Motor de ciclo Stirling

Antecedentes

Un motor es una máquina que convierte energía en trabajo útil:quemar carbón para hacer girar el eje de transmisión de un generador de planta de energía, por ejemplo. El motor más común en producción en la actualidad es el motor de automóvil de gasolina. Otros motores comunes son el motor diésel que se usa en camiones pesados ​​y algunos automóviles de pasajeros, la turbina de vapor que genera electricidad en las plantas de energía, el motor a reacción que se usa para propulsar aviones y el motor de gasolina de dos tiempos que se usa para alimentar aparatos más pequeños como cortadoras de césped. Cada uno de estos motores convierte el calor generado al quemar un combustible fósil en trabajo útil.

La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Las dos cantidades están relacionadas y tienen las mismas unidades, pero la energía no se puede convertir completamente en trabajo. Si se utiliza para alimentar una estufa, por ejemplo, 1 gal (3,8 l) de gasolina contiene suficiente energía química para hervir aproximadamente 14 gal (53 l) de agua en condiciones estándar. Sin embargo, si ese mismo galón de gasolina se pusiera en un generador portátil (que convertiría la gasolina en trabajo y luego el trabajo en electricidad) y si la electricidad se usara para hervir agua en una estufa eléctrica, es poco probable que Se pueden hervir más de 3 galones (11,4 l) de agua antes de que el generador se quede sin combustible.

La razón por la que la estufa eléctrica no puede hervir tanta agua como una de gasolina es que los motores no son 100% térmicamente eficientes para convertir el calor en trabajo, es decir, la eficiencia térmica significa la cantidad de trabajo útil producido dividido por la energía proporcionada al motor. Es por eso que una cocina a gas o una secadora de ropa es más barata de operar que un aparato eléctrico equivalente. En el caso del generador portátil, parte de la energía de la gasolina terminaría en los gases de escape del motor, parte se desperdiciaría calentando el generador y parte se desperdiciaría internamente a medida que las partes móviles dentro del generador se frotaran entre sí, convirtiendo la energía mecánica en calor por fricción.

La ciencia que estudia cómo se cicla el calor en un motor para crear trabajo se llama termodinámica, del griego therme (calor) y dynamis (energía). Un ciclo que convierte el calor en trabajo se conoce como ciclo termodinámico. Un motor de automóvil de gasolina utiliza el ciclo Otto. Un motor de combustible diésel utiliza el ciclo diésel. Una máquina de vapor, o planta de energía de vapor, utiliza el ciclo Rankine. Ninguno de estos ciclos se puede utilizar para convertir completamente la energía en trabajo. Esto se debe a que todos ellos tienen que expulsar el calor al medio ambiente. Una central eléctrica o máquina de vapor tiene que condensar vapor para enviar el agua de regreso a la caldera (pérdida de energía). El motor de un automóvil debe expulsar los gases de escape calientes, que contienen una cantidad considerable de energía, por el tubo de escape. El ciclo práctico más eficiente térmicamente para convertir el calor en trabajo es el ciclo Stirling. El ciclo Stirling es el motor con mayor eficiencia térmica porque desperdicia (o rechaza) la menor cantidad de calor al medio ambiente por la cantidad de trabajo que produce de cualquier motor. Un motor que utiliza el ciclo Stirling se conoce como motor de ciclo Stirling. Un motor de ciclo Stirling se puede utilizar para impulsar un automóvil, camión o avión, o para generar electricidad. Hará este trabajo con menos energía que un motor de ciclo Otto, Diesel o Rankine comparable.

Historial

La primera máquina práctica fue la máquina de vapor patentada por James Watt en 1769. La máquina de Watt convirtió la energía en trabajo utilizando vapor de calderas de carbón. El motor Watt consistía en una caldera, un pistón contenido en un cilindro, un condensador enfriado por agua, una bomba de agua, tuberías y conductos para mover el agua y el vapor alrededor del motor, y conexiones que convertían el movimiento hacia arriba y hacia abajo del pistón. en movimiento circular en un eje de transmisión. El eje de transmisión se puede utilizar para cualquier número de usos, como alimentar un molino o bombear agua de una mina de carbón.

El motor de Watt utilizó un ciclo termodinámico de cuatro pasos para crear trabajo. El ciclo comenzó con la apertura de una válvula para permitir que el vapor a presión fluyera hacia el cilindro. A medida que el vapor se expandió en el cilindro, presionó el pistón, produciendo un trabajo útil. Cuando el pistón llegó al fondo del cilindro, se cerró la válvula que permitía la entrada de vapor al cilindro y se abrió una válvula entre el cilindro y el condensador. Debido a que el condensador estaba a una presión mucho más baja que el cilindro, literalmente succionó el vapor hacia arriba en el condensador. A medida que se extraía el vapor del cilindro, el pistón se extraía junto con el vapor, devolviendo el pistón a su ubicación inicial donde estaba listo para crear más trabajo. Una vez que el vapor en el condensador se había convertido completamente de nuevo en agua, el agua se bombeaba de regreso a la caldera donde se convirtió nuevamente en vapor, completando el ciclo.

La ineficiencia térmica en este ciclo es que todavía queda una gran cantidad de energía en el vapor cuando se envía al condensador. Sin embargo, casi nada de esta energía se puede recuperar porque el vapor no se puede bombear de regreso a la caldera sin realizar una gran cantidad de trabajo en ella; a menudo más trabajo que el calor que se pierde en el condensador. El vapor debe convertirse en agua antes de poder bombearlo a la caldera. Por tanto, se pierde una gran parte del calor suministrado por el carbón ardiendo.

La máquina de vapor hizo posible el mundo industrial moderno, pero no estuvo exento de inconvenientes. La mezcla de agua fría y vapor junto con la metalurgia primitiva provocó frecuentes explosiones de calderas. La pérdida de vida resultante fue el factor motivador que llevó al reverendo Robert Stirling (además de ser uno de los ingenieros más destacados de su época, también fue ministro ordenado de la Iglesia de Escocia) a desarrollar un motor que usaba aire. en lugar de vapor para impulsar su pistón. Como subproducto, el motor de Stirling era mucho más eficiente térmicamente que el motor de Watt, principalmente porque no requería que el vapor se condensara durante el ciclo. Aunque el motor de Stirling era mucho más seguro, la tecnología de la época no permitía fabricar motores Stirling de más de unos pocos caballos de fuerza (kilovatios).

El motor de Stirling nunca se puso en marcha en el siglo XIX. Los combustibles fósiles eran abundantes y la metalurgia mejoró hasta el punto en que las máquinas de vapor ya no eran tan peligrosas. Por lo tanto, la ventaja de eficiencia térmica inherente del ciclo Stirling no fue un motivador suficiente para superar los importantes desafíos de diseño que enfrentaron los ingenieros que deseaban construir motores de ciclo Stirling más potentes. En el siglo XX, el motor de combustión interna, que funcionaba con el ciclo Otto, dominaba el mundo industrial porque era menos costoso de construir que un motor de ciclo Stirling y porque los combustibles fósiles todavía tenían un precio razonable y eran abundantes. Sin embargo, los diseñadores de motores nunca han olvidado que el ciclo Stirling es el ciclo termodinámico más eficiente térmicamente posible y han continuado diseñando motores que lo utilizan. En la actualidad, los motores de ciclo Stirling se utilizan para producir la mayor parte del aire licuado que se fabrica en los laboratorios de investigación. También se utilizan en satélites meteorológicos y espías y por la Armada sueca para impulsar algunos de sus submarinos.

Materias primas

El motor de ciclo Stirling se puede fabricar con una variedad de metales. El bloque del motor generalmente está hecho de hierro fundido dúctil o una aleación de aluminio fundido (aluminio y silicio, típicamente). Muchas de las partes internas (manivelas y pistones) también están hechas de fundición de hierro dúctil o aluminio, pero algunos de los componentes que requieren mayor resistencia pueden fabricarse con acero para herramientas S-7 de alta resistencia. Las juntas y sellos están hechos de Lexan, neopreno o caucho natural. El motor está lleno de helio o aire presurizado, lo que se conoce como fluido de trabajo. El componente que transfiere calor desde la fuente de calor al fluido de trabajo debe soportar temperaturas muy altas y constantes. Puede estar hecho de acero de alta resistencia o de un material compuesto cerámico como el carburo de silicio (SiC).

Diseño

El diseño del motor de ciclo Stirling es una fusión compleja de termodinámica, análisis de transferencia de calor, análisis vibratorio, dinámica mecánica, resistencia de los materiales y diseño de la máquina. La termodinámica se utiliza para dimensionar el motor y seleccionar la temperatura a la que funcionará. Se requiere un análisis de transferencia de calor para determinar cómo se transferirá el calor desde la fuente de calor al fluido de trabajo y cómo se diseñarán los componentes del motor para resistir este flujo de calor. El análisis vibratorio se utiliza para equilibrar el motor y lograr un funcionamiento suave. Se requiere dinámica mecánica para calcular las tensiones inducidas en los componentes individuales del motor. Se requiere un análisis de la resistencia de los materiales para determinar el tamaño de los componentes individuales del motor para que puedan resistir la tensión inducida. Se requiere el diseño de la máquina para traducir el ciclo termodinámico en un motor en funcionamiento. Cada uno de estos requisitos de diseño implica una gran cantidad de análisis.

El motor del ciclo Stirling es similar a un motor de vapor. Ambos tienen pistones y cilindros, y ambos son motores de combustión externa, ya que la quema de combustible tiene lugar fuera del motor. La primera gran diferencia entre los dos motores es que el motor de ciclo Stirling utiliza un gas (aire, hidrógeno o helio, generalmente) en lugar de agua y vapor como fluido de trabajo, el fluido que mueve el pistón y crea trabajo. Otra diferencia importante es que el motor de ciclo Stirling tiene dos cilindros, o espacios, uno para la expansión del fluido de trabajo y otro para la compresión del fluido de trabajo, mientras que una máquina de vapor tiene solo un cilindro. Sin embargo, la diferencia más importante entre los dos motores es que, en lugar de desperdiciar su exceso de calor en un condensador, el motor del ciclo Stirling completa su ciclo termodinámico almacenando su exceso de calor para usarlo en el siguiente ciclo. Debido a esto, el motor de ciclo Stirling no es solo el motor más eficiente térmicamente que existe, es el motor más eficiente térmicamente que puede haber. Un automóvil típico tiene una eficiencia térmica de aproximadamente el 30%. Una central eléctrica de carbón podría tener una eficiencia del 45%. Un motor diesel muy grande puede tener una eficiencia térmica del 50%. La eficiencia térmica máxima teórica de un motor de ciclo Stirling que opera a una temperatura de combustión de 2.500 ° F (1.370 ° C) sería de aproximadamente el 78%. Por supuesto, nadie ha podido construir un motor de ciclo Stirling con algo que se acerque a esa eficiencia térmica. Hasta la fecha, los ingenieros no han podido superar los importantes problemas de diseño que plantea la realización del ciclo de Stirling.

En una máquina de vapor, se aplica calor a una caldera para crear vapor, que luego se utiliza para impulsar los pistones. En un motor de ciclo Stirling, se aplica calor al exterior del cilindro principal del motor, que calienta el aire dentro del cilindro. Este aire caliente se expande, impulsando el pistón de potencia del motor. Una de las principales ventajas de un motor de combustión externa sobre un motor de combustión interna es que el fluido de trabajo en un motor de combustión externa nunca está expuesto a productos de combustión y, por lo tanto, permanece mucho más limpio. Además, debido a que el calor se puede crear de manera controlada fuera del motor de ciclo rápido, el motor de ciclo Stirling produce menos del 5% de los óxidos nitrosos que crean smog producidos por un motor de combustión interna para el mismo rendimiento de trabajo.

El ciclo Stirling consta de cuatro pasos, al igual que el ciclo Rankine de la máquina de vapor. Sin embargo, en lugar de mover el fluido de trabajo de la caldera al cilindro, al condensador y a la caldera, el motor del ciclo Stirling mueve el fluido de trabajo de un espacio de expansión a alta temperatura a un intercambiador de calor regenerativo al espacio de compresión a baja temperatura y viceversa. El fluido de trabajo se mueve debido a las diferencias de temperatura entre los lados frío y caliente del motor. El lado caliente se calienta, por ejemplo, quemando residuos. El lado frío es simplemente el lado que no se calienta, solo es frío en relación con el lado caliente. La clave del proceso es el intercambiador de calor regenerativo. Se llama regenerativo porque almacena calor en una parte del ciclo y luego lo devuelve en la siguiente.

A partir del comienzo de la carrera de potencia, los cuatro pasos del ciclo de Stirling son:Todo el fluido de trabajo está contenido dentro del espacio de expansión, absorbe el calor de la fuente de calor externa, lo que hace que se expanda, deprimiendo el pistón de potencia y el desplazador, produciendo trabajo; el pistón de potencia está estacionario mientras que el desplazador, un pistón que transporta el fluido de trabajo entre los espacios del motor, pero no funciona, se mueve hacia arriba, empujando el fluido de trabajo desde el espacio de expansión hacia el espacio de compresión. En el camino, la mayor parte del calor que queda en el fluido de trabajo que no se convirtió en trabajo se transfiere al intercambiador de calor regenerativo; con el pistón de trabajo fijado en la parte superior del cilindro principal, el fluido de trabajo se comprime en el espacio de compresión de nuevo al volumen original, lo que requiere rechazar algo de calor hacia el lado frío del motor, una fuente de calor perdido, y por lo tanto se pierde eficiencia térmica; el fluido de trabajo pasa de regreso a través del intercambiador de calor regenerativo, donde recupera una gran parte del calor almacenado, y al espacio de expansión donde está listo para ser expandido nuevamente por la fuente de calor externa para realizar el trabajo.

Los diversos movimientos del pistón de potencia y el desplazador (a veces, se mueven juntos para procesos de volumen constante, mientras que en otras ocasiones uno está estacionario mientras que el otro se mueve para compresiones y expansiones) son controlados por un impulso rómbico.

El
proceso de fabricación

Fabricación de componentes

• 1 Los bloques de motor y los pistones se fabrican como fundición. El acero o aluminio fundido se vierte en un molde hueco que tiene la forma del producto final deseado y se deja enfriar. Un bloque de motor de ciclo Stirling requiere espacio para dos cilindros de pistón, uno para el pistón de potencia y otro para el pistón de desplazamiento (que mueve el fluido de trabajo de regreso al cilindro de potencia), un intercambiador de calor regenerativo, un cigüeñal, una cámara de combustión y varios Pasos para que el fluido de trabajo se mueva hacia adelante y hacia atrás entre los dos cilindros.
• 2 Una vez que la fundición se ha enfriado, se tritura cualquier material extraño. Por lo general, es necesario terminar los bloques del motor perforando orificios que no podrían moldearse económicamente (debido a su tamaño o geometría compleja) y escariando los cilindros hasta el diámetro final deseado. Es necesario escariar A. Fuente de calor. B. Intercambiador de calor regenerativo. C. Desplazador. D. Pistón de trabajo. E. Impulsión rómbica. F. Caja del cigüeñal. G. Biela del desplazador. H. Cigüeñal. 1. Sellos de gas. J. Espacio de expansión donde se calienta el fluido de trabajo. debido a la fina tolerancia requerida entre el pistón y el cilindro.
• 3 El cigüeñal y las bielas se fabrican mediante forja o fundición. En la forja, se coloca una pieza de metal, llamada palanquilla, entre dos matrices (las matrices son moldes hechos de acero para herramientas de muy alta resistencia). Luego se deja caer un martillo, que pesa varias toneladas, sobre los troqueles. El tocho generalmente se calienta casi hasta el punto de fusión antes de forjarlo. El proceso de forja se puede realizar en varios pasos utilizando diferentes matrices para obtener la forma final. La fundición se realiza llenando un molde hueco con metal fundido. El metal puede ser hierro dúctil, acero, aluminio o una aleación.
• 4 Los componentes del motor se mecanizan para lograr las tolerancias finales. El modelado final se suele realizar en torno. El cigüeñal / biela / pistón gira mientras los cortadores (hechos de un material más duro que la pieza que se está mecanizando) avanzan sobre la pieza giratoria para eliminar el exceso de metal. Los tornos modernos controlados por computadora pueden alcanzar fácilmente tolerancias de 0,0001 in (0,0025 mm). Se utiliza una fresadora, en la que la pieza está estacionaria y la herramienta de corte gira, para cortar los agujeros, ranuras o canales necesarios en la pieza final.
• 5 El intercambiador de calor regenerativo se fabrica insertando miles de alambres finos de acero a través de una placa de acero. A medida que el fluido de trabajo se mueve desde el cilindro principal al cilindro auxiliar, cede su calor a estos pasadores. Los pines más cercanos al cilindro principal serán los más calientes. Los pasadores más cercanos al cilindro auxiliar serán los más fríos.
• 6 Se puede utilizar cualquier fuente de calor, solar o de combustión, para alimentar un motor de ciclo Stirling. Independientemente de la fuente, el calor se concentra en una cámara directamente adyacente al pistón de trabajo. El ciclo del motor elimina parte de este calor y lo encierra para que funcione. Debido a que el motor de ciclo Stirling es un motor de combustión externa, el calor de entrada puede ser constante (a diferencia del calor generado en un motor de combustión interna que se produce en una serie de explosiones). Sin embargo, debido a que el calor es constante, los componentes del motor en contacto con la fuente de calor deben diseñarse para soportar altas temperaturas durante un largo período de tiempo.

Ensamblaje

• 7 El cigüeñal se inserta en el bloque del motor y se sujeta allí con cojinetes. Los cojinetes permiten que el cigüeñal gire dentro del bloque del motor sin generar calor por fricción excesivo. Los cojinetes se fijan al bloque del motor presionando (el diámetro exterior del cojinete es ligeramente mayor que el diámetro interior del orificio en el bloque del motor). Al forzar el rodamiento en el bloque del motor, el rodamiento se fija firmemente al bloque.
• 8 Los pistones y las bielas se colocan en los cilindros y se fijan al cigüeñal desde abajo mediante pernos y arandelas de seguridad de alta resistencia. Los pernos se aprietan con un par predeterminado.
• 9 El intercambiador de calor regenerativo se inserta en el conducto que fluye entre el cilindro principal y el cilindro auxiliar y se atornilla en su lugar.
• 10 Las culatas de cilindros están atornilladas a la parte superior del motor, una tapa de acceso está atornillada a la parte inferior del motor. Se utilizan juntas entre el bloque del motor y las cubiertas para proporcionar un sello eficaz. La cámara de la fuente de calor está integrada en la tapa del cilindro principal.
• 11 El fluido de trabajo se bombea al motor. El fluido de trabajo suele ser helio presurizado.

Subproductos / Residuos

El motor del ciclo Stirling produce un trabajo mucho más útil que un motor de combustión interna por la cantidad de gases de efecto invernadero y sustancias químicas que producen smog que emite. El motor también se puede utilizar para recuperar calor que de otro modo se desperdiciaría, como el gas de vertedero que simplemente quemó para deshacerse de él. Por tanto, en general, el motor es respetuoso con el medio ambiente. Al aprovechar el calor solar en los motores del ciclo Stirling, se puede producir electricidad en áreas sin acceso a la red eléctrica sin necesidad de células fotovoltaicas.

El futuro

El futuro del motor Stirling Cycle es muy brillante. Si los ingenieros pueden diseñar y producir en masa un motor Stirling Cycle pequeño y confiable, no habría necesidad de centrales nucleares o de centrales eléctricas que quemen combustibles fósiles. La mayor parte de la energía eléctrica utilizada en los hogares podría generarse en las instalaciones. El motor podría enfriar la casa en el verano sin el uso de refrigerantes que agotan la capa de ozono y calentarla en el invierno. Desafortunadamente, existen serias dificultades prácticas de diseño que deben superarse antes de que el motor Stirling Cycle pueda ser ampliamente utilizado. El obstáculo de ingeniería más importante es el diseño de la cámara de combustión del motor. Debido a que el motor del ciclo Stirling funciona a temperaturas muy altas, la cámara de combustión no se puede construir con los mismos materiales económicos que se utilizan para producir los motores de los automóviles. El uso de compuestos cerámicos o de acero inoxidable de alta resistencia, además de ser caro, dificulta enormemente la fabricación del motor. Otros obstáculos de diseño no triviales incluyen el diseño de un mecanismo de engranajes confiable para traducir los movimientos del pistón del ciclo Stirling (que son muy complejos en comparación con un motor de automóvil Otto Cycle estándar) en movimiento del cigüeñal y el diseño de sellos capaces de mantener el fluido de trabajo contenido dentro del motor.

Dónde obtener más información

Libros

Moran, Michael J. y Howard N. Shapiro. Fundamentos de la ingeniería termodinámica. 4ª ed. John Wiley and Sons, 2000.

Órgano, A. J. Termodinámica y dinámica de gases de la máquina Stirling. Cambridge University Press, 1992.

Walker, Graham. Motores Stirling. Prensa de la Universidad de Oxford, 1980.

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel y Edward Bingham. La alternativa de Stirling, sistemas eléctricos, refrigerantes y bombas de calor. Gordon and Breach Science Publishers, 1996.

Otro

Griessel, Eugene. Página de inicio. "Animación de un ciclo de Stirling". 27 de septiembre de 2001. .

"Preguntas frecuentes sobre el ciclo de Stirling". Página web de American Stirling Company. 27 de septiembre de 2001. .

Jeff Raines