Motor Stirling, Dispositivo Termodinámico Regenerativo

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La modelización del ciclo termodinámico del motor Stirling es isotérmico

Al variar las temperaturas u no los fluidos se introduce el concepto de regeneración.

Este hecho permite que el fluido motor, una vez se ha expandido, permanece a la misma temperatura que antes de la expansión, lo que permite la introducción del concepto de regenerador.

Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno frío, se cumple que el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a su calentamiento, lo que permite introducir un elemento que almacene el calor cuando una vez expandido el fluido debe operar a temperatura baja, para después de la compresión volver a absorber dicho calor para pasar a la cámara caliente donde se expansionara.

El motor Stirling opera con un fluido motor en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir de cuatro procesos cíclicos consecutivos: aporte de calor, expansión con el aporte de calor de la fuente de calor, extracción de calor hacia un acumulador térmico regenerativo y compresión con extracción de calor hacia el foco frío.

En seguida se muestra el esquema conceptual de un motor Stirling donde el fluido esta confinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio, dividiendo el espacio, se dispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo condiciona para adecuarlo a la temperatura de la cámara en que se encuentra. A un lado se dispone la cámara de compresión, a temperatura baja, y en el otro la cámara de expansión, a temperatura alta.

Esquema ideal de una maquina Stirling isotérmica

[pic 4]

El proceso al que se somete el fluido descrito en la figura consta de cuatro pasos:

- La totalidad del fluido se encuentra a baja temperatura en la cámara fría, por lo que el volumen de esta cámara es máximo, mientras que la cámara caliente esta a volumen mínimo.

Evolución 1-2. Se produce un proceso de compresión isotérmica en la cámara fría, por consiguiente debe extraerse calor.

- El fluido sigue en la cámara fría, el volumen es mínimo para el fluido, pero intermedio para el mecanismo. La cámara caliente continua a volumen mínimo.

Evolución 2-3. Se produce el trasvase del fluido de la cámara fría a la caliente de forma isocórica. El fluido atraviesa el regenerador, que le aporta calor para alcanzar temperatura alta, entrando de este modo, en la cámara caliente a su propia temperatura.

- Todo el volumen está en la cámara caliente con volumen mínimo para el fluido, siendo el volumen del mecanismo volumen intermedio para la cámara caliente, mientras que la fría a pasado a tener volumen mínimo, es decir, nulo.

Evolución 3-4. Expansión isotérmica en la cámara caliente, por consiguiente debe aportarse calor.

- La cámara caliente y el fluido están a volumen máximo, y mientras que la cámara fría sigue a volumen mínimo.

Evolución 4-1. Se produce el trasvase de fluido de la cámara caliente a la fría de forma isocórica. El fluido atraviesa el regenerador y lo calienta, acumulándose el calor que volverá a recibir el fluido nuevamente en la evolución 2-3.

Resumen del funcionamiento

- El motor Stirling es un motor exotérmico, es decir, que su combustión es externa.

- La idea del ciclo Stirling fue alternando aire caliente y frío en un cilindro usando brazos mecánicos articulados y un volante para lograr que el motor funcione en un suave e interminable ciclo.

- Los motores térmicos transforman un flujo de calor en trabajo mediante una serie de procesos termodinámicos que realizan de forma continuada sobre un fluido motor. En conjunto estos procesos forman un ciclo termodinámico. Un ciclo termodinámico es una evolución cíclica de procesos térmicos dentro de un intervalo de temperaturas.

- El funcionamiento de los motores térmicos esta caracterizado por la temperatura máxima y mínima entre las que opera el fluido motor, así como la rapidez con que es capaz de realizar el ciclo, cuestión que definirá su potencia.

- En los motores Stirling la composición del fluido no cambia y es reutilizable, además funcionan mediante un ciclo de transferencia de energía de calor, con el cual se puede aprovechar gases energía solar y fisión nuclear a diferencia de motores endotérmicos.

- Objetivos.

- Construir una maquina térmica Stirling y hacerla funcionar con materiales comunes.

- Determinar las ventajas y desventajas del motor Stirling

- Determinar la importancia de un regenerador

- Tipos de Motores Stirling.

El Motor Stirling en si no es un diseño fijo. Es mas bien un concepto de cómo la energía térmica se convierte en energía mecánica al cambiar la temperatura de un gas, pero existe una variedad de diseños posibles. Los dos mas comunes son el Motor Stirling tipo Alpha, y el Motor Stirling tipo Beta, y un tercero, no tan utilizado, el Motor Stirling tipo Gamma.

El Motor Stirling tipo Alpha es un motor de dos cilindros, que se mueven en dirección perpendicular el uno del otro. En uno de los cilindros hay una fuente que genera calor y crea la expansión del gas, y al expandirse, en el otro cilindro queda expuesta una fuente que absorbe el calor, ya sean aletas o agua, que crea la compactación del gas.

El segundo motor, el Motor Stirling tipo Beta, es un motor de un solo cilindro, colocado para crear un movimiento totalmente lineal. Este en realidad es el primer motor que se creó en esta base de funcionamiento, y es el modelo de Robert Stirling. En su parte inferior hay una pieza del cilindro que está sometida a calor, luego un aislante, y luego otro material frió. En medio, el pistón se expande con el calor y deja la zona fria descubierta, dando origen a la compactación.

El motor tipo Gamma es un derivado del tipo Beta, con desplazamiento vertical, pero con dos pistones. Esta formado con dos cilindros que están separados, pero que funcionan dependientemente el uno del otro. La tarea de uno es la de desplazar el eje que llevará a alguna funcionalidad, y el otro absorbe la potencia del cambio de volumen.

Siguiendo