Motor Stirling para niños
Un motor Stirling es un tipo de motor térmico. Funciona haciendo que un gas, como el aire, se caliente y se enfríe de forma repetida. Este proceso de calentamiento y enfriamiento hace que el gas se expanda y se contraiga, lo que a su vez mueve un pistón y produce energía mecánica.
Es un motor de "ciclo cerrado", lo que significa que el gas que lo hace funcionar siempre está dentro del motor. También es "regenerativo" porque usa un sistema especial llamado regenerador. Este regenerador ayuda a guardar y reutilizar el calor, lo que hace que el motor sea más eficiente. El regenerador es lo que hace que los motores Stirling sean diferentes de otros motores de ciclo cerrado.
El motor Stirling fue inventado en 1816 por un reverendo escocés llamado Robert Stirling. Él lo creó para competir con el motor de vapor de la época. Al principio, se usó principalmente en hogares. En 1842, Stirling construyó una máquina más grande en Dundee que tenía una potencia de 37 caballos. Los motores Stirling son muy eficientes y pueden usar casi cualquier fuente de calor. Por estas razones, hay un interés creciente en ellos, especialmente para usar con energías renovables.
Contenido
Historia del Motor Stirling
Robert Stirling es reconocido como el inventor del motor de aire caliente, aunque hubo algunas ideas previas. Él logró construir el primer motor de aire caliente que funcionó en 1816.
El motor de Stirling se diferencia de otros diseños de la época porque el aire funciona en un circuito cerrado, es decir, no se expulsa. En 1818, se construyó un motor de dos caballos de fuerza para bombear agua en una cantera en Escocia. Funcionó por un tiempo, pero se detuvo debido a un sobrecalentamiento. Este experimento mostró que, por la baja presión de trabajo, el motor era más adecuado para potencias pequeñas.
La patente de Stirling de 1816 también incluía un "Economizador", que fue el precursor del regenerador. Este dispositivo ayudaba a mejorar la eficiencia del motor.
En 1827, Robert Stirling y su hermano James patentaron un segundo motor de aire caliente. Mejoraron el diseño y añadieron una bomba de aire para aumentar la presión del aire dentro del motor a unas 20 atmósferas.
Otros inventores como Parkinson, Crossley y Arnott también desarrollaron motores de aire caliente en esa época. Sin embargo, Robert Stirling se destacó por su invención del regenerador, que fue clave para la eficiencia de estos motores.
James Stirling presentó su motor mejorado a la Institución de Ingenieros Civiles en 1845. Un motor de 30 centímetros de diámetro y 60 centímetros de carrera movió toda la maquinaria de una fundición durante varios meses, produciendo unos 21 caballos de fuerza.
Más tarde, la Dundee Foundry Company construyó un segundo motor más grande, con un cilindro de 40 centímetros de diámetro y una carrera de 1.2 metros. Este motor funcionó continuamente por más de dos años y produjo unos 45 caballos de fuerza. Su consumo de combustible era muy bajo, comparable a las mejores máquinas de vapor de la época, lo que demostraba la alta eficiencia lograda gracias al regenerador.
¿Cómo funciona un motor Stirling?
El motor Stirling es especial porque, en teoría, puede alcanzar una eficiencia muy alta, similar al máximo teórico conocido como Ciclo de Carnot. Esto lo convierte en una de las mejores opciones en cuanto a rendimiento para motores térmicos.
Sin embargo, no es ideal para un coche porque, aunque es muy eficiente, su potencia es menor para el mismo peso y funciona mejor a velocidades bajas. Su eficiencia también depende de la temperatura exterior, siendo mejor en climas fríos. Una gran ventaja es que, al ser un motor de combustión externa, produce muy pocas emisiones contaminantes y puede usar casi cualquier fuente de calor.
El funcionamiento del motor Stirling se basa en cuatro pasos principales:
- Calentamiento a volumen constante: El gas se calienta sin cambiar su volumen.
- Expansión a temperatura constante: El gas caliente se expande, moviendo el pistón y produciendo trabajo.
- Enfriamiento a volumen constante: El gas se enfría sin cambiar su volumen.
- Compresión a temperatura constante: El gas frío se comprime, preparándose para el siguiente ciclo.
El regenerador es una parte muy importante del motor. Es un intercambiador de calor interno que absorbe el calor del gas cuando se enfría y luego lo devuelve al gas cuando se calienta. Esto ayuda a que el motor sea mucho más eficiente. El regenerador divide el motor en una zona caliente y una zona fría, y el gas se mueve entre estas dos zonas a través del regenerador.
Los motores Stirling pueden tener uno, dos, tres o más pistones.
¿Para qué se usa el motor Stirling?
Aplicaciones de energía solar
En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han desarrollado sistemas que usan grandes discos parabólicos. Estos discos reflejan y concentran la luz del sol hacia un motor Stirling. El motor convierte la energía solar en energía mecánica, que luego un alternador transforma en energía eléctrica. Estos son modelos experimentales que muestran un gran rendimiento.
Se cree que esta tecnología será muy útil en lugares con mucha población dispersa, donde llevar la red eléctrica es muy costoso. Se espera que se fabriquen unidades pequeñas de estos motores con discos solares, capaces de producir electricidad para hogares, especialmente en países cercanos a los trópicos, donde hay mucha luz solar todo el año y también mucha población en áreas rurales.
Uso en el espacio y otras áreas
La NASA (Agencia Espacial Norteamericana) desarrolló generadores especiales llamados SRG (Generadores de Radioisótopos Stirling). Estos usan una fuente de calor de radioisótopos para calentar el motor Stirling. El calor hace que el helio dentro del motor se expanda y mueva un pistón, generando electricidad. Gracias a un diseño avanzado con levitación magnética, estos generadores son muy eficientes y pueden funcionar por muchos años sin mantenimiento.
Aunque la NASA probó estos generadores en la Tierra, su desarrollo se detuvo en 2013. Sin embargo, un proyecto similar de la NASA llamado Kilopower, que usa un pequeño reactor de uranio como fuente de calor, sigue en desarrollo y también utiliza motores Stirling.
En Holanda, una empresa llamada SoundEnergy ha encontrado una forma de usar el motor Stirling para convertir el calor en frío. Esto se basa en principios de la termoacústica, que fueron investigados originalmente por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos.
Galería de imágenes
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Motor tipo alfa Stirling. Tiene dos cilindros, el rojo es mantenido a una alta presión y temperatura, mientras que el azul es el enfriador. El hueco entre los dos cilindros contiene el regenerador.
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Motor tipo beta Stirling. Tiene un único cilindro con dos culatas, una con calor y otra en frío. Un émbolo libre desplaza el aire entre el espacio caliente y frío. Un cilindro de potencia al final del eje mueve el volante.
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Diseño de un Motor Stirling tipo Rombic Beta.
Véase también
En inglés: Stirling engine Facts for Kids
