INICIO

MOTOR DE STIRLING | INFORMACIÓN Y FUNCIONAMIENTO

Las energías que habitan el Universo están todo el día y toda la noche bailando.

Algunas más. Otras menos.

Igual que se pueden aprovechar los bailes acuáticos del mar para hacer surf, se pueden aprovechar los bailes energéticos para calentar edificios y girar ruedas.

La ciencia que se encarga de analizar y llevar a cabo estos asuntos se llama Termodinámica.

Y un caso ejemplar del aprovechamiento de los bailes energéticos son las máquinas térmicas.

Las máquinas térmicas aprovechan flujo de calor para obtener flujo de trabajo.

Una de estas máquinas es la que se conoce como el motor de Stirling.

¿Qué es el motor de Stirling?

Una máquina térmica utilizada para aprovechar una fuente de calor y obtener un flujo de trabajo.

Para saber más: convertir hierro viejo en oro.

¿Por qué funciona el motor de Stirling?

Basado en el conocimiento de las leyes de la Termodinámica, y aplicadas estas concienzudamente, funciona porque no tiene más remedio que funcionar.

Si yo enciendo una vela y pongo el dedo en la llama, me quemo.

Y me quemo porque así es la vida.

El arte del motor de Stirling no está en su por qué, sino en su cómo.

El tito Robert Stirling le dió vueltas a la cabeza para ver cómo podía construir un laberinto energético, de forma que al recorrerlo, la energía adoptara la forma más conveniente.

Ciclo de un motor de Stirling

Sabemos que el motor de Stirling funciona gracias a una fuente de calor.

Sabemos que su logro es el de transformar parte de este flujo de calor en flujo de trabajo.

Parte, y no todo.

Porque sabemos que es imposible idear una máquina real que transforme todo el flujo de calor en flujo de trabajo.

Vale. ¿Pero qué está pasando en medio?

Vueltas y más vueltas.

Para que un motor gire sin parar, tiene que haber un circuito que termine donde empezó, para volver a empezar.

A un circuito de esa clase –circular– se le llama ciclo termodinámico.

Hay que decir que el ciclo termodinámico no lo realiza el motor.

Lo realiza el fluido de trabajo, que es en este caso un gas que está dentro del motor.

Por ejemplo el aire.

El aire realiza el ciclo.

El motor en sí no es más que un circuito.

Para comprenderlo:

Digamos que el motor es la putada física que obliga al gas a moverse de forma preestablecida y esclavizada.

El ciclo termodinámico del fluido de trabajo de un motor de Stirling es el siguiente:

Eso visto así puede ser muy bonito pero puede tener muy poco sentido.

Así que vamos a verlo otra vez.

PRIMERO: El aire caliente que está en el motor absorbe calor del fuego externo, pero no se calienta porque ya está caliente. Lo que hace es expandirse. Fluuum! Y en esa expansión, mueve un émbolo. Un émbolo –en el contexto de motores– es una pieza que mueve o es movida por el fluido de trabajo. El movimiento de este émbolo es lo que propicia el giro de la rueda del motor.

SEGUNDO: Ahora el aire está en la parte fría del motor. Y ahí cede calor, y se enfría. Cede calor no por arte de magia, sino porque un ente caliente al lado de un ente frío, siempre cede su calor al ente frío. Eso es porque la naturaleza termodinámica de la realidad hace que esta sea muy buena gente y siempre obliga a que todo se comparta de forma equilibrada y estable.

TERCERO: El aire sigue cediendo calor, el pobrecito se está muriendo de frío. Aprovechando la inercia de giro de la rueda, se empuja el émbolo hacia atrás, de forma que al aire no le queda otra opción que comprimirse e irse otra vez a ocupar el volumen que le quedaba, junto a la fuente de calor.

CUARTO: Todo el gas vuelve a estar cerca de la fuente de calor. Por eso mismo, y no por otra cosa, vuelve a calentarse. Este calentamiento se produce a volumen constante, y hará que el aire adopte la temperatura adecuada para volver a realizar el ciclo desde el principio.

PRIMERO [OTRA VEZ]: El aire ya se ha calentado y sigue calentándose, está harto de tanta calor. Tiene un orgasmo y se expande y por eso mueve el super émbolo. Y nos damos cuenta de que se está repitiendo el ciclo.

A este punto uno ya empieza a ver la cosa con más claridad.

Básicamente se trata de putear constantemente al aire.

Y en cada vete y vuelve, se le obliga a mover un cacho de cosa (llámese émbolo) para que se pueda hacer girar un asunto externo.

Visto de forma gráfica:

motor-de-stirling-animado

Y básicamente así funciona eso.

Diagrama del ciclo de un motor de Stirling

Vamos a representar en un diagrama de presión-Volumen, lo que le está pasando al aire mientras funciona todo este circo.

diagrama-presion-volumen-stirling

En este dibujito vamos a mirar lo que ya sabemos:

Y bueno. Esa es la idea.

Luego en la realidad pasa que eso no es así.

Porque mover el émbolo y tener las cosas realísticas cuesta un precio (rozamientos y pérdidas inevitables y no consideradas en los cálculos teóricos).

Dependiendo de la construcción del motor, este será más o menos eficiente.

Rendimiento del motor de Stirling

Cuando calculamos el rendimiento, calculamos el rendimiento teórico.

Esto es, el de un motor fabricado con la imaginación sobre el papel, y suponiendo que todo es perfecto.

El concepto de rendimiento refleja cuánto trabajo obtengo de una máquina.

Para conseguirlo habré de darle un calor, que aunque sea fácil de conseguir no es gratis.

Pues el rendimiento reflejará cuánto flujo de trabajo obtengo por unidad de flujo de calor que pongo en juego.

Eso es un simple cociente.

¿Cociente de qué cosas?

Pues del Trabajo Neto del sistema, partido por el Calor Total Absorbido por el sistema.

¿Y cómo se calcula eso?

Calcular calores en tránsito en el motor de Stirling

Pues eso hay que hacerlo muy muy rápido.

Porque no hay que perder el tiempo.

Ya habíamos aprendido a calcular flujo de calor y trabajo.

Pero vamos a hacerlo otra vez.

En el proceso 1-2

Del estado 1 al 2, hay una transformación isoterma de expansión.

La transformación se llama isoterma porque la temperatura no cambia.

Y como el flujo de trabajo del motor de stirling lo vamos a considerar gas ideal, pues resulta que en la transformación isoterma este gas no varía su energía interna.

Eso es fucking awesome.

Porque mezclando eso con el primer principio supertermodinámico, tenemos que todo el flujo de calor es igual al flujo de trabajo, y calculamos este de la forma esta:

Q_{12}=W_{12}=\int pdV=nRTln\begin{vmatrix} \frac{V_{2}}{V_{1}} \end{vmatrix}

Si te has perdido en el caminito calculador, recuerda que ya lo hemos resuelto anteriormente aquí.

Vale.

En el proceso 2-3

Tenemos un super enfriamiento a volumen constante con cesión de calor.

Sabemos que el calor específico a volumen constanteCv – es una constante que nos dice cuánto calor hay que suministrarle a una sustancia para que su temperatura aumente una unidad.

Bien, pues usando esa misteriosa información, y sabiendo cuántos grados de temperatura ha variado el asunto, podemos saber la cantidad de calor puesta en juego.

Q_{23}=\int nC_{v}\Delta TdT=nC_{v}(T_{3}-T_{2})

Vale.

Los procesos restantes son análogos a los que acabamos de calcular.

Pan con mantequilla y nos vamos de maravilla.

Intercambiador regenerativo

Un intercambiador es una cosa que intercambia.

Si estamos hablando de energías que están fluyendo, lo normal es que el intercambiador intercambie energía.

En el caso del motor de stirling, el intercambiador regenerativo es un fluido aparte que se usa para recoger el calor que se cede al medio durante el enfriamiento isócoro, de forma que pueda reusarse posteriormente durante el calentamiento isócoro, para así aumentar el rendimiento de todo el ciclo.

¿Por qué aumenta el rendimiento?

Ya lo sabes, pero todavía no te has dado cuenta.

Sabes que el rendimiento es mayor cuanto menos tienes que dar para recibir lo mismo.

Vale.

Si estás reutilizando la basurilla que el motor tira a la calle, pues el resultado será más óptimo.

¿Cómo sería el rendimiento con un intercambiador regenerativo?

Pues si hemos dicho que el calor cedido en el proceso isócoro de enfriamiento 2-3 lo re-utilizamos en la absorción de calor del proceso isócoro 4-1:

\eta = \frac{Quiero}{Doy}=\frac{Trabajo~Cedido}{Calor~Absorbido}

Perfecto.

Y bueno, ¿por qué no puedo tener una máquina térmica que funcione con un rendimiento del 100%?

Pues para eso, tenemos que seguir aprendiendo un par de cositas.

Seguir aprendiendo

Índice: Aprender Termodinámica desde cero.

Siguiente: ¿Qué es la entropía?.