¿Cómo funciona un motor Stirling?

Cómo funcionan juntas las piezas

1. Llevar el aire al extremo caliente

   El pistón de potencia está casi al final interior de su carrera, así que el volumen apenas cambia. El desplazador sube deprisa y empuja aire fuera del espacio frío, por el conducto y el regenerador, hasta el espacio caliente bajo él, donde los puntos son de color naranja rojizo (pulsa Reproducir para ver cómo se juntan más ahí). El aire se calienta a volumen casi constante, así que su presión sube: 1,43 bar aquí, camino de un máximo de 1,68 bar.

2. El aire caliente empuja el pistón

   Ahora el 43 % del aire está en el espacio caliente, más o menos lo máximo que llega a estar. El aire caliente es menos denso, así que incluso con el desplazador cerca de arriba el espacio caliente guarda menos de la mitad. La presión está en su máximo, 1,68 bar, y el pistón de potencia se mueve hacia fuera, así que el aire hace trabajo sobre él. En el modelo ideal, el extremo caliente mantiene el aire que se expande a la temperatura del extremo caliente, así que por ahí entra calor; las flechas naranjas muestran el total que entra en cada vuelta.

3. Por el regenerador hasta el extremo frío

   El pistón está cerca del final exterior de su carrera y el desplazador baja, empujando aire por el conducto hacia el espacio frío. Por el camino, el aire cede calor a las mallas, más calientes abajo y más frías arriba, así que llega ya frío. Hay menos aire en el espacio caliente (24 %), así que la presión baja: 1,27 bar aquí.

4. Comprimir el aire frío

   Ahora solo el 5 % del aire está en el espacio caliente, la presión es baja (1,08 bar) y el pistón vuelve hacia dentro. Empujar hacia dentro a baja presión cuesta menos trabajo del que dio el aire caliente a alta presión. En el gráfico, el punto recorre el lazo en sentido horario, y el área encerrada es el trabajo neto: 1,54 J por vuelta a 400 °C. Las aletas se llevan el calor de la compresión; las flechas azules muestran el calor neto que se cede a 25 °C en cada vuelta. En el siguiente viaje hacia abajo, las mallas devuelven al aire el calor que guardaron.

5. Sin diferencia de temperatura no hay trabajo

   Aquí el extremo caliente está a 25 °C, como el frío, y la lámpara está apagada. Con el mismo ángulo de cigüeñal que en el paso 2, el 59 % del aire está en el espacio caliente en vez del 43 %: el aire frío es más denso. El desplazador sigue moviendo el aire, pero ahora la presión depende solo del volumen, así que es la misma a la ida que a la vuelta. El lazo se cierra en una línea sin área y el trabajo neto es cero. Las lecturas siguen mostrando 1,53 J de calor que entran por un extremo y salen por el otro en cada vuelta; eso se debe a que el modelo ideal mantiene cada espacio a la temperatura de su pared, algo que según Urieli no hacen los motores reales, y no aporta nada porque sale lo mismo que entra. Sube la temperatura del extremo caliente y mira cómo se abre el lazo.

Las piezas principales

Extremo caliente

La llama de una lámpara de alcohol calienta la gruesa culata caliente, abajo del cilindro del desplazador, y la parte baja de su pared. El espacio bajo el desplazador es el espacio caliente. La culata se vuelve de un rojo más oscuro al subir la temperatura del extremo caliente, y la llama crece. La lámpara está apagada cuando no hay diferencia de temperatura y cuando el ciclo se hace funcionar al revés como bomba de calor, y arde baja cuando las manivelas van en fase o en oposición, porque entonces el ciclo no absorbe calor.

Aletas

Unas aletas alrededor de la parte alta del cilindro del desplazador ceden calor al aire de la sala y mantienen cerca de 25 °C el espacio sobre el desplazador, el espacio frío. La culata fría de arriba lleva el prensaestopas, con empaquetadura para que el gas no se escape a lo largo del vástago del desplazador.

Desplazador

Un tapón ligero de 68 mm de diámetro en un cilindro de 70 mm. La presión es la misma por encima y por debajo, así que nunca tiene que retener el gas, solo moverlo. Hay gas a los dos lados, así que al moverlo cambia dónde está el gas, no cuánto espacio tiene: al subir empuja gas del espacio frío por el conducto hasta el espacio caliente, y al bajar hace lo contrario. Un aro de cierre cerca de su parte alta impide que el gas pase por su costado, así que el gas atraviesa el regenerador. Su vástago, su horquilla y su manivela los mueve el cigüeñal.

Regenerador

Un conducto junto al cilindro une el espacio caliente (abajo) con el espacio frío (arriba). Casi todo él está relleno de finas mallas de alambre, el regenerador, dibujadas transparentes porque una malla es casi todo huecos. El gas que sube cede calor a las mallas y llega ya enfriado; el que baja recupera ese calor y llega calentado. Las mallas mantienen un gradiente de temperatura, dibujado de naranja abajo a azul arriba.

Pistón de potencia

Cierra contra su cilindro con dos aros. Está en un cilindro aparte unido al espacio frío por el tubo de transferencia, así que toda la carga empuja sobre él. Al subir (hacia fuera) deja sitio al gas; al bajar (hacia dentro) lo comprime. Su biela hace girar el cigüeñal.

Cigüeñal

Dos manivelas en un mismo eje, separadas el ángulo elegido, mueven el desplazador y el pistón de potencia. El volante almacena energía de la expansión y hace girar el eje mientras se comprime el gas. El radio de color muestra el giro del eje.

Bastidor

La base, los tres postes y brazos que sostienen los cojinetes del cigüeñal, el pedestal bajo el cilindro de potencia, la camisa de la lámpara bajo la culata caliente y la banda aislante oscura que une las secciones caliente y fría del cilindro del desplazador.

Puntos de gas

Dentro hay sellado alrededor de un cuarto de gramo de aire. Cada punto representa el 1 % de ese aire, así que contar los puntos de un espacio da su parte. El aire caliente es menos denso, así que un espacio caliente tiene menos puntos que uno frío del mismo tamaño. El color indica la temperatura del gas: azul a 25 °C y naranja a 525 °C. Los puntos se dibujan en la mitad abierta de cada espacio y de sus conductos; los pocos que están en la holgura de 1 mm alrededor del desplazador se cuentan pero no se dibujan.

Flechas de calor

Flechas dibujadas, no piezas. Las flechas naranjas en la culata caliente muestran el calor que entra por ahí en cada vuelta. Las azules junto a las aletas muestran el calor neto que cede en cada vuelta todo el gas a 25 °C: el espacio frío cede más que eso, mientras que el gas del cilindro de potencia absorbe algo al expandirse. Su longitud es proporcional a la cantidad y no cambia durante la vuelta. Si el motor funciona como bomba de calor, las flechas se invierten, y el calor del extremo caliente se dibuja saliendo por el costado de la culata caliente. Con el extremo caliente a temperatura ambiente no se dibujan flechas: sigue pasando calor (ver las lecturas), pero nada viene de la lámpara.

Preguntas que vale la pena explorar