1_Historia y descripcion

1. Historia y Descripción.
Historia y Descripción.
PFC de José Manuel Álvarez Prieto.
1.1. Historia y evolución.
El motor de aire caliente es fruto del sentido común, como no podía ser de otra manera
en una época en la que la ciencia termodinámica estaba todavía en sus comienzos y las
personas reconocidas como ingenieros estaban acreditadas más por sus inventos y
desarrollos que por diplomas obtenidos en las incipientes escuelas de ingeniería que
aparecían aquí y allá en toda Europa.
En 1807 el inglés Sir George Cayley escribió un artículo donde se describía por primera
vez, acompañado de un esquema, el funcionamiento de un motor de aire caliente. “El
aire aumenta de volumen al calentarse y se reduce al enfriarse y estas propiedades
debieran poderse aprovechar para obtener energía cinética”.
En 1816, el clérigo escocés Robert Stirling (1790-1879) comenzó a trabajar con su
hermano James en un motor que llevara a la práctica estas ideas y lo patentó en 1827.
Los dos primeros principios de la termodinámica fueron publicados en Francia por
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 en su obra titulada “Reflexiones sobre la
potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta
potencia”.
El primer motor de los hermanos Stirling constaba de dos cilindros. En uno de ellos el
aire se calentaba y se enfriaba alternativamente. Cuando el aire se expandía, actuaba
sobre el otro cilindro. Los Stirling construyeron varios motores, pero nunca llegaron a
producirlos en masa. El más grande de ellos tenía una potencia de 21 caballos; su
cilindro principal tenía un diámetro de 40 cm y el recorrido del émbolo era de 120 cm.
Figura 1.1. Robert Stirling (1790 – 1879)
El motor Stirling fue superado progresivamente por otros tipos de motores hasta el
punto de desaparecer prácticamente de escena hacia 1930. Por muchos años el ciclo
Stirling tuvo sólo un interés teórico. El siguiente desarrollo importante fue el de la casa
holandesa Philips. Esta empresa estaba buscando una fuente de energía que hiciera
funcionar un pequeño generador con el que proveer de electricidad a las radios de
válvulas que fabricaba y que pretendía vender en países con escasa implantación de la
red eléctrica. La idea era prometedora pero la aparición del transistor, en los años
cincuenta, dio al traste con esta aspiración. Se decidió entonces buscar otras
aplicaciones como la de propulsar vehículos militares o pequeñas embarcaciones de
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recreo. Durante los años sesenta y setenta se llegó al empleo del motor Stirling en
vehículos, especialmente camiones y autobuses, donde el mayor peso de estos motores
con respecto a los de combustión interna era menos crítico.
No obstante también se investigó su implantación en automóviles civiles. El Opel
Kadett híbrido Stirling – Eléctrico experimental de 1969 de la siguiente imagen es un
ejemplo:
Figura 1.2. Opel Kadett híbrido Stirling – Eléctrico experimental de 1969.
También Ford instaló en 1976 un motor Stirling experimental de 170 CV en su modelo
Torino. El motor de 4 cilindros tenía un desplazamiento de 860 cm3 y funcionaba con
hidrógeno como fluido de trabajo. La máxima presión de operación en el ciclo era de
unos 18 MPa y la temperatura del foco caliente era de aproximadamente 760ºC.
Posteriormente el DOE (Department of Energy) y la NASA iniciaron juntas a partir de
1978 un programa impulsado por el gobierno norteamericano para la creación de un
motor Stirling de aplicación en automoción. Inicialmente el interés se centró en
desarrollar la tecnología para sustituir ventajosamente al motor de combustión interna
en los automóviles y para ello debía superarlo con un menor consumo de combustible,
menores emisiones de contaminantes a la atmósfera, tener unas prestaciones similares o
superiores a los motores convencionales (mismo orden de tiempo necesario para
acelerar, potencia, etc) y debían poderse producir en masa a costes razonables. Fueron
creadas varias generaciones de motores durante las décadas de los 80 y 90 del siglo
pasado. Las dos primeras se representan en la siguiente figura:
Figura 1.3. Las dos primeras generaciones de motores experimentales de la NASA y DOE.
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Dichos motores fueron instalados en vehículos convencionales de la época pues debían
servir para animar a los fabricantes de automóviles a considerar seriamente la
incorporación de dicha tecnología en sus productos. En una fase posterior se montaron
motores de este tipo en vehículos de la administración norteamericana con el fin de
obtener datos de explotación diaria.
Figura 1.4. Automóviles propulsados por motores Stirling en fase experimental.
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Los flujos de calor en los motores Stirling se realizan a través de intercambiadores, por
lo que no tienen una relación peso a potencia muy favorable (salvo, quizá, para
camiones y autobuses o aplicaciones estacionarias como generadores y bombas). Los
pistones no se lubrican para evitar la obstrucción en el regenerador, lo cual (ligado a las
altas presiones y temperaturas del ciclo) obligan a buscar en el diseño un compromiso
razonable entre la fricción y las holguras dimensionales entre el pistón y cilindro. Por
otra parte los motores Stirling pueden operar con casi cualquier fuente de calor, desde la
solar (sin emisiones a la atmósfera) a cualquier tipo de combustible. En este último caso
todavía serían considerados como motores de combustión externa y tienen notables
ventajas respecto a los motores de combustión interna como los de uso común en
automoción. Al ser la llama exterior y a presión atmosférica es más fácil regularla
adecuadamente para que el proceso de combustión sea mucho más completo y emita la
menor cantidad posible de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxido de nitrógeno.
Los motores Stirling son además silenciosos, fiables y de larga vida. En ellos no se
producen explosiones internas, con grandes gradientes de presión y temperatura en un
instante corto del ciclo que alteren la lubricación y refrigeración. Se pueden equilibrar
dinámicamente de forma muy sencilla, de manera que se reduzcan las vibraciones en
funcionamiento.
Actualmente hay un renovado interés por los motores Stirling para generación de
electricidad a partir de la energía solar térmica. Un ejemplo lo encontramos en los
generadores que fabrica y comercializa la compañía alemana SOLO. En estos se hace
coincidir el foco caliente del motor con el foco geométrico de un paraboloide de espejos
de grandes dimensiones que debe ser orientado convenientemente respecto al sol.
Figura 1.5. Ejemplo de aplicación solar para un motor Stirling.
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1.2. Ciclo termodinámico.
El ciclo teórico de Stirling está comprendido por dos isócoras y dos isotermas,
representándose en el diagrama p-V de la siguiente forma:
Figura 1.6. Diagrama p-V teórico.
El motor recorre el ciclo en sentido horario de manera que la expansión (isoterma “3-4”)
se hace a mayor temperatura que la compresión (isoterma “1-2”), cediendo un trabajo
neto.
Su representación en el diagrama T-s es esta otra:
Figura 1.7. Diagrama T-s teórico.
En ella se puede apreciar que el gas intercambia calor con el medio tanto en las
isotermas como en las isócoras. Se observa también que el calor intercambiado en las
partes del ciclo en las que el volumen es constante, es igual y de sentido contrario (en la
isócora “2-3” el gas absorbe calor y en la isócora “4-1” lo cede).
El motor Stirling cuenta con un dispositivo capaz de captar el calor cedido por el gas en
la fase “4-1” para devolverlo más tarde al ciclo en la fase “2-3”, evitando de esta
manera que sea la fuente de calor la que provea de energía en este periodo “2-3”. El
dispositivo se llama regenerador, y si dispusiera de un rendimiento del 100%
lograríamos que el ciclo de Stirling tuviera un rendimiento igual al de Carnot. En efecto,
el calor absorbido neto sería el de la isoterma “3-4” y el calor cedido neto sería el de la
isoterma “1-2”, dando lugar a la siguiente expresión del rendimiento térmico
η Stirling =
Qabsorbido − Qcedido
Q
T
= 1 − cedido = 1 − c = η Carnot
Qabsorbido
Qabsorbido
Tf
Siendo Tc la temperatura en el foco caliente y Tf la del foco frío.
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1.3. Tipos de motores.
Hay básicamente 3 tipos diferentes de motores Stirling. Sus diferencias son meramente
constructivas y se denominan motor alfa, motor beta y motor gamma.
Figura 1.8. Esquema típico de los motores tipo alfa, beta y gamma.
El motor alfa tiene dos pistones de potencia. Se construye habitualmente con dos
cilindros a 90º, uno para cada pistón. Uno de ellos es el cilindro caliente y el otro el
cilindro frío de la máquina. Están interconectados a través de un regenerador que
comunica las dos cámaras. Cada pistón necesita su sello para asegurar la estanqueidad y
esto supone una desventaja respecto a los otros tipos beta y gamma que sólo tienen un
pistón de potencia.
El tipo beta tiene un solo pistón de potencia y un pistón desplazador. La misión de éste
último es desplazar el fluido para que atraviese sucesivamente, y de forma síncrona con
el movimiento del pistón de potencia, los intercambiadores y el regenerador para
completar el ciclo termodinámico.
El tipo gamma es casi idéntico al beta. Tan solo se diferencia de éste en que el pistón de
potencia y el desplazador operan en cilindros distintos, lo cual significa una
simplificación constructiva al no tener que atravesar el vástago del desplazador al pistón
de potencia. Por esta razón es el favorito de los aficionados que lo consideran más
versátil para hacer modelos miniatura. Sin embargo el volumen necesario para conectar
los dos cilindros es un espacio indeseable que se añade al volumen muerto total y que
conviene minimizar.
A continuación describiremos el funcionamiento del motor alfa, por ser éste el tipo de
motor que hemos elegido para el estudio.
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1.4. Funcionamiento del motor alfa.
En un motor tipo α como el de las siguientes figuras el gas de trabajo recorre un ciclo
como el que se describe a continuación:
Figura 1.9. Punto 1. Pseudo-final de la
compresión a baja temperatura.
Figura 1.10. Punto 2. Pseudo-inicio de la
expansión a alta temperatura.
Figura 1.11. Punto 3. Pseudo-final de la
expansión a alta temperatura.
Figura 1.12. Punto 4. Pseudo-inicio de la
compresión a baja temperatura.
Diagrama p-V
2.8
Punto 2.
Presión en bares
2.6
2.4
2.2
2
Punto 1.
Punto 3.
1.8
Punto 4.
1.6
1.4
140
150
160
170
180
190
200
3
210
220
230
Volumen en cm
Figura 1.13. Diagrama p-V de un motor real en el que se han señalado los puntos 1 a 4.
Al ser un motor real, las distintas fases del ciclo se solapan ligeramente (el movimiento
del cigüeñal y la conexión cinemática de éste con los pistones hacen que esto sea así).
Por tanto la representación más parecida del ciclo en el diagrama p-V es el de la figura
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1.13 y no el del ciclo teórico encerrado entre isócoras e isotermas que teníamos por
ejemplo en la figura 1.6.
En la figura 1.9 el émbolo de la izquierda está en su punto muerto superior PMS y por
tanto inmóvil mientras que el pistón de la derecha tiene en ese momento un movimiento
ascendente a una velocidad lineal cercana a la máxima. Se está produciendo por tanto en
el ciclo una compresión del gas.
En la figura 1.10 el pistón de la izquierda está descendiendo y el de la derecha está en su
respectivo PMS. El gas ha pasado de la cámara de compresión a la cámara de expansión
pasando por el regenerador y recogiendo de éste una cantidad de calor.
En la figura 1.11 el pistón de la izquierda está en su punto muerto inferior PMI mientras
que el de la derecha está moviéndose hacia abajo. El gas ha terminado una expansión
que se ha realizado mayoritariamente en la zona de alta temperatura, dando por tanto el
motor un trabajo positivo.
En la figura 1.12 se representa al motor con el pistón derecho en su respectivo PMI
mientras que el izquierdo está en su carrera ascendente. El gas se ha desplazado de la
zona caliente a la fría pasando por el regenerador y cediéndole a éste parte de su calor.
A continuación (figura 1.14) se representa la secuencia de actuación de un esquemático
motor Stirling del tipo alfa que consta de un solo cilindro en cuyos extremos se
encuentran las cámaras de compresión (celeste), el foco frío (azul), el regenerador
(verde), el foco caliente (rojo) y la cámara de expansión (magenta).
Se puede observar en ella que, al ser el motor simétrico (misma sección en ambos
pistones y mismo radio de manivela en ambos cigüeñales) el volumen mínimo se dará
para un ángulo de 45º sobre la posición de referencia. Análogamente el volumen
máximo se dará para un ángulo de 225º sobre dicha posición de referencia. Esto solo
ocurrirá si se da esta simetría y el desfase entre ambos conjuntos cinemáticos es de 90º.
En la figura 1.14 “θ” representa el ángulo que forma el cigüeñal con su respectivo
origen de referencia.
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θ = 0º
θ
θ
θ = 45º (Mínimo Volumen)
θ = 90º
θ = 135º
θ = 180º
θ = 225º (Máximo Volumen)
θ = 270º
θ = 315º
θ = 360º
Figura 1.14. Secuencia de funcionamiento de un motor tipo alfa de un solo cilindro.
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1.5. Motores de Laboratorio.
Existen unos motores Stirling en el mercado que sólo tienen propósito didáctico científico para el estudio del ciclo termodinámico que tiene lugar. Dichos motores
suelen ser estar hechos con cristal resistente a altas temperaturas para que pueda verse el
movimiento de sus partes y trabajan con aire. Dos de los modelos más difundidos son el
motor de la casa Phywe y el Leybold.
En las siguientes imágenes encontramos el equipo completo para laboratorio de la
PHYWE, la secuencia de operación del motor y el diagrama pV teórico
correspondientes. Este motor es del tipo gamma, la fuente de calor en el foco caliente es
la llama de un mechero de alcohol y el foco frío está refrigerado por aire.
Figura 1.15. Motor tipo gamma para prácticas de laboratorio.
Figura 1.16. Secuencia de operación para el motor tipo gamma y el ciclo pV teórico asociado.
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Por el contrario el motor de la casa Leybold es del tipo beta, la fuente de calor en el foco
caliente es la disipación térmica de una resistencia eléctrica, y el foco frío está
refrigerado por agua.
En la figura siguiente vemos un dibujo del montaje de accesorios del motor Leybold
para la determinación del rendimiento.
Figura 1.17. Motor tipo beta de Leybold con accesorios.
En concreto se mide la tensión e intensidad que circula por la resistencia eléctrica del
foco caliente para la determinación de la potencia calorífica de entrada.
Por otra parte mide el caudal y la temperatura del refrigerante que circula por el foco
frío para obtener la potencia calorífica de salida.
Además mide el par efectivo de salida mediante un freno y la velocidad angular del
cigüeñal con un cuentarrevoluciones para obtener la potencia mecánica de salida.
La secuencia de operaciones que realiza para completar un ciclo, y el diagrama pV
teórico correspondiente son:
Figura 1.18. Secuencia de operación para el motor tipo beta y el ciclo pV teórico asociado.
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