Motor de gasoil.
Ciclo diésel

Motor endotérmico
Caja de cambios

Ciclo Stirling

Ciclo Stirling

El ciclo de Stirling es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de una clase de equipo (máquinas generadoras u operadoras). El ciclo describe el motor Stirling original que fue inventado y patentado en 1816 por el reverendo Robert Stirling, ayudado sustancialmente por su hermano ingeniero.

El motor Stirling es un motor de combustión externa. Esta característica lo diferencia de otros tipos de motores como el motor otto o el motor diésel que son motores de combustión interna. Ambos motores funcionan según el ciclo otto y el ciclo diésel respectivamente.

El ciclo Stirling es reversible. Este ciclo lo que pueden utilizar generadores para obtener energía mecánica a partir de la aplicación de calor y de una fuente de frío (una bomba de calor). También se puede utilizar este ciclo para obtener energía térmica (calor) o frío al aplicar energía mecánica.

El ciclo Stirling es un ciclo cerrado, es decir, el fluido que hace que el ciclo esté permanentemente contenido en el aparato que realiza el ciclo y no se intercambia con el exterior. Una característica específica del ciclo original es que este es regenerativo. Un ciclo res regenerativo cuando utiliza un dispositivo interno particular llamado regenerador. Un regenerador es un intercambiador-acumulador de calor que aumenta la eficiencia.

El ciclo es similar a muchos otros ciclos, donde básicamente hay cuatro fases:

  1. Fase de compresión,
  2. Fase de entrega de calor al fluido,
  3. Fase de expansión de fluidos
  4. Fase de eliminación de calor del fluido.

Como sucede a menudo en la comparación entre ciclos ideales y ciclos reales, el ciclo real no está tan perfectamente separado en fases distintas y distintas. En el ciclo Stirling, las superposiciones de las diferentes fases son particularmente llamativas.

Ciclo de Stirling ideal

Ciclo ideal del motor StirlingEl ciclo ideal de Stirling consta de cuatro fases termodinámicas que actúan sobre el fluido del ciclo (ver el diagrama a la derecha):

  • Del punto 1 al punto 2: expansión isotérmica. El compartimento de expansión se calienta desde el exterior y el gas contenido tiene una expansión isotérmica.
  • Del punto 2 al punto 3: transferencia de gas caliente a volumen constante o transformación isocórica; el gas pasa a través del regenerador cediendo a esto una parte del calor, que permanecerá disponible para una fase posterior.
  • Desde el punto 3 al punto 4: compresión isotérmica, el fluido en el espacio de compresión se enfría, la compresión se imagina isotérmica.
  • Del punto 4 al punto 1: transferencia de calor a volumen constante; el fluido fluye de regreso a través del regenerador, recuperando el calor del mismo regenerador.

Si bien el criterio teórico es conceptualmente simple, el análisis termodinámico real ha involucrado a los físicos durante mucho tiempo. La creación de un modelo de análisis del ciclo real no ha resultado ser una tarea trivial, ya que el ciclo ideal tiene solo un parecido distante con lo real.

El problema analítico del regenerador (el intercambiador de calor central en el ciclo de Stirling) fue juzgado como uno de los niveles más complejos que se pueden encontrar en Ingeniería.

Movimiento de dispositivos mecánicos en los motores Stirling

La mayoría de los textos que tratan sobre el ciclo Stirling siguen el modelo muy simplificado del ciclo ideal de Stirling. Esta forma de proceder es engañosa dado que si calculamos las áreas del ciclo ideal (teóricamente) aparecen de rendimientos de energía en trabajo muy elevado. Sin embargo, esto requeriría mecanismos que son imposibles de realizar físicamente.

En realidad, es necesario imaginar un mecanismo práctico que logre obtener algo que se asemeje al ciclo ideal, utilizando las partes mecánicas reales y habituales, como los pistones, y los mecanismos de manivela vinculados a estos.

El uso de la cinemática relacionada con la rotación produce, como es comprensible, movimientos de las partes de tipo sinusoidal. El conjunto de movimientos sinusoidales, a menudo con pistones "cruzados", transforman el ciclo, representado por líneas rectas o curvas puras. en una especie de "bean" aplanado, en el que el área interna (y, por lo tanto, el trabajo) se reduce drásticamente.

Algunas cinemáticas, como el llamado "yugo de Ross" (la biela de Ross), (un enlace de compromiso entre la cabeza cruzada y una simple transmisión de palanca), producen un movimiento casi sinusoidal. Otros cinematismos producen diferentes movimientos, los posibles cinematismos rigen las posibles soluciones, pero la mayoría de los movimientos posibles no siempre son compatibles con todas las condiciones de contraste de un sistema ideal.

Ciclo Stirling inverso

Por un lado, es difícil establecer un calor eficiente con pulsación, y extraer con eficacia la energía desde el sistema de pulsador. Por otro lado, también es aún más difícil practicar el ciclo inverso. El ciclo inverso implica obtener calor o frío mediante la administración de energía mecánica.

Con la energía mecánica se genera una presión a un fluido confinado. La presión al fluido implica una compresión y la generación de calor. Por otro lado, la energía mecánica suministrada puede generar una depresión al fluido, una expansión del mismo. Esta expansión absorbe energía calorífica, es decir, un enfriamiento. Esto es lo que se logra en la máquina frigorífica Stirling, obtenida con dispositivos mecánicos convencionales, con (manivelas y pistones), o con el uso inverso del motor termo acústico, donde la pulsación mecánica es proporcionada por sistemas resonantes ( motores lineales), placas piezoeléctricas) que operan a frecuencias mucho más altas.

Diagrama PV de un ciclo real

Diagrama PV del ciclo real de un motor StirlingDiagrama PV de un ciclo real de Stirling; se indican cuatro posiciones angulares de la manivela de la máquina que ejecuta el ciclo

El ciclo real se puede representar en un diagrama presión-volumen (PV) con una curva cerrada con una forma; esta curva representa, con diferentes valores de presión y temperatura, la mayoría de los ciclos reales de Stirling.

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Última revisión: 22 de marzo de 2018