motor Stirling

El motor Stirling es un motor fluido de trabajo de ciclo cerrado de combustión externa . El fluido es un gas sometido a un ciclo que comprende cuatro fases: calentamiento isocórico (a volumen constante), expansión isotérmica (a temperatura constante), enfriamiento isocórico y finalmente compresión isotérmica.

Robert Stirling inventó el motor de aire caliente en 1816 y, para mejorar su eficiencia, lo equipó con un regenerador , que proporciona funciones de almacenamiento térmico e intercambiador interno. Este elemento distingue al motor Stirling de otros motores. Ha mejorado considerablemente su rendimiento, lo que le confiere un verdadero desarrollo en termodinámica .

Poco conocido por el gran público, este motor tiene algunas ventajas. Estaba muy extendido en la época de la dominación de las máquinas de vapor, lo que presentaba un grave riesgo de explosión.

Historia

Al principio del XIX ° siglo, las calderas de vapor estallan con bastante frecuencia. Para dar respuesta a este problema, Robert Stirling imagina un motor sin caldera sometido a presiones demasiado elevadas, en el que, por tanto, el calor procede del exterior de la máquina. Descubre que basta con calentar el aire ambiente por combustión para suministrar energía a este motor y es así como Stirling presenta su patente sobre27 de septiembre de 1816. También es el inventor de un regenerador en la tubería del motor que evita demasiadas pérdidas de energía y mejora su eficiencia. Estrictamente hablando, este regenerador es lo que distingue al motor Stirling de otras máquinas de aire caliente.

En 1843, su hermano James "industrializó" este motor, para utilizarlo en la fábrica donde él era ingeniero. Sin embargo, debido a varias roturas y una potencia demasiado baja en comparación con la máquina de vapor y el motor de combustión interna , el motor de aire caliente Stirling no logró el éxito esperado. El motor Stirling es sólo un objeto de estudio para los físicos , que entienden el funcionamiento del motor Stirling, mucho después de su invención, con el advenimiento de la termodinámica .

En 1871El progreso de la termodinámica realizadas en el XIX ° siglo permitir Gustav Schmidt para describir matemáticamente el ciclo Stirling.

A partir de 1878, John Ericsson recurre a una solución utilizando un ciclo Stirling con su motor de "aire caliente" ( motor Ericsson ) con un desplazador y construye, en asociación con DeLameter Iron Works y luego con Rider-Ericsson Engine Company, un nuevo motor. Este motor también será un éxito, se producirá en Estados Unidos hasta el comienzo de la Primera Guerra Mundial. De todos los motores de ciclo Stirling diseñados, esta es la versión más común, aunque rara porque tiene 100 años; es posible verlos a la venta en concesionarios de segunda mano especializados en motores antiguos.

En 1889, la empresa estadounidense Rider-Ericsson Engine Company lanza su primera bomba hidráulica de "aire caliente"; lo producirá hasta principios de 1900 y lo exportará a todo el mundo.

Sin embargo, no fue hasta las investigaciones de la empresa holandesa Philips , en la década de 1930, que el motor Stirling se volvió a estudiar seriamente y se probó su aplicación en todo tipo de tecnologías. En 1938 se diseñó allí un motor Stirling de más de 200 CV , con una eficiencia superior al 30% (comparable a los actuales motores de gasolina) . Sin embargo, esta tecnología solo es aplicable en criogenia .

En 1953 , Philips lanzó su generador de 180 W : el MP1002CA, diseñado a partir de un motor Stirling.

Es solo en las últimas décadas que los desarrollos de motores comienzan a interesar nuevamente a la industria, debido a la creciente necesidad de fuentes de energía alternativas. De hecho, el motor Stirling puede funcionar con cualquier fuente de energía que produzca calor: energía solar , energía geotérmica , energía nuclear , calor residual de las fábricas, etc. Desde una perspectiva ecológica, esto es tanto más interesante cuanto que el regenerador, porque precalienta y preenfría el gas, permite “reciclar” la energía. Por lo tanto, los avances en la ciencia de los materiales ahora permiten el uso de materiales que soportan diferencias de temperatura muy grandes y compuestos que mejoran la transferencia de calor dentro del regenerador.

La situación es tal que los motores Stirling, junto con antenas solares gigantes, utilizan energía solar con una eficiencia superior a las células fotovoltaicas , pero a un precio elevado. En 2008 se batió el récord de conversión de energía solar, con una tasa de conversión del 31,25%, gracias al uso de espejos parabólicos como concentradores solares.

Hoy en día, el motor Stirling es objeto de numerosos experimentos tanto por aficionados como por empresas especializadas en energía o por la NASA ( proyecto KRUSTY ).

Principio, ventajas y desventajas

Principio

El principal fluido que produce trabajo es un gas ( aire , hidrógeno o helio ) sometido a un ciclo que comprende cuatro fases:

calentamiento isocórico (a volumen constante);
expansión isotérmica (a temperatura constante): el gas proporciona trabajo;
enfriamiento isocórico;
Compresión isoterma: el gas recibe trabajo.

El objetivo es producir energía mecánica a partir de energía térmica . Al inicio del ciclo, el gas del interior del motor se coloca en la cámara caliente, calentado por una determinada fuente de energía: su temperatura y presión aumentan, lo que produce una expansión del gas (fase 1). Al estar el pistón de la cámara caliente apoyado, el gas se expande hacia la cámara fría empujando hacia atrás el pistón de la misma. La energía térmica se transforma así en energía mecánica que se transmite a la rueda (fase 2). Este movimiento de la rueda se transmite al pistón de la cámara caliente que empuja la mayor parte del gas hacia la cámara fría. Una vez hecho esto, el gas que llega a la cámara frigorífica se enfría (fase 3) y su volumen disminuye, provocando el pistón frío en la otra dirección (fase 4). De nuevo, este movimiento se transmite, a través de la rueda, al pistón de la cámara caliente que luego retrocede hacia su tope. Casi todo el volumen de gas se aspira a la cámara caliente y el ciclo comienza de nuevo. Este ciclo termodinámico se llama ciclo de Stirling (aunque no fue Stirling quien lo describió).

La fuente caliente del motor (el pistón rojo de arriba) se alimenta de cualquier fuente externa : combustión externa de derivados del petróleo , gas natural , carbón , pero también energías renovables como la energía solar , la madera o la geotermia .

Ciclo de Stirling

El ciclo de Stirling es un ciclo termodinámico descrito por los motores Stirling.

El ciclo es reversible , lo que significa que si se proporciona trabajo mecánico, puede funcionar como bomba de calor y proporcionar calor o frío (incluido el frío criogénico ).

El ciclo regenerativo es cerrado , utilizando un fluido gaseoso:

“Ciclo cerrado” significa que el fluido de trabajo está permanentemente contenido en la máquina termodinámica. Esto también categoriza un motor de combustión externa;
"Regenerativo" se refiere a la presencia de un intercambiador de calor interno que aumenta la eficiencia térmica del dispositivo.

El ciclo es el mismo que la mayoría de los ciclos térmicos e incluye cuatro fases: 1. compresión, 2. calentamiento, 3. expansión, 4. enfriamiento (vea el diagrama de Clapeyron a la izquierda):

puntos 1 a 2: expansión isotérmica. La zona de relajación se calienta desde el exterior, por lo que el gas sigue una expansión isotérmica.
puntos 2 a 3: enfriamiento a volumen constante ( isocórico ). El gas pasa por el regenerador , se enfría transfiriéndole su calor, que será utilizado para el siguiente ciclo;
puntos 3 a 4: compresión isotérmica. La zona de compresión se enfría, por lo que el gas sigue una compresión isotérmica;
puntos 4 a 1: calentamiento isocórico. El gas circula en el regenerador y toma calor.

Ventajas

Dado que produce poca vibración gracias a la ausencia de explosión, de válvulas que se abren y cierran y de gases que escapan, el motor Stirling es silencioso y poco sometido a esfuerzos mecánicos, lo que lo hace útil donde el calor, el frío y las vibraciones son indeseables. por ejemplo en un submarino nuclear .

La falta de intercambio de gases con el ambiente externo lo hace útil en ambientes contaminados o en la necesidad de evitar la contaminación .

Es de fácil mantenimiento debido a su ausencia de intercambio de material con su entorno y reacción química interna. Por las mismas razones, se deteriora menos que un motor de combustión interna .

Tiene una buena eficiencia , pudiendo rondar el 40% , mientras que la eficiencia de un motor de combustión interna para uso automotriz alcanza el 35% para gasolina y el 42% para diesel. Los motores eléctricos, cuya eficiencia puede llegar al 99%, no son comparables, porque la electricidad es una forma de energía cuya calidad no es comparable a las térmicas y / o químicas utilizadas para los motores Stirling o de combustión interna (ver la noción de exergía ). Además, la electricidad es difícil de almacenar y transportar con una eficiencia cercana al 100%, que es un límite severo para ciertas aplicaciones. También podemos discutir el nivel de comparabilidad de las fuentes de energía utilizadas entre el motor Stirling y el motor de combustión interna, y especialmente las diferencias de temperatura entre la fuente fría y la fuente caliente para las que se anuncian los picos de eficiencia, en relación con el pico de eficiencia de Carnot .

El motor es reversible: un motor Stirling impulsado por otro motor se convierte en una bomba de calor capaz de enfriar a -200 ° C o calentar a más de 700 ° C , dependiendo de la dirección de conducción. Esto, sin utilizar gases especiales con propiedades específicas, que les confieren inconvenientes prácticos o químicos (como el freón de las máquinas frigoríficas de generaciones anteriores, que destruye la capa de ozono). En la práctica, además, es la función de bomba de calor eficiente la que permite que existan algunas máquinas.

Es de múltiples fuentes. Debido a su modo de suministro de calor, este motor puede funcionar desde cualquier fuente de calor (combustión de cualquier combustible, solar, nuclear o incluso calor humano).

Tiene una contaminación potencialmente menor que los motores térmicos: el calor procedente del exterior, es posible, gracias a energías no fósiles, aportarlo de forma menos contaminante que en muchos motores térmicos en los que la combustión es imperfecta.

Desventajas

Entre los inconvenientes, la estanqueidad de los pistones debe ser mayor que en un motor de combustión interna, pero esto es más difícil de conseguir debido a las grandes variaciones de temperatura y la necesidad de utilizar un gas lo menos viscoso posible, en para minimizar las pérdidas por fricción (en particular en el regenerador). El uso de un gas de muy baja viscosidad, por ejemplo hidrógeno, a menudo plantea problemas de sellado.

Tiene un diseño delicado; Mientras que los motores de combustión interna producen calor directamente dentro del fluido, de manera muy rápida y uniforme, un sistema Stirling se basa en transferencias de calor entre el gas y los intercambiadores (las dos fuentes, el recuperador), mientras que los gases son aislantes térmicos donde los intercambios son muy lentos. . Además, es necesario minimizar el volumen "muerto" (que contiene líquido que no completa el ciclo y por lo tanto no contribuye al rendimiento). Todo ello plantea problemas de dinámica de fluidos , problemas de difícil solución, a nivel de los intercambiadores, el recuperador, las tuberías o el pistón que permiten el movimiento del gas durante el ciclo (problemas de diámetro, longitud, turbulencias para crear o evitar , etc.).

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Es dificil ordenar. Uno de sus inconvenientes es la falta de capacidad de respuesta. Para variar la potencia del motor, generalmente se varía la potencia de calentamiento. Sin embargo, debido a la gran inercia térmica de los intercambiadores, el aumento de potencia es mucho más lento que el de los actuales motores de combustión interna. La variación de velocidad de este motor es difícil de lograr, porque solo se puede hacer actuando sobre la relación de compresión del fluido de trabajo o aumentando el calor de la fuente caliente, o reduciendo el de la fuente fría. Este inconveniente puede corregirse con la ayuda de métodos tales como una caja de cambios en el caso de impulsar un eje de transmisión hacia ruedas, o cambiando el paso en el de impulsar una hélice de caja de cambios . Es por esto que se considera que el motor Stirling tiene una capacidad muy pobre para producir potencia y par variable, un inconveniente que se considera muy importante para la propulsión automotriz, en particular, mientras que es precisamente esta aplicación la que hizo la fortuna del motor de combustión interna. Sin embargo, este inconveniente podría reducirse en el caso de un “sistema híbrido” (el motor entonces funciona a velocidad constante, siendo la modulación de potencia asumida por el sistema eléctrico), pero aún son raros. En un barco o en un avión de hélice de paso variable, sin embargo, esto no es una desventaja. También se podría imaginar una válvula colocada en la tubería que separa los dos pistones, que en caso necesario podría reducir la eficiencia, y por lo tanto la velocidad, al estar más o menos cerrada. Esta idea, en cambio, tiene el defecto de desperdiciar energía térmica, ya que es la eficiencia la que disminuye y se consume tanto combustible. Por lo tanto, sería necesario, durante largos períodos de ralentí, acoplar esta válvula a un ajuste del caudal de combustible para reducir progresivamente la cantidad de combustible y volver a abrir la válvula de salida a un valor relativamente alto (pero no máximo, para para garantizar la recuperación durante un aumento de potencia). Así, durante la aceleración, inmediatamente podríamos tener una mejor eficiencia, y por lo tanto más velocidad, y poco después recuperar la energía suministrada por el aumento de combustible.

Por último, tiene un precio elevado: hoy en día, teniendo solo unas pocas aplicaciones a gran escala (ver generadores Whispergen), a diferencia del motor de combustión interna, es mucho más caro; además, por la misma razón, los fabricantes no le dan el mismo interés por la investigación y el desarrollo, lo que no le permite ponerse al día (suponiendo que esto sea posible). Esta situación podría evolucionar favorablemente con el desarrollo de la investigación sobre producción energética y, en particular, sobre energías renovables.

usar

El motor Stirling tiene aplicaciones de nicho, en situaciones donde el costo inicial del sistema no es una desventaja seria en comparación con los beneficios (militares, investigación, aplicaciones avanzadas).

La principal aplicación comercial del motor Stirling es la refrigeración industrial y militar. Sirve como máquina para licuar gases y como enfriador para sistemas de guía infrarrojos militares.
Se utiliza como generador de electricidad en Islandia , Japón y en entornos extremos como los desiertos australianos y árticos por muchas misiones científicas y militares.
Se utiliza junto con una parábola esférica para generar electricidad a partir de energía solar . Este sistema se conoce comúnmente como " plato stirling " .
Es utilizado por la marina sueca ( submarino de la clase Gotland ), australiana, y luego los submarinos estadounidenses atacan como el conjunto propulsor principal, no solo por su silencio, una propiedad crucial para los submarinos, sino también por la producción mucho menor de gas no quemado necesario para proporcionar un gradiente térmico (una diferencia de temperatura) a un motor Stirling; de hecho, un submarino bajo el agua solo puede evacuar gases comprimiéndolos a una presión al menos igual a la del medio ambiente, requiriendo (y por lo tanto desperdiciando) una parte no despreciable de la energía disponible a bordo.
Este motor también equipa ciertas clases de fragatas estadounidenses, el sistema de enfriamiento del reactor nuclear de muchos submarinos y portaaviones, así como drones de largo alcance .
Debido a su capacidad de combustible flexible, la URSS lo probó con éxito en algunos prototipos de tanques pesados, incluido el objeto 167, antes de ser abandonado por razones políticas y económicas, durante la transición a la economía de mercado con la caída del bloque soviético.
La cuenta de la NASA lo usa para proporcionar energía a satélites y sondas espaciales , prueba el proyecto KRUSTY .
El fabricante de placas base para ordenadores personales MSI presentó a principios de 2008 un sistema de refrigeración cuyo ventilador es accionado por un motor Stirling utilizando como fuente de calor la energía liberada por el chip a enfriar.
La mayoría de los principales fabricantes de calderas ofrecieron en 2009 una planta de microcogeneración con motor Stirling. Este tipo de caldera del tamaño de un calentador de agua no solo permite calentar agua para uso doméstico (calefacción, agua caliente sanitaria ) sino que también produce electricidad localmente.
Muchas copias se utilizan con fines didácticos en la clase de física para demostrar los principios de la termodinámica . Algunas operan con el calor del Sol concentrado por una parábola como los modelos que se usan en algunas plantas de energía solar que producen electricidad, otras requieren solo el calor de una taza de café o el de la palma de una mano para funcionar.

Tipos de motor Stirling

Alfa Stirling

Un Stirling alfa contiene dos pistones de potencia separados, un pistón "caliente" y un pistón "frío". El pistón caliente está ubicado cerca del intercambiador de calor con la temperatura más alta y el pistón frío está ubicado cerca del punto de intercambio de temperatura más baja.

Este tipo de motor tiene una relación potencia-volumen muy alta, pero tiene problemas técnicos, relacionados (frecuentemente) con que las temperaturas del pistón caliente son demasiado altas para sus sellos.

A continuación se muestra un diagrama de un motor alfa Stirling (explicaciones para la rotación en el sentido de las agujas del reloj). Hay un recuperador de calor en la tubería, pero no se muestra.

1. El gas de trabajo, calentado en contacto con las paredes del cilindro caliente , tiende a ocupar más espacio y empuja el pistón caliente hasta el fondo de su carrera (hacia la izquierda). Cuando se detiene, la expansión del gas continúa en la dirección del cilindro frío y empuja el pistón frío (hacia arriba). Estos movimientos se transmiten a la rueda.
2. El gas está ahora en su volumen máximo. El impulsor transmite su movimiento al pistón caliente (a la derecha), que envía la mayor parte del gas al cilindro frío , donde se enfriará.
3. Casi todo el gas está ahora en el cilindro frío y continúa el enfriamiento del gas. La presión del gas es mínima. Se contrae y el pistón frío vuelve a bajar.
4. El gas está ahora en su volumen mínimo y la rueda y las transmisiones tiran del pistón caliente hacia la izquierda. De este modo, el gas es aspirado hacia el cilindro caliente . A medida que se calienta, su volumen aumenta y el ciclo comienza de nuevo.

Stirling beta

Un Stirling beta también usa un volumen limitado de gas entre dos pistones. Estos dos pistones combinan:

movimiento relativo cuando cambia el volumen del gas;
un movimiento común que mueve este volumen de la parte caliente a la parte fría y viceversa.

Los volúmenes del otro lado de los pistones no funcionan. En la ilustración de la parte superior de la página, podemos ver la apertura de comunicación de uno de estos volúmenes con el exterior. Por tanto, los pistones están sellados. El principio del motor beta en realidad se acerca al del motor gamma, con la diferencia de que las dos zonas calientes y frías están ubicadas en el mismo cilindro. Las ventajas son la compacidad y la ausencia de pérdidas aerodinámicas ; el principal inconveniente proviene de las pérdidas de calor por conducción.

Hay motores Stirling de pistón coaxial, también calificados como motores beta, uno de cuyos dos pistones no es impermeable: luego actúa como un desplazador, y el volumen ubicado sobre el desplazador es funcional. Por tanto, estos motores son similares a los motores gamma que se describen a continuación, pero sin espacio muerto .

Gamma de Stirling

Un Stirling gamma es un motor Stirling equipado con un pistón de potencia y un pistón que actúa por sí solo como un desplazador. Solo el pistón del motor tiene un sistema de sellado.

El desplazador ocupa sucesivamente la zona caliente y la zona fría, conduciendo cada vez el gas hacia la zona opuesta. Las variaciones de temperatura que sufre el gas generan variaciones de presión que ponen en movimiento el pistón del motor.

Dado que el volumen barrido por el desplazador no puede ser barrido necesariamente por el pistón de potencia, constituye un volumen muerto. Por este motivo, el motor Gamma no puede alcanzar relaciones de compresión elevadas, lo que limita las posibilidades de eficiencia. Por otro lado, su sencillez mecánica lo convierte en un sistema muy utilizado, también en motores multicilíndricos.

Algunos motores Gamma tienen un desplazador sellado: por lo tanto, el gas toma prestado un circuito externo para pasar de una zona a otra; Entonces es posible colocar un regenerador en este circuito externo, aumentando la eficiencia.

Otros cambios al principio

Se han propuesto muchas variaciones:

un motor de pistón libre con alternador lineal fue inventado por el termodinámico Hubert Juillet y patentado en el INPI en 4 de septiembre de 1967bajo el n o PV190063 . Este motor fue posteriormente modificado agregando partes elásticas para reemplazar partes mecánicas y operando bajo un ciclo Stirling (dibujo de la NASA ). En 2015, este generador Stirling-July fue producido industrialmente por la empresa Microgen Engine Corporation Limited, y comercializado para microcogeneración por la empresa Wiessmann y la empresa Dedietrich;

el fluidyne es una bomba de motor Stirling cuyas válvulas son las únicas partes mecánicas móviles;
el montaje de motores Stirling en serie permite que cada pistón desempeñe la doble función de desplazador y motor: por ejemplo, el motor Franchot tiene dos pistones de doble efecto y el motor Siemens cuatro;
la transposición al motor rotativo (ver cuasiturbina ) del principio del motor Stirling permite combinar ciclos en serie en un solo movimiento rotativo;
el motor Stirling-Vuilleumier utiliza fluidos de trabajo combinados, pero su ciclo termodinámico ya no es el del motor Stirling y se dirige a otra categoría de motores de combustión externa;
El motor Stirling de doble torre, diseñado en 2020 y aún no probado, se basa en la transferencia de cámara a cámara de un volumen de gas para someterlo a las cuatro fases del ciclo Stirling. Cada fase tiene lugar durante media vuelta del motor. Un intercambiador de calor a contracorriente, que también trabaja en media vuelta del motor, sustituye al regenerador y permite la transferencia de calor durante las fases de calentamiento y enfriamiento. Como las cuatro fases del ciclo Stirling tienen lugar simultáneamente, la transferencia de calor es inmediata. Las fuentes de calor y frío son distintas, a excepción del intercambiador ya que su pared interna permite la transferencia de calor. Al aislar completamente este motor, no permite la cogeneración .

Notas y referencias

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(fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado " Ciclo de Stirling " ( consulte la lista de autores ) .

Apéndices

Bibliografía

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Nepve, F, Ferrière A, Daumas-Bataille F, Verdier I & Lefevre P (2007), Modelización energética del sistema Parabole / Stirling EURODISH para la producción de electricidad ; Congreso Térmico Francés, SFT 2007, Île des Embiez,29 de mayo-1 st de junio de de 2007

enlaces externos

Introducción al principio del motor Stirling en el sitio fugaystirling.free.fr
Bibliografía del motor Stirling En el sitio web enginestirling.com
Sitio y foro apasionados: constructores de motores Stirling en el sitio blooo.fr
¡Foro sobre microcogeneración con motor Stirling en Francia! En el sitio cogeneration.discutforum.com
motor de microcogeneración y stirling en el sitio picbleu.fr