VENTAJA S Y DESVENTAJ DESVENTAJAS AS DEL MOTOR STIRLING STIRLING VENTAJAS
1.- A nivel alimentación: Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas: energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etc. 2.- Por su rendimiento: El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, de hecho, teóricamente lo alcanza, por lo que en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. 3.- A nivel medioambiental: Se puede usar un proceso de combustión continua, por lo cual se pueden reducir la mayor parte de las emisiones (NOx, hollines, hidrocarburos, …)
4.- Por su sencillez: La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco frío, y por tanto necesitan menos lubricación y duran más que otras maquinas alternativas. Además, los mecanismos son más sencillos que otras maquinas alternativas, no necesitando válvulas, válvulas , el quemador puede simplificarse y en algunos casos, las bajas presiones, permiten usar cilindros ligeros. 5.- Por seguridad: Una maquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión. En comparación una máquina de vapor usa agua en estados líquido y vapor, por lo que un fallo en una válvula puede provocar una explosión peligrosa. 6.- Por su buena respuesta a las bajas temperaturas: Arrancan con facilidad, si bien despacio y después de un calentamiento inicial. Funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de combustión interna, que arrancan con facilidad en temperatura templada pero con problemas en temperaturas frías. 7.- Por su versatilidad: versatilidad: Se pueden construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio.
Se pueden usar para bombear agua, pudiendo diseñarse para utilizar el agua como refrigerante del foco frío, (a menor temperatura del agua mejor funcionamiento) Son extremadamente flexibles pudiéndose utilizar para cogeneración en invierno y como refrigeración en verano. DESVENTAJAS
1.- Elevado coste: Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que contienen el fluido de trabajo a alta temperatura, y deben soportar los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera. Esto supone el uso de materiales que encaren notablemente la máquina. 2.- Gran tamaño: Si el motor trabaja con pequeños diferenciales térmicos son muy grandes, por culpa de los intercambiadores. Aumentar la diferencia de temperatura o la presión permite motores más pequeños. La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica. Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños compactos. 3.- Encendido lento: Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, primero tiene que calentarse. 4.- Tipo de respuesta: Su mejor uso es en aplicaciones que requieran una velocidad constante. Para ajustar el funcionamiento de un motor Stirling se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Esto generalmente se consigue con un desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo. Esta característica es menos crítica en el caso de motores de propulsión híbrida eléctrica o en la producción de electricidad de base de carga, donde esa producción constante es deseable. 5.- Fluido a emplear: El hidrógeno por su baja viscosidad, alto calor especifico y conductividad térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de fluidos; sin embargo, presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales, además de ser inflamable. Generalmente se usa helio, que tiene propiedades semejantes al hidrógeno y es más seguro, al ser inerte. Otra opción es usar aire comprimido. Éste presenta riesgo de explosión, por la presencia de oxígeno, por lo cual, la alternativa es eliminarlo por combustión o usar nitrógeno.
APL ICACIONES DEL MOTOR STIRLING
Apli caci ones An tigu as: comprenden desde la invención del motor Stirling hasta inicios de este siglo, en que fue una cierta competencia a la máquina a vapor.
El motor Stirling deriva de los motores de aire caliente. La primera patente para un motor que usaba aire como fluido de trabajo data de 1759 y fue obtenida por Henry Wood. Una serie de patentes fue obtenida por el sueco Ericsson en 1853. Construyó un motor para un barco de 2.200 Toneladas con un pistón motriz de 4,2 metros de diámetro y una carrera de 1,8 metros. En las pruebas produjo en torno a 300 HP de potencia (alrededor de la mitad de lo previsto).
El motor patentado por el escocés Robert Stirling era un motor de ciclo cerrado. Lo más interesante de su diseño era que incorporaba un regenerador de calor. En la figura 1 vemos un esquema de su motor. La operación es como sigue: Un gran cilindro vertical A es calentado en su parte superior por el flujo de gases calientes provenientes de la caldera B. El interior del cilindro tiene un pistón de potencia D y un desplazador C. El desplazador es liviano y no conduce fácilmente calor de un extremo a otro. Al medio del desplazador existe un anillo de material capaz de absorber y ceder calor que es el regenerador. Cuando el desplazador se mueve
hacia abajo, la mayor parte del aire dentro del cilindro queda en la zona caliente y se expande, empujando el pistón de trabajo D hacia abajo. Aquí se entrega trabajo al exterior y gira el volante. Al suceder esto, una serie de bielas mueven el desplazador hacia arriba, desplazando la mayor parte del aire a través del regenerador hacia la zona fría. Allí se enfría el aire, baja la presión y se repite el ciclo. Épocas Recientes: actualmente se sigue investigando como método de proveer energía para lugares aislados y usando fuentes como la energía solar como fuente de calor.
Uno de los usos más prometedores del Motor Stirling (MS), es el aprovechamiento de la radiación solar. Como ya sabemos para hacer funcionar un MS necesitamos un gradiente de temperatura, el cual la podemos obtener del Sol. Al no necesitar una combustión, podemos concentrar el calor del Sol para hacer funcionar nuestro motor. Para concentrar la radiación solar se están ensayando en la actualidad discos parabólicos de material reflectante que concentran la radiación en su foco en donde se sitúa el MS. Los actuales aprovechamientos de la energía solar son mediante paneles fotovoltaicos o de paneles térmicos para la producción de ACS y calefacción. Los paneles fotovoltaicos tienen un rendimiento hoy en día bastante bajo, convirtiendo entre el 10 y el 20% de la energía incidente en electricidad. Los prototipos de Stirling Solar alcanzan el 30% de conversión en energía eléctrica, con lo cual pueden convertirse en una alternativa para la producción de electricidad con menor ocupación del territorio. Otra forma para utilizar el MS está en la recuperación de energía en los sistemas de energía solar térmica. Estos sistemas están diseñados para el mayor aprovechamiento de la energía, satisfaciendo las necesidades la mayor parte del año. Es por ello que se encuentran sobredimensionados para la energía que se recibe en los meses de verano y parte de la primavera y otoño, cuando no se usa la calefacción y las necesidades térmicas son inferiores. Ese exceso de energía térmica, lo podríamos aprovechar mediante un MS. Para el foco frio podríamos utilizar un segundo acumulador térmico previo la principal que precalentara el agua que entra en el sistema, o simplemente con el ambiente. Si el diseño del MS le permitiera ser reversible, es decir, funcionar como Bomba de Calor, sería un complemento ideal para un sistema de A.C.S. y calefacción, produciendo energía eléctrica con la energía térmica excedente en los meses de verano, y como apoyo en los meses fríos de invierno. He de recordar que una bomba de calor es el modo más eficiente y ecológico de producir calor a partir de electricidad, ya que por cada unidad de energía en forma de electricidad, podemos obtener 2, 3 o más unidades en forma de calor. Uso en refrigeración: el ciclo Stirling inverso es excelente para aplicaciones de refrigeración, de hecho, es una de las máquinas que permite alcanzar temperaturas criogénicas.
Cada máquina está siempre diseñada para obtener el mayor rendimiento posible para aquella función para la que se ideó, por lo cual no siempre es posible utilizar una maquina Stirling diseñada como motor para refrigeración. La utilización del ciclo de Stirling para refrigeración es una posibilidad más. Se podrían diseñar maquinas que funcionaran en ambos sentidos para climatizar viviendas o locales, actuando como una bomba de calor en invierno y como aire acondicionado en verano. Resulta curioso que uno de los usos con mayor consistencia comercial haya sido precisamente en refrigeración criogénica, aun cuando se diseñara inicialmente como máquina para producir trabajo. El ciclo de Stirling actualmente no es competitivo con los ciclos habituales en refrigeración, sin embargo, cuando la exigencia es de temperaturas a obtener desciende por debajo de los 40ºC bajo cero (233ºK) aproximadamente, entonces tiene una viabilidad demostrada comercialmente. En los años 50 Philips desarrollo un refrigerador basado en el ciclo de Stirling para la producción de Aire Liquido. El negocio de Criogenia de Philips se desarrolló hasta que se independizó de la casa matriz en el año 1990, constituyéndose como la empresa Stirling Cryogenics & Refrigeration BV, radicada en Holanda.
