Motor Stirling
Un motor Stirling és un motor tèrmic que opera per compressió i expansió cíclica d'aire o un atre gas (el cridat decorregut de treball) a diferents nivells de temperatura que produïxen una conversió neta d'energia calorífica a energia mecànica.[1][2] Més específicament, és un motor tèrmic de cicle tancat regeneratiu en un decorregut gaseós permanent. En esta definició, cicle tancat descriu un sistema termodinàmic en el que el decorregut està permanentment contingut en el sistema, i regeneratiu descriu l'us d'un tipo específic d'intercanvi de calor i almagasenament tèrmic, conegut com el regenerador. L'inclusió d'un regenerador és lo que diferencia als motors Stirling d'atres motors de cicle tancat.
El motor Stirling va ser inventat en 1816[3] pel reverent escocés Robert Stirling, qui ho va concebre per a rivalizar en el motor de vapor. En la pràctica, el seu us es va reduir a aplicacions domèstiques durant casi un sigle.[4] El motor Stirling es va fer famós en 1842 quan Stirling va construir una màquina en este disseny en Dundee, en una potència de 37 cavalls.[5] Els motors Stirling tenen una alta eficiència, si li'ls compara en els motors de vapor,[6] i gran facilitat per a ser aplicats a qualsevol font de calor. Estes ventages estan fent que torne a haver interés este tipo de motors, i en la seua aplicació a sistemes captadores d'energies renovables.
Història
[editar | editar còdic]Robert Stirling és considerat l'inventor del motor d'aire calent, a pesar d'alguns predecessors anteriors, especialment Guillaume Amontons.[7] Va conseguir construir, en 1816, el primer motor d'aire calent en funcionament.
Més tarde ho va seguir Cayley. Este tipo de motor era d'aquells en els que el fòc està tancat i alimentat per aire bombejat baix de la reixeta en cantitat suficient per a mantindre la combustió, mentres que la major part de l'aire entra per damunt del fòc per a calfar-se i expandir-se; el tot, junt en els productes de la combustió, després actua sobre el pistón i pansa a través del cilindre de treball; i l'operació és solament de mescla simple, no es requerix una superfície de calfament de metal, l'aire a calfar es posa en contacte immediat en el fòc.
El principi del motor d'aire Stirling diferix del de Sir George Cayley (1807), en el que l'aire és forçat a través del forn i s'expulsa, mentres que en el motor de Stirling l'aire funciona en un circuit tancat. Va ser a això que l'inventor va dedicar la major part de la seua atenció. Un motor de dos cavalls de força, construït en 1818 per a bombejar aigua en una pedrera de Ayrshire (Escòcia), va continuar funcionant durant algun temps, fins que un assistent descuidat va permetre que el calfador es sobrecalentara. Este experiment va demostrar a l'inventor que, per la baixa pressió de treball obtenible, el motor sol podia adaptar-se a chicotetes potències per a les que en eixe moment no hi havia demanda.
La palesa de Stirling 1816 també es referia a un "Economizador", que és el predecessor del regenerador. En esta palesa (# 4081) descriu la tecnologia "economizadora" i vàries aplicacions a on es pot usar dita tecnologia. D'ells va sorgir un nou apany per a un motor d'aire calent. En 1818, es va construir un motor per a bombejar aigua d'una pedrera en Ayrshire, pero per problemes tècnics, el motor va ser abandonat per un temps.
Stirling va patentar un segon motor d'aire calent, junt en el seu germà James, en 1827. Varen invertir el disseny per a que els extrems calents dels desplazadores estigueren baix de la maquinària i varen agregar una bomba d'aire comprimit per a que l'aire dins poguera aumentar la pressió a al voltant de 20 atmòsfera.
Els dos germans Stirling varen ser seguits poc despuix (1828) per Parkinson i Crossley i Arnott en 1829.
Estos precursors, als que deu afegir-se Ericsson, han dut al món la tecnologia del motor d'aire calent i les seues enormes ventages sobre la màquina de vapor. Cada u d'ells venia en la seua pròpia tecnologia específica, i encara que el motor Stirling i els motors Parkinson i Crossley eren prou similars, Robert Stirling es va distinguir en inventar el regenerador.
Parkinson i Crosley varen introduir el principi d'usar aire de major densitat que el de l'atmòsfera, i aixina varen obtindre un motor de major potència en la mateixa brúixola. James Stirling va seguir esta mateixa idea quan va construir el famós motor Dundee.
La palesa de Stirling de 1827 va ser la base de la tercera palesa de Stirling de 1840. Els canvis de la palesa de 1827 varen ser menors pero essencials, i esta tercera palesa va conduir al motor Dundee.
James Stirling va presentar el seu motor a l'Institució d'Ingeniers Civils en 1845.[8] El primer motor d'este tipo que, despuix de vàries modificacions, va ser construït i calfat eficientement, tenia un cilindre de 30 centímetros de diàmetro, en una llongitut de carrera de 60 centímetros, i va fer 40 revolucions en un minut (40 rpm). Este motor va moure tota la maquinària en les obres de Dundee Foundry Company durant huit o dèu mesos, i anteriorment es va descobrir que era capaç d'elevar 320,000 kg 60 cm en un minut, una potència d'aproximadament 21 cavalls de força.
En trobar esta potència insuficient per als seus treballs, la Dundee Foundry Company va erigir el segon motor, en un cilindre de 40 centímetros de diàmetro, una carrera d'1,2 metros i fent 28 tandes en un minut. Quan este motor havia estat en funcionament continu durant més de dos anys, no solament havia realisat el treball de la fundició de la manera més satisfactòria, sino que havia segut provat (per un fre de fricció en un tercer motor) fins al punt d'alçar casi 687 tonellades, una potència d'aproximadament 45 cavalls de força.
Açò dona un consum d'1.2 quilograms per cavall de força per hora; pero quan el motor no estava totalment carregat, el consum era considerablement inferior a 1.1 quilograms per cavall de força per hora. Este rendiment va estar al nivell de les millors màquines de vapor, l'eficiència del qual va ser d'al voltant del 10%. Despuix de James Stirling, tal eficiència solament va ser possible gràcies a l'us del economisador (o regenerador).
Descripció del funcionament
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Cicle Stirling.
El motor Stirling és l'únic capaç d'aproximar-se (teòricament ho alcança) al rendiment màxim teòric conegut com rendiment de Carnot, per lo que, en lo que a rendiment de motors tèrmics es referix, és la millor opció. Convé advertir que no serviria com a motor de coche, perque encara que el seu rendiment és superior, la seua potència és inferior (a igualtat de pes) i el rendiment òptim solament s'alcança a velocitats baixes. El cicle teòric de Carnot és inalcançable en la pràctica, i el cicle Stirling real tindria un rendiment intrínsecament inferior al Cicle de Carnot, ademés el rendiment del cicle és sensible a la temperatura exterior, per lo que la seua eficiència és major en climes frets com l'hivern en els països nòrdics, mentres tindria menys interés en climes com els de els països equatorials, conservant sempre la ventaja dels motors de combustió externa de les mínimes emissions de gasos contaminants, i la possibilitat d'acceptar fonts de calor sense combustió.
El seu cicle de treball es conforma per mig de 2 transformacions isocóricas (calfament i refredat a volum constant) i dos isotermes (compressió i expansió a temperatura constant).[9][10]
Existix un element adicional al motor, cridat regenerador, que, encara que no és indispensable, permet alcançar majors rendiments. El regenerador és un bescanviador de calor intern que té la funció d'absorbir i cedir calor en les evolucions a volum constant del cicle. El regenerador consistix en un mig poroso en conductivitat tèrmica despreciable, que conté un decorregut. El regenerador dividix al motor en dos zones: una zona calenta i una atra zona freda. El decorregut es desplaça de la zona calenta a la freda durant els diversos cicles de treball, travessant el regenerador.
Pot amprar 1, 2, 3 o més pistones.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ "Stirling Engines", G. Walker (1980), Clarendon Press, Oxford, page 1: "A Stirling engine is a mechanical device which operates on a *closed* regenerative thermodynamic cycle, with cyclic compression and expansion of the working fluïu at different temperature levels."
- ↑ W.R. Martini (1983), p.6
- ↑ «El motor Stirling de 1816». hotairengines.org.
- ↑ T. Finkelstein; A.J. Organ (2001), Chapters 2&3
- ↑ «El motor Stirling de Dundee». hotairengines.org.
- ↑ «General discussion of Stirling engine». www.bekkoame.ne.jp.
- ↑ «El motor de Amontons». hotairengines.org.
- ↑ «Dundee Stirling Engine - Lecture». hotairengines.org.
- ↑ A. Romanelli Alternative thermodynamic cycle for the Stirling machine, American Journal of Physics 85, 926 (2017)
- ↑ A. Romanelli Stirling engine operating at low temperature difference , American Journal of Physics 88, 319 (2020); https://doi.org/10.1119/10.0000832
- Este artícul conté una traducció derivada de «Motor Stirling» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.