El motor Stirling és un tipus de motor tèrmic de combustió externa que opera mitjançant l'expansió i contracció d'un gas tancat a l'interior.
El principi de funcionament es basa en el desplaçament cíclic d'aquest gas entre una font de calor i una font freda, provocant variacions de pressió que generen moviment mecànic.
Com funciona un motor Stirling?
El motor Stirling funciona segons un cicle termodinàmic regeneratiu, en què el gas de treball pateix compressió i expansió cíclica a diferents temperatures. A diferència dels motors de combustió interna, on la combustió ocorre dins del cilindre, el motor Stirling transfereix calor a través de les parets del motor, permetent una eficiència més gran i reduint l'emissió de contaminants.
El desplaçador del motor Stirling mou el gas de manera cíclica entre la zona calenta i la freda. Quan el gas s'escalfa, s'expandeix, augmenta la pressió i empeny un pistó per generar treball mecànic. Posteriorment, el gas es refreda i es contrau a la zona freda, cosa que permet la repetició del cicle. Aquest procés està sincronitzat gràcies a un cigonyal amb un desfasament de 90 graus entre el pistó i el desplaçador, assegurant-ne un funcionament eficient.
L'eficiència del motor Stirling és determinada pel cicle de Carnot, que estableix que l'eficiència màxima depèn de la diferència de temperatura entre la font calenta i la freda. Per això, una diferència més gran de temperatura millora el seu rendiment.
El motor Stirling en un cicle regeneratiu termodinàmicament “tancat”, amb compressió cíclica i expansió cíclica del fluid de treball a diferents nivells de temperatura.
Avantatges del motor Stirling
El motor Stirling es distingeix per diverses característiques que ho fan una alternativa eficient i versàtil en comparació amb altres motors tèrmics:
Alta eficiència
En comparació amb les màquines de vapor i els motors de combustió interna, el motor Stirling pot assolir una eficiència propera a la del cicle de Carnot, el límit teòric deficiència per a qualsevol màquina tèrmica.
El seu rendiment és especialment elevat quan opera amb fonts de calor constants i sostenibles a llarg termini, com ara l'energia solar concentrada o la calor residual de processos industrials.
Funcionament silenciós
A diferència dels motors de combustió interna, el motor Stirling no produeix explosions ni vibracions intenses, ja que el procés d'expansió i compressió del gas de treball passa de manera suau i contínua.
Això ho fa ideal per a aplicacions on el soroll és un factor crític, com en submarins, generadors domèstics i sistemes de refrigeració.
Ús de diverses fonts de calor
Un dels seus avantatges més grans és la seva capacitat per operar amb pràcticament qualsevol font de calor externa. Podeu utilitzar combustibles fòssils, biomassa, energia solar, calor residual industrial, geotèrmia o fins i tot la diferència de temperatura entre l'aigua i l'aire en entorns marins.
Baixa emissió de contaminants
Com que no es requereix una combustió interna directa, el motor Stirling redueix significativament l'emissió de gasos nocius i partícules contaminants. El seu impacte ambiental és mínim, sobretot si s'alimenten amb fonts renovables o calor residual.
Durabilitat i baix manteniment
Com que no està sotmès a altes pressions explosives ni a un desgast intens dels seus components interns, el motor Stirling té una vida útil prolongada i requereix menys manteniment en comparació dels motors de combustió interna.
El disseny tancat i hermètic minimitza el deteriorament de peces mòbils, reduint els costos d'operació i manteniment a llarg termini.
Capacitat d'operar en entorns extrems
Gràcies al seu disseny i funcionament basat en l'expansió d'un gas de treball, els motors Stirling poden operar en condicions de temperatura extrema, com a l'espai exterior o en sistemes de generació d'energia a regions polars.
Cicle Stirling
El cicle ideal d'una màquina Stirling consta de 4 fases:
- Expansió isotèrmica (1-2): El gas s'escalfa i s'expandeix mitjançant un procés isotèrmic, generant treball mecànic.
- Refredament isocòric (2-3): El gas cedeix calor al regenerador, reduint la seva energia interna a volum constant a través d'un procés isocòric.
- Compressió isotèrmica (3-4): El gas es refreda i es comprimeix, reduint-ne el volum i augmentant-ne la densitat.
- Escalfament isocoòric (4-1): El gas recupera la calor del regenerador i s'escalfa a volum constant, reiniciant el cicle.
Aplicacions del motor Stirling
Els motors Stirling tenen aplicacions en diversos camps, entre els quals destaquen:
- Generació denergia: Sutilitzen en sistemes denergia solar tèrmica i en la generació elèctrica a partir de calor residual industrial. En alguns projectes, també s'han implementat en energia nuclear com a convertidors tèrmics.
- Propulsió i automoció: S'han desenvolupat prototips de motors Stirling per a vehicles i embarcacions, aprofitant-ne l'eficiència i el baix nivell de soroll.
- Refrigeració i bombes de calor: Gràcies a la seva capacitat d'operar de manera reversible, els motors Stirling poden actuar com a bombes de calor per a calefacció o refrigeració, aplicats en sistemes de climatització d'alta eficiència.
- Aplicacions aeroespacials: La NASA i altres agències han explorat l'ús del motor Stirling per generar energia en sondes espacials i bases lunars, aprofitant la capacitat d'operar en entorns extrems.
Història i desenvolupament
El motor Stirling va ser inventat el 1816 per l'enginyer escocès Robert Stirling, amb l'objectiu de desenvolupar una alternativa més segura a la màquina de vapor, que en aquella època presentava riscos d'explosions a causa de les altes pressions del vapor d'aigua. Inicialment, el motor Stirling es va concebre com un motor industrial per competir amb la màquina de vapor. Tot i això, el seu ús es va limitar durant més d'un segle a aplicacions domèstiques i de baixa potència. (ca.demotor.net)
Avui dia, continua sent objecte de recerca i desenvolupament, especialment degut a la seva capacitat per operar amb qualsevol font de calor externa. Aquesta versatilitat permet que pugui utilitzar energia solar, biomassa, calor residual o fins i tot fonts geotèrmiques, cosa que el converteix en una opció atractiva per a aplicacions sostenibles.