléctrica: Especialmente en zonas menos desarrolladas. Un proyecto relevante con discos parabólicos con motor Stirling tuvo lugar en 2010 por la empresa Stirling Energy Systems y Southern California Edison en el desierto de Mojave, con una potencia de 500 MW. Otro ejemplo sería la producción de electricidad en las misiones espaciales de la NASA.
Impulsión de submarinos: Su uso se engloba dentro de la Propulsión Independiente de Aire porque la energía necesaria para la propulsión se realiza sin introducir un oxidante (aire) de la atmósfera.
Permite recargar las baterías a alta profundidad, por lo que la compañía Kockums -propiedad de Saab-, instaló en los ‘80 motores Stirling con un sistema de oxígeno líquido en el submarino francés Saga (SAAB). En 1988 debutó con la Marina Sueca (submarino Näcken) y, dada su efectividad, se instaló en todos los submarinos Gotland de la marina sueca.
Bombeo de agua: Fue muy útil en zonas poco desarrolladas y minas, puesto que su construcción es sencilla y se pueden fabricar con materiales disponibles en la zona, permitiendo el empleo de combustibles sólidos disponibles en esas áreas.
Yates: Existe un tipo específico de motor Stirling que fue diseñado para yates.
Refrigeración: Pensemos en un uso inverso del motor Stirling: le aplicamos un movimiento mecánico externo mediante un motor para lograr producir frío y calor. Diseñando el motor Stirling de la forma correcta, se pueden llegar a alcanzar los 10º K (-263º C). Philips es una de las empresas líderes en este sector a través de su división Stirling Cryogenics, que en 1946 comenzó a optimizar las técnicas de refrigeración que usaban el ciclo Stirling.
No tuvo gran éxito comercial como tal, pero sí que lo tuvo su aplicación en la criogenización, por lo que a principios de la década de los 90, la División Criogénica de Philips se independizó, naciendo así Stirling Cryogenics BV que, a día de hoy, proporciona máquinas que alcanzan temperaturas de hasta 20K (-253º C).
Automóviles: Aunque nunca llegó a producción, en 1973 Philips y Ford Motor Company estaban trabajando en un motor de 180 CV a través de un sistema con placas oscilantes. Igualmente, United Stirling (Suecia), trabajaba en un motor de 65 CV con cuatro cilindros en V.
Tiempo después, el Acta para la Investigación y el Desarrollo de la Propulsión Automotriz de Estados Unidos en 1978 llevó a la creación del Programa de Desarrollo del Motor Stirling Automotriz (ASE, Automotive Stirling Engine), el cual incluía a tres miembros: Mechanical Technology Incorporated (MTI), United Stirling AB (USAB) y AM General y era financiado por el Departamento de Energía y la NASA.
