Aplicaciones: Refrigeración

Cuando hablamos de motor Stirling, estamos cometiendo un error. Para ser correctos deberíamos hablar de Maquinas de Ciclo de Stirling, ya que la mayoría de estas maquinas no solo pueden trabajar como motor entre dos focos a distinta temperatura, sino que también como bomba de calor transfiriendo calor del foco frío al caliente.
Cada maquina está siempre diseñada para obtener el mayor rendimiento posible para aquella función para la que se ideó, por lo cual no siempre es posible utilizar una maquina Stirling diseñada como motor para refrigeración.
La utilización del ciclo de Stirling para refrigeración es una posibilidad más. Se podrían diseñar maquinas que funcionaran en ambos sentidos para climatizar viviendas o locales, actuando como una bomba de calor en invierno y como aire acondicionado en verano.
Resulta curioso que uno de los usos con mayor consistencia comercial haya sido precisamente en refrigeración criogénica, aun cuando se diseñara inicialmente como maquina para producir trabajo.
El ciclo de Stirling actualmente no es competitivo con los ciclos habituales en refrigeración, sin embargo cuando la exigencia es de temperaturas a obtener desciende por debajo de los 40ºC bajo cero (233ºK) aproximadamente, entonces tiene una viabilidad demostrada comercialmente.
En los años 50 Philips desarrollo un refrigerador basado en el ciclo de Stirling para la producción de Aire Liquido. el negocio de Criogénia de Philips se desarrollo hasta que se independizó de la casa matriz en el año 1990, constituyéndose como la empresa Stirling Cryogenics & Refrigeration BV, radicada en Holanda.
Si pulsáis el enlace podréis visitar su pagina en donde tienen amplia información sobre sus productos y aplicaciones (esta en inglés, y el flash puede dar problemas con algún navegador, Firefox va bien).
Para finalizar aquí tenéis una gráfica extraída de la misma pagina donde se comparan los rendimientos de distintos procesos de refrigeración según la temperatura a alcanzar. En orden de arriba a abajo en las lineas, la azul es mediante evaporación, la naranja es el ciclo de Stirling, la granate es el ciclo de Claude y la rosa es por el efecto Joule Thomson.

 

Gráfica Criogenia

Aplicaciones: Recuperación de Energía

El MS solo necesita de un diferencial de temperatura para poder generar energía mecánica, convirtiéndolo en una alternativa donde otro tipo de maquinas no tienen opción. Por lo general para producir trabajo a través de otras maquinas térmicas necesitamos un aporte térmico de alta calidad, es decir a alta temperatura, para lo cual necesitamos combustibles específicos que se adapten a la maquina.Así para los motores de combustión interna necesitamos gasolinas o gasoleos, para una turbina de gas necesitamos gas natural o para una turbina de vapor como la de las centrales de carbón o nucleares necesitamos calentar el agua por encima de los 400ºC.Sin embargo el MS puede funcionar simplemente con el calor de tu mano o el desprendido de una taza de café humeante. Es por ello que el MS puede aprovechar una infinidad de energías residuales de dificil uso por otras máquinas. Aunque es cierto que los rendimientos son menores, estamos recuperando energía que de otro modo se perdería en el ambiente, aumentando el rendimiento total de los sistemas.Solo voy a mencionar algunos ejemplos donde podría ser utilizado.

• Gases de escape de un motor de combustión interna. Los MCI tienen unos rendimientos entre el 25 y el 40 %, el resto se va en el calor de los gases de escape. Imaginemos un MCI supereficiente con rendimiento del 40%. El 60% de la energía contenida en el combustible se pierde en forma de calor. Si utilizamos un MS con un rendimiento teórico del 50% (calculado por la diferencia de temperatura de los gases con el ambiente). Apliquemos un factor del 50% en el aprovechamiento práctico.

0,5 x 0,5 = 0,25 Rendimiento total del MS = 25%0,6 x 0,25 = 0,15 Recuperamos el 15% de la energía contenida en el combustible.Rendimiento total del sistema40% + 15% = 55%Dicho de otra manera hemos aumentado el aprovechamiento del combustible un 37% (15/40 x 100) o dicho de otra manera para recorrer una misma distancia consumiriamos solo el 73% del combustible inicial, ahorrando un 27%.

• Refrigeración de centrales de Carbón y Nucleares. De las turbinas de vapor de estas centrales sale vapor con una considerable energía térmica (para evitar daños en los alabes de las turbinas no se puede condensar gotas de agua en las mismas), que tiene que ser condensado. La energía que se libera en esta condensación podría ser aprovechada por un MS para generar electricidad reduciendo las necesidades de refrigeración.
• Energía geotérmica. Para poder aprovechar la energía geotérmica para generar electricidad necesitamos alcanzar temperaturas superiores a 150ºC. Esto deja a muchos yacimientos sin posibilidades de explotación, que sin embargo podrían ser utilizados marginalmente por motores Stirling.

 

Aplicaciones: Automóvil

La principal razón del desarrollo de los motores de combustión interna la ha tenido el sector del Automóvil. Tras los primeros desarrollos con maquinas de vapor y coches eléctricos, los MCI, tanto en su versión Diesel como Otto, acabaron por imponerse en estos vehículos tanto por la conveniencia de su fuente de energía, combustibles líquidos relativamente seguros y fáciles de manejar, como por la ligereza de los propios motores.Por sus características el MS no parece muy indicado para este uso: es lento en su arranque (necesita calentarse) y no responde con la rapidez necesaria a las variables necesidades de potencia que exige la circulación viaria. Estos problemas son irresolubles a menos que aparezca una solución realmente innovadora en su diseño.

Aplicaciones: Energía Solar.

Uno de los usos más prometedores del Motor Stirling (MS), es el aprovechamiento de la radiacion solar. Como ya sabemos para hacer funcionar un MS necesitamos un gradiente de temperatura, el cual la podemos obtener del Sol. Al no necesitar una combustión, podemos concentrar el calor del Sol para hacer funcionar nuestro motor. Para concentrar la radiacion solar se están ensayando en la actualidad discos parabolicos de material reflectante que concentran la radiación en su foco en donde se situa el MS. Podeis ver ejemplos de esto en las paginas de la Plataforma Solar de Almeria y la empresa estadounidense Stirling Energy Systems.Los actuales aprovechamientos de la energia solar son mediante paneles fotovoltaicos o de paneles termicos para la produccion de ACS y calefacción. Los paneles fotovoltaicos tienen un rendimiento a día de hoy bastante bajo, convirtiendo entre el 10 y el 20% de la energia incidente en electricidad. Los prototipos de Stirling Solar alcanzan el 30% de conversión en energia electrica, con lo cual pueden convertirse en una alternativa para la producción de electricidad con menor ocupación del territorio.Otra forma para utilizar el MS está en la recuperación de energía en los sistemas de energía solar térmica. Estos sistemas están diseñados para el mayor aprovechamiento de la energía, satisfaciendo las necesidades la mayor parte del año. Es por ello que se encuentran sobredimensionados para la energía que se recibe en los meses de Verano y parte de la Primavera y Otoño, cuando no se usa la calefacción y las necesidades térmicas son inferiores. Ese exceso de energía termica, lo podriamos aprovechar mediante un MS. Para el foco frio podríamos utilizar un segundo acumulador termico previo la principal que precalentara el agua que entra en el sistema, o simplemente con el ambiente. Si el diseño del MS le permitiera ser reversible, es decir, funcionar como Bomba de Calor, sería un complemento ideal para un sistema de A.C.S. y calefacción, produciendo energía eléctrica con la energía térmica excedente en los meses de verano, y como apoyo en los meses fríos de invierno. He de recordar que una bomba de calor es el modo más eficiente y ecológico de producir calor a partir de electricidad, ya que por cada unidad de energía en forma de electricidad, podemos obtener 2, 3 o más unidades en forma de calor.

Aplicaciones de los Motores Stirling: Aviación.

Con este post empiezo lo que espero que sea una serie con los distintos ambitos donde el Motor Stirling tiene la posibilidad de desarrollarse en el futuro.Para el que quiera una información más completa puede consultar la siguiente pagina en Ingles http://www.airsport-corp.com/fourpartstirling.html, de donde he sacado los graficos que ilustran este post.Uno de los usos que pueden sorprender más del motor Stirling (MS) es en la propulsión de aeronaves, y es que el MS tiene unas cualidades que lo hacen idoneo para algunas aplicaciones en aviación.