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STIRLING (Motor de) - Definición - Significado

Como Otto y Diesel, el nombre de Stirling define tanto el motor como el ciclo termodinámico concebidos por Robert Stirling en 1816 y reactivados por la Philips en 1938. A diferencia de los motores convencionales, donde la combustión se produce en contacto con el pistón, el Stirling es un motor de combustión externa (como todos los motores de vapor), puesto que el combustible (gaseoso, líquido o pulverizado) es quemado en el exterior de la cámara y del fluido que desarrolla el trabajo.

En la época de Stirling, los únicos motores que funcionaban eran de vapor. Esto se debió a la facilidad con que el agua, calentada en un recipiente cerrado a una temperatura relativamente baja (unos 200° C), podía alcanzar presiones muy elevadas (por encima de 60 atm). No obstante, Stirling pensó en substituir el agua por aire, pero las presiones que podían obtenerse con éste eran bastante más bajas (5-6 atm), a no ser que se consiguiesen temperaturas muy altas (cosa imposible de obtener en aquella época por falta de materiales y de combustibles apropiados). Por este motivo, el motor de Stirling, exceptuando pocos casos, fue abandonado durante más de 100 años, superado por el motor de explosión (en el cual se efectúa una combustión directamente en el aire comprimido y, por tanto, se alcanzan con facilidad temperaturas y presiones altas).

Teóricamente, el motor de Stirling debería funcionar como un motor de vapor: una caldera calentaba el aire encerrado en un recipiente y movía lentamente un pistón con su presión. Al final de la expansión, el aire aún caliente era expulsado por la carrera de retorno del pistón, mientras que el otro pistón, movido por el mismo cigüeñal, se encargaba de introducir en el recipiente una nueva carga de aire fresco. Con objeto de no desperdiciar la enorme cantidad de calor que salía a la atmósfera a baja presión, pero aún caliente, Stirling adoptó un dispositivo para substraer buena parte de calor al aire después de la expansión y transmitirla a la carga fresca tras su penetración en el recipiente. De esta manera podía introducirse en el cilindro una cantidad de aire mucho mayor, puesto que entraba a baja temperatura y, por tanto, con el mismo volumen.

Al mismo tiempo, Stirling se dio cuenta de que si hubiera conseguido substraer el aire expulsado y dispersar la cantidad de aire residual (ya que no servía porque se hallaba a baja temperatura y además era perjudicial, puesto que mantenía su alto volumen), hubiera podido volver a poner en circulación el mismo aire sin tener que cambiarlo.

Los dos dispositivos suplementarios ideados por Stirling fueron el denominado regenerador -para substraer el calor al aire (cuando éste tenía aún cierta presión) y restituirlo al mismo después del enfriamiento en un radiador (cuando la presión y el volumen habían sido reducidos al mínimo)- y el mecanismo, sin válvulas, para transferir el aire desde un punto al otro del motor.

En la versión más moderna, la estudiada por la Philips, el dispositivo de transferencia no es otro que un segundo pistón (pistón de bombeo) que se mueve en el mismo cilindro donde trabaja el pistón principal (pistón de potencia). Por tanto, el motor puede ser mono-cilindrico con 2 pistones (que realizan un movimiento diverso), pero podría ser también bicilíndrico, con un cilindro que suministra trabajo y otro que tiene la función de cámara de transferencia. Lógicamente, en ambos casos se pueden construir motores de varios cilindros para obtener más fases útiles distribuidas en una vuelta del cigüeñal. El fluido, constituido por aire en todos los motores construidos hasta 1950, fue substituido después por helio e hidrógeno introducidos en el sistema sellado a presión a más de 100 atm. Actualmente, se prefiere el hidrógeno por su elevada conductibilidad térmica y por la baja densidad.

Teóricamente, el ciclo de Stirling comprende 4 fases de trabajo:

- una compresión isotérmica a la temperatura mínima, con transferencia del calor del fluido a un radiador exterior;

- una isocora (transformación a volumen constante), de la temperatura mínima a la máxima, con transferencia de calor desde el regenerador al fluido;

- una expansión isotérmica, a la temperatura máxima, con aporte de calor al fluido por una fuente térmica exterior (quemador del combustible), y

- una isocora, desde la temperatura máxima a la temperatura mínima, con transferencia de calor del fluido al regenerador.

El ciclo, formado por 2 isotérmicas relativas a la fase de compresión y de expansión del fluido, y por dos isocoras, corresponde a condiciones termodinámicas teóricas límites (análogamente al ciclo de Ericson para las instalaciones con turbomotores de gas) y presupone la disponibilidad de superficies de intercambio térmico infinitamente amplias o, por lo menos, de una extensión tal que industrialmente serían muy costosas. En comparación con un ciclo equivalente de Carnot (iguales temperaturas extremas, presiones y volúmenes), el ciclo de Stirling puede suministrar mayor trabajo mecánico y se caracteriza por una mayor transmisibilidad del calor. En el ciclo de Stirling no existe una fase de escape, sino solamente una fase de transferencia, de manera que el calor debe ser substraído al fluido en el interior del motor, en correspondencia con el punto menos caliente, y requiere un intercambiador-radiador con potencia, como mínimo, igual a 2,5 veces la de un radiador automovilístico corriente.

Las versiones más recientes de motores de Stirling, con referencia especial a las aplicaciones automovilísticas, son:

- La de funcionamiento de efecto simple, con sistema de manivela rómbico (el cual permite no comprimir la cámara de manivela y asegura un equilibrio completo incluso en los motores monocilíndricos), que implica el empleo de 2 pistones por cilindro: uno de transferencia y otro de potencia. (Versión «displacer type engine»).

- La de funcionamiento de doble efecto con un solo pistón que trabaje en las dos caras y transferencia del fluido a los ciclos adyacentes en sucesión.

El gas es calentado y comprimido en la parte del cilindro denominada cámara caliente, donde se alcanza la temperatura máxima, mientras que la otra parte del motor, en la que se obtiene la temperatura mínima, es denominada cámara fría. El desplazamiento del fluido (generalmente, hidrógeno) se produce mediante las 2 cámaras del único pistón en la versión de doble efecto, o bien mediante los 2 pistones (de transferencia y de potencia) en la versión de simple efecto.

Una característica técnica específica del motor de Stirling es poder mantener constantemente la cámara caliente a la temperatura máxima obtenible con el quemador de combustible (generalmente, 700 °C) y la cámara fría a temperatura baja (unos 60 °C), tanto en los regímenes de funcionamiento bajos como en los altos; éste es uno de los motivos del alto rendimiento térmico que puede alcanzarse en los motores de Stirling (teniendo en cuenta la absorción de energía de los órganos auxiliares, el rendimiento térmico alcanza un 32-40 % más que en un motor de gasolina). Otra característica favorable de la constancia de régimen de la combustión es que las emisiones en el escape de la cámara de combustión son muy bajas, incluso por debajo de los valores requeridos por las normas cali-fornianas de 1975. De hecho, el quemador del motor de Stirling consume aire caliente y combustible de manera continua como el de un motor de vapor o de una turbina de gas. Sin embargo, el aire necesario es solamente un octavo del empleado por una turbina de gas de la misma potencia. El combustible puede ser de cualquier naturaleza: desde el hidrógeno y los aceites vegetales, al carbón en polvo que permita alcanzar al fluido los 700 °C. El motor podría funcionar también con una fuente de acumulación de calor como, por ejemplo, una masa incandescente. Entre las demás ventajas dadas a conocer por la Philips pueden citarse:

- el bajo nivel de ruido, puesto que no existen explosiones internas, ni pulsaciones de admisión o descarga, ni tampoco válvulas en movimiento;

- la ausencia de vibraciones, en el caso de usar un sistema de biela-manivela de tipo equilibrado dinámicamente, como la articulación rómbica patentada por la Philips;

- el alto par con regímenes bajos, puesto que no existen problemas en el llenado de los cilindros;

- ningún gasto de lubricación, pues el aceite no está en contacto con el fluido caliente.

La Philips de Eindhoven se interesó por el motor de Stirling en 1938 para construir un motor silencioso para un generador que suministraba corriente a la radio. A pesar de que esta solución ha sido superada con la invención de los transistores, la Philips continuó sus trabajos en 1950, bajo la dirección de Roelof Jan Meijer.

En 1958, Philips firmó un acuerdo con la General Motors que duró unos 12 años. En 1964, la General Motors construyó un vehículo con motor de Stirling, el Calvair, un Corvair cuyo motor, de 30 CV, extraía energía de un dispositivo de reserva lleno de óxido de aluminio. En 1968 y 1969 se construyeron los Stir-Lec 1 y Stir-Lec 2, dos Opel Kadett con propulsión mixta, tracción eléctrica con baterías alimentadas por un motor de Stirling de 11 CV.

En 1967 las empresas alemanas M.A.N. y M.W.M. formaron un grupo de desarrollo del motor Stirling para realizar investigaciones sobre sus posibilidades de empleo. El año siguiente fue fundada la Stirling en Suecia con la finalidad de construir motores para autobuses y motores marinos.

En 1973, la Philips firmó un acuerdo de licencia exclusiva mundial con la Ford. El programa de investigaciones a gran escala está destinado a solucionar los problemas que aún quedan por resolver para adaptar el motor Stirling al uso automovilístico: especialmente, se refieren a las retenciones con el fluido intermedio y a la investigación de un sistema simple para controlar la potencia producida. La Philips ha construido un motor de Stirling de 4 cilindros de doble acción de 200 CV que funcionó por vez primera en un banco de pruebas en octubre de 1974, y sobre carretera, en un Ford Torino, a mediados de 1975. En Suecia, la United Stirling ha experimentado ya el pequeño motor de 4 cilindros sobre un Ford Pinto, después de un acuerdo mutuo con la Ford.

El desarrollo industrial del motor de Stirling probablemente dependerá del mayor o menor rigor de las leyes referentes a la limitación de las emisiones contaminantes.

Las principales dificultades técnicas que aún deben superarse para la aplicación a nivel industrial y comercial de los motores de Stirling en el sector automovilístico son los siguientes:

- problemas técnicos diversos referentes a los intercambiadores-radiadores de dimensiones razonables y el ruido del correspondiente ventilador, así como a los sistemas de calentamiento no convencionales en fase de experimentación, como la combustión de compuestos metálicos:

- el perfeccionamiento de los sistemas de retención de eventuales fugas de hidrógeno del motor, aunque la cantidad de hidrógeno en el motor es moderada (el elevado grado de inflamabilidad del hidrógeno constituye un peligro potencial);

- la reducción de los costes de fabricación y de entretenimiento de los motores, cuyas partes más calientes están expuestas, con el tiempo, a fenómenos de escurrimiento viscoso y de corrosión.

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