El Motor Stirling y Diseños en AutoCAD

Como proyecto final del semestre, estudiantes del programa de pre-ingeniería de la Universidad de Puerto Rico en Humacao, bajo la tutela del Prof. Juan A. González Sáncjez se dieron a la tarea de diseñar un motor Stirling utilizando conocimientos adquiridos en el curso de INGE3011.

El Motor Stirling y Diseños en AutoCAD por estudiantes del Programa de Pre-Ingeniería

Por Juan A. González Sánchez

El Motor Stirling

El Motor Stirling fue inventado 1816 por Robert Stirling, reverendo de origen escocés y su objetivo principal era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

Figura 1. Motor Stirling

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, o simplemente aire) al ser impuesto a seguir un ciclo de enfriamiento, para contraer el gas, luego se calienta para expandirlo. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos puntos y se trata de un motor térmico.
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, etcétera).

Figura 2. Ciclo del Motor Stirling

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento teórico máximo conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas, por lo tanto no se utiliza en los automóviles. La figura 2 muestra el ciclo de Presión contra Volumen para el motor Stirling.

Paso 1: Expansión de temperatura constante:
En este ciclo, el espacio de expansión y el intercambio de calor se mantienen a una temperatura alta y constante. El gas absorbe el calor de la fuente caliente.

Paso 2: Extracción de calor a volumen constante:
El gas pasa por un regenerador en donde se enfría y se contrae, transfiriendo el calor al regenerador para utilizarlo en el próximo ciclo.

Paso 3: Compresión a temperatura constante:
El espacio de compresión y el intercambio de calor son mantenidos a una temperatura baja y constante. El gas se comprime inyectando el calor a sus alrededores.

Paso 4: Adición de calor a volumen constante:

El gas pasa por el regenerador donde recobra el calor transferido en el paso 2, calentándose con vías a expandirse. El ciclo teórico Stirling es inalcanzable en la práctica, y el ciclo Stirling real tendría un rendimiento intrínsecamente inferior al del ciclo Otto, además el rendimiento del ciclo es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos, mientras tendría menos eficiencia en climas tropicales, conservando siempre la ventaja de los motores de combustión externa de las mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar fuentes de calor sin combustión.

Los estudiantes del programa de Pre-Ingeniería de la Universidad de Puerto Rico en Humacao en el curso INGE3011, han diseñado en AutoCAD sus propios motores Stirling. he aquí la galería de estos proyectos.