Energías alternativas: El motor Stirling, es tan sencillo que “hasta lo puedes construir tu mismo”

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https://elobservatoriodeltiempo.wordpress.com/2012/09/21/energias-alternativas-el-motor-stirling-es-tan-sencillo-que-hasta-lo-puedes-construir-tu-mismo/

21SEP

(Ejemplos practicos al pié de la entrada)

En el funcionamiento de una olla exprés observamos claramente que un gas caliente ocupa mucho mayor volumen que frió. Igualmente hemos comprobado que muchos botes medio llenar cerrados y metidos en la nevera, resultan después difíciles de abrir porque se ha hecho un vacío que pega la tapa a la boca del bote.

Pues bien, esta propiedad de los gases de cambiar el de volumen con la temperatura, es la que se aprovecha en el Motor Stirling, una alternativa a la máquina de vapor que fue inventado en 1816 por Robert Stirling.

Este tipo de motores es muy adecuado para construirlos de forma casera por dos características, no precisa de muchas piezas, ni tiene que ser de alta precisión y funciona con muy moderada temperatura y presión, lo que resultan poco peligrosos.

A pesar de su sencillez, superan en rendimiento a la máquina de vapor o el motor de  combustión interna, pues a diferencia de estos motores, el motor Stirling permite extraer el máximo teórico de energía de los cambios térmicos, aunque por supuesto nuestros modestos motores, van a estar muy lejos de este óptimo.

Adicionalmente tiene la  ventaja, igual que la máquina de vapor, que su funcionamiento es independiente del combustible que utilicemos como fuente de calor, por lo que es muy adecuado para el aprovechamiento de energías alternativas como, la energía solar, biomasa, aceites etc.

Su mayor inconveniente radica, que a igualdad de tamaño, produce menos energía que  los otros tipo de motores más derrochadores y que su régimen de funcionamiento es más lento, por lo que resulta inadecuado para, por ejemplo, equipar automóviles.

Hoy, con la creciente preocupación medioambiental y de escasez de recursos han vuelto a hacer interesante por este equipo de alto rendimiento energético, lo que ha rescatado este viejo artilugio del olvido y lo ha transformado en candidato para muchos usos novedosos, e incluso se piensa en enviarlo al espacio, donde podría aprovechar la gran diferencia de temperaturas que hay entre un lado iluminado y uno en sombra de un satélite.

Ciclo de Otto

Expliquemos someramente el ciclo de Otto en el que se estudia el funcionamiento de los motores y que es básico para comprender el cambio de energía de calorífica en mecánica. En este gráfico las curvas indican el volumen que ocupan en función de la presión, (a más presión menos volumen), una cantidad fija de gas a un temperatura dada

El ciclo de Carnot es el siguiente

1. Expandimos del  volumen inicial V1 al final V2, una masa de gas caliente a temperatura constante T1, diminuyendo su presión. En el gráfico pasamos del punto 1 al 2 por la curva de temperatura constante T1
2.  Enfriamos, (robamos energía), el gas desde la temperatura T1 a la inferior T2 a volumen constante, En el gráfico pasamos del punto 2 al 3 por la línea vertical que corresponde al volumen expandido.
3.  Comprimimos el gas enfriado a la temperatura T2 del volumen V2 al volumen V1 aumentando la presión. En el gráfico pasamos del punto 3 al 4 siguiendo la curva T2.
4.   Calentamos, (cedemos energía), la temperatura del volumen V1 de gas a la temperatura T1 volviendo a la situación inicial. En el grafico pasamos del punto 4 al 1 por la vertical V1 cerrando el ciclo

Como se ve en el gráfico la distancia de entre los puntos 4 y 1 es más grande que la distancia entre 2 y 3 por tanto la energía robada es menor que la cedida, y como la energía ni se cede ni se destruye ello indica que hay un exceso de energía que se ha transformado en energía mecánica que habrá empujado al pistón que utilizábamos para cambiar el volumen de la cámara.

Se demuestra que esta energía es mayor cuanto más grande sea el área que cubran estos cuatro puntos  por tanto para hacer mayor esta área podemos o bien aumentar la diferencia entre T2 y T1 o ampliar la diferencia de volumen (V2-V1), por eso un notor de coche mejora su rendimiento cuando funciona  a mayor presión que comprima mas los gases, lo que obliga a utilizar gasolinas que la soporten como son las de mayor octanaje, o cundo tiene cilindros más grandes.

Por otra parte el ciclo de Carnot es reversible, si trabaja en el sentido indicado generan energía mecánica a partir consumir de energía térmica y trabajando en sentido contrario, trasforman la energía mecánica en una bomba de calor. como en las neveras y los equipos de aire acondicionado.

En la realidad este esquema es muy difícil de llevar a la práctica, pues es difícil encontrar dispositivo mecánicos que ajusten los volúmenes y temperaturas a este cl ciclo, con lo que en la realidad el gráfico que obtendremos tendrá una especto más o menos como se indica a continuación.

La diferencia de entre el área de gráfica teórica y real da le coeficiente de rendimiento de un motor en concreto los motores que expulsan los gases calientes a la atmósfera como el de vapor o el de combustión interna, se alejan mucho de la gráfica ideal, los que manejan el gas en un circuito cerrado, como el gas de refrigeración de una nevera, se pueden aproximar más al rendimiento óptimo. Como veremos el motor Stirling es de este último tipo

El motor Stirling

Bien acabada la parte teórica iniciemos la práctica. Imaginemos una lata de conservas abierta por un extremo y tapado ese extremo por un globo de caucho. (fig 1) Si calentamos el fondo de la lata con una vela, el aire se dilatará y inflará el globo.  (fig 2). Por el contrario si ponemos unas aletas disipadoras del calor  en la parte superior y la metemos en la nevera el globo será absorbido hacia adentro. (Fig 3)

Vamos a introducir dentro de la lata un pistón, que vamos a llamar pistón desplazador, (fig 4) porque si función no es comprimir el gas sino desplazarlo dentro de la lata ocupando él la parte más caliente o más fría de modo el aire vaya hacia arriba (parte fría) o hacia abajo (parte caliente). El pistón ha de ser de un diámetro algo inferior al de la lata, para que el gas se mueva con facilidad de un lado al otro,

Ahora calentamos la parte de abajo y refrigeramos la de arriba, cuando el pistón se mueve hacia arriba, la goma se expande porque el gas está en la zona caliente.y se dilata (fig 5) Si el pistón se mueve hacia abajo, la goma se absorbe porque el aire se enfría (fig 6).

Para poder desplazar a voluntad el pistón le vamos a poner una biela, unida a un cigüeñal que atravesara el caucho por lo que tendremos que poner unas arandelas que permitan atravesarle sin que se desgarre y que por su parte recibirán el empuje del has ayudando a subir y bajar el caucho junto al pistón. Tan solo nos falta añadir un volante al sistema para que el giro se mantenga uniforme. Ahora pasemos a c ver una serie de motores Stirlig caseros que circulan por Internet

Como muestra de que nosotros podemos hacer un motor Stirling le muestro un motor hecho con cosas que hay en cualquier casa-  Espero que con las explicaciones dadas comprendan su funcionamiento sin problemas.

Y ahora que ya tenemos la teoría pasemos a los ejemplos.

El primer ejemplo, un motores eléctricos de energía libre y renovable de verdad.  MOTOR STIRLING SOLAR: