Diseño de motores Stirling: Pérdidas

En artículos anteriores he presentado las características de los motores Stirling y sus posibles aplicaciones. En este artículo voy a centrarme uno de los aspectos en los que debemos centrarnos a la hora de diseñar un buen motor Stirling: las pérdidas.
En su forma ideal, el ciclo de Stirling es capaz de obtener el máximo rendimiento de la diferencia de temperatura entre dos focos térmicos. Sin embargo, a nivel práctico no es posible obtener tales rendimientos ya que se producen distintas pérdidas en el proceso. Voy a comentar las más importantes.
Antes de hacerlo, os presento la siguiente imagen con algunas de estas pérdidas relacionadas con los flujos y las transmisiones de calor. Siento no poder enlazar a su origen, ya que la página no existe. Esta imagen la obtuve de la web de la NASA.

oscflow

Ahora veremos los cinco principales puntos de pérdidas:

Ciclo no ideal
La principal dificultad con la que nos encontramos es la de replicar el ciclo ideal. Lo idóneo en un motor típico es que cuando realizamos la compresión en el cilindro frío, no haya ningún gas en el cilindro caliente, por lo que el pistón debería estar parado en su punto muerto. Análogamente en la expansión el pistón del cilindro frío también tendría que realizar una parada. Este hecho es muy complicado de conseguir cinemáticamente en un motor del que queremos obtener un movimiento rotatorio. Las alternativas propuestas hasta ahora solo plantean aproximaciones a ese ciclo ideal, tal y como es mi diseño S-MDI.
Revisión teoría
La consecución de los movimientos para los procesos a volumen constante son menos dificultosos.

Histéresis gases
Otra fuente de pérdidas la encontramos en los volúmenes muertos derivados del diseño. Estos volúmenes muertos se encuentran en los conductos entre los dos cilindros, en el regenerador, y entre el pistón y la culata del cilindro (para evitar el impacto y deterioro del motor).
Lo ideal sería que pudiéramos comprimir todo el gas en el el foco frío y expandirlo en el caliente. Estos volúmenes muertos hacen que parte de esa expansión y compresión no se realice íntegramente dentro de los cilindros como sería deseable, ademas de actuar como amortiguadores de los mismos. Por lo tanto a la hora de diseñar un motor debemos reducir estos volúmenes lo máximo posible.

Rozamiento viscoso
El gas de trabajo dentro del motor es un fluido y por tanto tiene viscosidad. Al circular por los distintos conductos y el regenerador, se produce un rozamiento que se traduce en calor y por tanto pérdidas. La forma de solucionarlo es utilizar gases de baja viscosidad, como el Hidrógeno o el Helio. El Hidrógeno plantea problemas de contención por su baja masa molecular y además problemas de difusión en metales agravados por las altas temperaturas.

Rozamiento mecánico
Este ya es más común al resto de motores. Es debido al rozamiento del pistón con las paredes de los cilindros y la parte de transmisión (bielas, cigüeñal,….).

Transmisión térmica
Un motor Stirling trata de obtener trabajo a partir de dos focos a distinta temperatura. Es por tanto de vital importancia conseguir transmitir al fluido de trabajo adecuadamente esa energía térmica. Uno de los modos de hacerlo es aumentando las superficies de intercambio, pero esto si no se hace adecuadamente provoca un incremento de los volúmenes muertos que ya hemos visto antes. Otra solución es aumentar el tiempo para que se produzca ese intercambio de calor. Los motores de explosión funcionan a altas revoluciones lo que hace que los procesos sean adiabáticos, evitando sobrecalentamientos del motor. Los motores Stirling funcionan a muchas menores revoluciones para facilitar el intercambio. Esto tiene como consecuencia que tengamos menos ciclos por minuto y por tanto menos potencia para volúmenes similares. Es por ello que los motores Stirling son de mayor tamaño que los de combustión interna.

Como hemos visto, normalmente las soluciones que son buenas para un problema son malas para otra. Es por ello que en todo diseño de ingeniería se busque una solución de compromiso que obtenga el mayor rendimiento. No obstante siempre hay la posibilidad de una innovación suficiente para mejorar en algún aspecto sin afectar a los otros.

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