Motor Stirling, bicentenario pero aún vigente

Álbum de imágenes y vídeos.  El Motor Stirling fue desarrollado por el Reverendo Robert Stirling en 1816 para hacer la competencia a la máquina de vapor, por aquel entonces sistema por excelencia. Es un motor de combustión externa y proceso adiabático, porque no requiere quemar combustible en su interior y no transfiere calor al entorno. En aquella época fue la solución para obtener un motor más eficiente y menos peligroso que la máquina de vapor.

Motor Stirling cuenta con dos focos, uno frío y otro caliente, y un gas encerrado que se expande y contrae al entrar en contacto con cada uno de los focos. 
El mecanismo es elemental: El gas aumenta de temperatura en la zona caliente y se expande empujando al pistón del cilindro. Cuando el gas pasa al lado frío se contrae impulsando nuevamente el pistón. El proceso se repite, generando un movimiento alternativo que puede producir electricidad.  Por alabeo del volante de inercia, no nos ha funcionado nuestro maqueta.Ni con el calor en su base de un té recién hecho, ni con el calor de la mano.
Además de su valor histórico, es una maravilla física el Motor Stirling. Es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que en motores térmicos de combustión externa, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque el aprovechamiento de la energía primaria es superior, su potencia neta es mucho menor (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a pocas revoluciones. 
El ciclo Stirling real, cercano al Ciclo de Carnot, es sensible a la temperatura exterior, por lo que su eficiencia es mayor en climas fríos como durante el invierno en países nórdicos. Siempre conserva la ventaja de los motores de combustión externa, de mínimas emisiones de gases contaminantes, y la posibilidad de aceptar variadas fuentes de energía sin necesidad de combustión. 

Existe un elemento adicional al motor, llamado regenerador, que, aunque no es indispensable, obtiene mejor rendimiento. Es un intercambiador de calor interno con la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. Consiste en un medio poroso con conductividad térmica despreciable, que contiene un fluido. El regenerador divide al motor en dos zonas: una zona caliente y otra zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría durante los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. 
El ciclo de trabajo del Motor Stirling se conforma mediante dos transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante). A modo de resumen, estos son los pros y contras del Motor Stirling. 
VENTAJAS

1. Alimentación: Este motor continúa en investigación y uso debido a la versatilidad de fuentes de energía primaria aplicada al cilindro caliente: energía solar térmica, biomasa, geotérmica,... 
2. Rendimiento: El motor Stirling es el único que se aproxima al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot. 
3. Sostenibilidad: Se puede usar un proceso de combustión continua, si esa es la fuente, por lo cual se pueden reducir gran parte de las emisiones (NOx, hollines, hidrocarburos, …).
   
4. Sencillez: La mayoría de los Motores Stirling mantienen mecanismos y juntas en el foco frío, necesitando menos lubricación y con más durabilidad. Además, los mecanismos son más simples, no necesitan válvulas, el quemador puede simplificarse y las bajas presiones, permiten usar cilindros ligeros. 
5. Seguridad: Una máquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión. En comparación una máquina de vapor usaba agua en líquido y vapor, por lo que un fallo en una válvula provocaría una explosión peligrosa. 
6. Buena respuesta a las bajas temperaturas: Arrancan con facilidad, si bien despacio tras un calentamiento inicial. Funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de combustión interna, que arrancan con facilidad en temperatura templada pero dan problemas en temperaturas frías. 
7. Versatilidad: Se construyen para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio con radioactividad. Se usan para bombear agua, usando el agua como refrigerante del foco frío (a menor temperatura del agua mejor funcionamiento).  Son flexibles y reversibles ofreciendo cogeneración en invierno y refrigeración en verano. 

DESVENTAJAS

1. Alto coste: Los motores Stirling requieren  los citados intercambiadores de calor de entrada y salida, que contienen el fluido de trabajo a alta temperatura, y soportan los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera. Esto supone el uso de materiales que encaren la máquina. 
2. Gran tamaño: Si el motor trabaja con pequeños diferenciales térmicos su dimensión es grande, por culpa de los intercambiadores. Aumentar la diferencia de temperatura o la presión permite motores más pequeños. La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica. Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños compactos. 
3. Encendido lento: Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, dado que primero debe establecerse la diferencia de temperaturas entre ambos focos. 
   
4. Tipo de respuesta: Su mejor uso es para aplicaciones que requieran una potencia constante. Para ajustar el funcionamiento de un Motor Stirling se requieren mecanismos adicionales. Esto se logra con un desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo. Su utilidad se concentra en la producción eléctrica, donde lo deseable es una potencia uniforme.
5. Fluido a emplear: El hidrógeno por su baja viscosidad, alto calor específico y conductividad térmica es el fluido por excelencia en termodinámica y dinámica de fluidos; pero da problemas de confinamiento y difusión a través de los metales, aparte de ser inflamable. Generalmente se usa helio, con propiedades semejantes y siendo inerte. Otra opción es aire comprimido; al presentar riesgo de explosión, por el oxígeno, se elimina por combustión o se usa nitrógeno.

Vídeo del Centro Stirling de la Red Vasca de Ciencia, Tecnología e Innovación.N. B.: La Energía Solar Fotovoltaica dejará los motores Stirling en los museos.