La inspiración del Motor Stirling

Robert Stirling, reverendo de origen escocés, nació en la Granja de Cloag, cerca de Methven (Perthshire ) y fue el tercero de ocho hermanos.

Estudió teología en la Universidad de Edimburgo y en la Universidad de Glasgow llegando a ser ministro de la Iglesia presbiteriana escocesa. Heredó el interés de su padre por los ingenios mecánicos y en 1816 construyó un motor con el objetivo de tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de calentamiento y enfriamiento de un gas, pero dentro del motor, y el gas era aire en vez de vapor de agua, por lo que el motor no necesitaba caldera.

Este motor, fue bastante común en su época, sobre todo aplicado a pequeñas máquinas de uso doméstico como ventiladores, bombas de agua etc. Su potencia especifica no era muy elevada pero su sencillez y silencio eran magníficos.

Características del motor

El principio de funcionamiento de este motor es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas, normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire.

Éste al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío se contrae, y al calentarlo en un foco caliente, se expande. Es decir, resulta necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata, por tanto, de un motor térmico.

Su ciclo de trabajo consta de 2 isocoras (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y 2 isotermas (compresión y expansión a temperatura constante).

El motor de aire caliente Stirling usa una fuente de calor fija para calentar aire en su cilindro. Se puede considerar como un motor de combustión externa regido por un proceso adiabático, ya que no requiere quemar combustible en su interior y al operar no transfiere calor al entorno.

Su movimiento obedece a las diferencias de presión de aire, entre la porción más caliente y la fría. El mecanismo central de un Stirling consiste en dos pistones/cilindros, uno para disipar calor y desplazar aire caliente hacia la sección fría y viceversa.

En la práctica ese cilindro funciona como intercambiador de calor y se le denomina regenerador, mientras que el otro pistón entrega la fuerza para aplicar torque o par motor al cigüeñal.

Utilizando un diseño adecuado de este motor, es posible obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, lo cual hace de este motor el más eficiente que se conoce; sin embargo, adolece de un problema que lo condiciona a no ser el propulsor ideal de gran cantidad de máquinas, su imposibilidad de ponerlo en marcha de forma instantánea.

Comparativa

Frente a los motores de combustión externa tiene la ventaja de minimizar las emisiones de gases contaminantes, así como la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión.

Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan este principio, incluso algunos con base acústica, sin embargo, no tiene aplicación en automoción por varios motivos:

1.- Aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior a igualdad de peso y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.

Existe un elemento adicional al motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, permite alcanzar mayores rendimientos. El regenerador es un medio poroso con conductividad térmica despreciable que contiene un fluido. Actúa como un intercambiador de calor interno y absorbe y cede calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo.

El regenerador divide al motor en dos zonas, una caliente y otra fría, y el fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo.

2.- El ciclo teórico Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tiene un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto.

3.- El rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como el invierno en los países nórdicos, mientras tendría menos interés en climas como los de los países ecuatoriales.

---

Si te ha gustado este artículo de nuestra profesora Ana Duato, puedes seguir ampliando conocimientos relacionados con estos temas con alguno de nuestros cursos del área de diseño mecánico.