1. Motor Stirling

El motor Stirling és una màquina tèrmica de combustió externa en què un fluid evoluciona en un sistema tancat entre dues fonts de calor. Busca informació sobre aquest motor i:

a) Explica com treballa:

El motor Stirling, que va ser inventat l’any 1816 per l’enginyer Robert Stirling, tenia l’objectiu de generar treball d’una forma menys perillosa que la màquina de vapor. El seu funcionament és senzill:

És un motor d’aire calent que utilitza una font de calor fixa per escalfar aire dintre del seu cilindre. El procés que utilitza és adiabàtic (és a dir, que té lloc sense cap intercanvi d’energia amb l’exterior sent així un sistema aïllat) i se’l considera de combustió externa vist que no requereix cremar combustible en el seu interior. El seu moviment es generat per les diferències de pressió del aire que hi ha entre la zona freda i la més calenta. 

El mecanisme més important és el central que consisteix en dos pistons, dels quals un d’ells transmet per dissipació calor i aire calent de la zona calenta cap la zona freda i també fa el mateix però en sentit contrari, dissipa aire fred cap la secció calenta. Podríem dir que aquests pistó és un intercanviador de calor i l’anomenen regenerador. Després tenim el segon pistó que actua com a cigonyal (recordem que ja els vàrem veure en el tema de màquines mecàniques, per exemple en la biela-manovella).

Amb tot això veiem que un dels principis de funcionament és el de l’expansió i contracció d’un gas (normalment heli, nitrògen, hidrògen o simplement aire),  que provoca un treball. Per fer-ho fem aquest intercanvi de temperatures entre dos focus, que és el que alhora fa girar el cigonyal.

A més és un motor molt eficient (dels més eficients coneguts)  ja que es possible obtenir dos polsos de força per cada volta del cigonyal. L’únic problema és que no pot ser posat en funcionament de forma instantània. 

b) Per veure les diferències entre els cicles del Stirling i de la màquina de vapor resumirem cada tipus de cicle.

· Començarem per el cicle Stirling que té quatre passos en el seu cicle:

-       El gas es comprimeix des d’un volum inicial Vº fins un final Vª inferior, mantenint la seva temperatura constant en un valor de T1 ( refredant el gas de forma continuada). Compressió isotèrmica

-       Escalfament a volum constant on el gas s’ecalfa de la T1 fins a una nova T2 a volum constant.

-       Després es genera una compressió isotèrmica on el gas s’expandeix mentre se li subministra calor de forma que es manté la T2 constant.

-       I per últim es redueix la temperatura del gas un altre cop a T1 en un procés isocor, on el volum es manté costant. 

·En canvi la màquina de vapor té un cicle diferent i és menys eficient. Bé els passos són els següents:

-       S’absorbeix calor Qº en un procés isotèrmic.

-       Es refreda adiabàticament fins la temperatura del focus fred T2.

-       S’aporta calor al focus fred de temperatura T2.

-       S’escalfa adiabàticament des de la temperatura T2 fins la temperatura del focus calent T1.

  

c) Avantatges i inconvenients:

· Avantatges dels motors Stirling:

-       L’aportament de calor és extern.

-       Funciona amb qualsevol font de calor, pot utilitzar altres fonts com la solar, geotèrmica, nuclear, biològica... no té perquè ser la combustió convencional.

-       La majoria d’aquests motors tenen els mecanismes i juntes en els focus freds, per tant no cal lubricar-los tant i duren més.

-       Es redueixen moltes emissions perquè utlitza un procés de combustió contínua.

-       Els mecanismes són molt senzills, no necessiten vàlvules i els cremadors es poden simplificar.

-       El fluid que utlitza és d’una única fase, reduint el risc d’explosió. Per exemple les màquines de vapor són molt més perilloses ja que utilitza aigua en estat líquid i en vapor.

-       Els cilindres solen ser més lleugers.

-       Es poden construir per funcionaments silenciosos i sense consum d’aire per la propulsió de submarins.

-       Arranquen fàcilment després de que s’hagi escalfat el motor, a qualsevol temperatura ambiental.

-       Pot servir de bomba d’aigua, i la mateixa aigua podria fer de refrigerant.

-       Són molt flexibles.

· Inconvenients:

-       Els motors Stirling requereixen intercanviadors de calor tant a l’entrada com a la sortida, que suportin els efectes corrosius de la font de calor, això encareix molt la màquina.

-       Els motors que funcionen en petits diferencials són molt grans en comparació al treball realitzat degut als intercanviadors.

-       Un motor Stirling no es pot arrancar instantàniament, primer s’ha d’escalfar.

-       El treball que genera aquest motor és constant i requereix uns mecanismes molts acurats, això encara el fa encarir més.

-       La dissipació de calor del focus fred és complicada perquè el refrigerant es manté a T constant per augmentar l’eficiència tèrmica.

d) On s’utilitzen aquests motor en l’actualitat?

En l’actualitat els motors Stirling té moltes aplicacions. Una de les principals és en els automòbils, on van substituir els altres motors tan en la seva versió Diesel com Otto per la seva lleugeresa i eficiència. Després tenim altres usos com en l’energia solar on amb l’energia del Sol s’aconsegueix produir un treball. Un exemple d’utilització d’aquests motors en energia solar és a la Plataforma Solar d’Almeria.

Un ús molt important és en refrigeració, que més que dir que utilitzem un motor Stirling hauríem de dir que utilitzem una Màquina de Cicle Stirling. En aquest sector els utilitzem com a bomba de calor transferint calor del focus calent al fred i a l’inrevés, del fred al calent. Després també els utilitzem per recuperació d’energia i producció d’energia mecànica.

I l’últim ús important és en aviació on a més s’estan buscant diferents i nous motors Stirling per incorporar-los en els avions del futur, cosa que implicaria si les investigacions tinguessin èxit, un estalvi energètic. En un futur, per tant, poden fins i tot agafar més importància.