El blog de Moebius

10Jul/121

Stirling Robert

 

Tenemos que remontarnos a la antigüedad para mayor comprensión, la ciencia helénica empezó en la ciudad de Alejandría, provincia romana en Egipto, donde durante varios siglos surgieron los primeros destellos de genialidad. Uno de estos genios fue Herón de Alejandría, que demostró su actitud para la mecánica, descubriendo, aunque de forma arcaica, los principios de la ley de acción y reacción. Su mayor logro fue la invención de la primera máquina que usaba el  vapor para su funcionamiento, conocida como eolípila, y la Fuente de Herón, cuya aplicación práctica en los templos le granjearon el pseudónimo de El Mago.

La eolípila era una sencilla máquina que consistía en una esfera hueca a la que se le adaptaban dos tubos curvos. El interior de la esfera estaba repleto con agua, la que se hacía hervir provocando que por los tubos arrancara el vapor, haciendo girar la bola muy rápido.

Herón de Alejandría  es considerado uno de los científicos e inventores más grandes de la antigüedad y su trabajo es representativo de la tradición científica helenista.

Robert Stirling, nació el 25 octubre 1790, murió el 6 junio 1878 fue un clérigo escocés, e inventor del motor de Stirling .

Inventó lo que él llamó economizador de calor, un dispositivo para mejorar la eficiencia térmica del combustible de una variedad de procesos industriales, la obtención de una patente para el economizador y un motor que lo incorporaba fue en 1816.

El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor ya que debido a la mala calidad de los materiales y la alta presión a las que estaban sometidas producían grandes accidentes entre los trabajadores, en pocas palabras tendían a explotar..

Robert, junto con su hermano James un ingeniero, sacó varias patentes adicionales para mejoras en el motor de aire y en la década de 1840, James construyó un motor de aire de gran tamaño para hacer funcionar toda la maquinaria de la Foundry Company Dundee .

El principio básico del funcionamiento del motor  ideado por Stirling es calentar y enfriar la cámara de trabajo donde se encuentra aire a presión atmosférica. Al calentar la cámara  conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento del pistón para desplazar por medio de una biela un volante de inercia 180 grados de giro,.

Posteriormente, el segundo pistón al enfriarse su cámara reduce el volumen del aire consiguiendo que el volante regrese a la posición de inicio. El motor trabajará siempre con el mismo aire, por lo que el motor debe ser hermético.

La base teórica del motor Stirling , el ciclo Stirling , no se entiende completamente hasta la investigación de Sadi Carnot (1796-1832).

Nicolas Léonard Sadi Carnot, en 1824 publicó el libro Reflexiones sobre la energía a partir del fuego , dio la primera cuenta de éxito teórica de los motores de calor , ahora conocida como el ciclo Carnot , su libro también sentó las bases para la segunda ley de la termodinámica . A menudo se le describe como el "Padre de la termodinámica", siendo responsable por conceptos tales como la eficiencia Carnot , el teorema Carnot , el motor térmico Carnot , y otros.

El llamado motor de Carnot trabaja cuando le damos una cantidad de calor Qe desde una fuente a alta temperatura y le eliminamos un calor Qs hacia otra fuente a baja temperatura, produciendo un trabajo W. El rendimiento viene definido, como en todo proceso cíclico, por:

En el proceso A-B le damos calor al aire del cilindro, manteniendo la temperatura constante e igual a la de la fuente a alta temperatura TA. Esto provoca un aumento de volumen y de presión, por lo cual, todo el calor transferido es convertido en trabajo.

En el proceso B-C se permite una expansión adiabática sin intercambio de calor con el exterior, a fin de disminuir la temperatura y a costa de perder presión.

En el proceso C-D se pone en contacto el sistema con la fuente de calor a baja temperatura TB y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema.

Por último, en el proceso D-A se mantiene aislado térmicamente el sistema mientras se comprime, con lo cual aumenta su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema.

Analizando los valores del calor que entra y que sale, se demuestra que la expresión del rendimiento se transforma en (con las temperaturas TA y TB expresadas en grados Kelvin):

y de esta expresión se deducen dos consecuencias:

1. El rendimiento de Carnot sólo depende de las temperaturas máxima y mínima que se alcanzan en el ciclo.

2. El rendimiento es tanto mayor cuanto más elevada es la temperatura alta y cuanto menor es la temperatura baja.

Estas consecuencias permitieron al físico corroborar por qué las máquinas de vapor tenían mejor rendimiento cuanto mayor temperatura alcanzaban, mejorando su funcionamiento en Francia con el uso del carbón en lugar de la leña. Además, Carnot enunció otros dos principios:

No existe ninguna máquina que genere trabajo de forma continua si sólo le damos energía calorífica y no la refrigeramos. Este principio es una de las definiciones de la llamada segunda ley de la Termodinámica.

No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos temperaturas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot.

Tipos de motores Stirling

Motores Alfa

Consta de dos cilindros independientes conectados por un tubo en el que está el regenerador que almacena y cede el calor, en cada uno de los cilindros, los pistones se mueven 90 grados desfasado el uno respecto al otro. El cilindro se calienta con mechero de gas mientras que el otro se enfría mediante aire o agua. El desfase entre los dos pistones hace que el aire, pase de un cilindro a otro calentándose, enfriándose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor.

Motores Beta

Este tipo de motores era el original de Stirling. En el interior del cilindro esta el desplazador cuya misión es pasar el aire de la zona fría a la caliente y viceversa.

Mediante un cigüeñal especial se origina el movimiento del pistón y el desplazador que están desfasados 90 grados, lo que permite que el motor funcione. Desde el punto de vista termodinámico es el motor más eficaz, pero su construcción es complicada ya que el pistón debe de tener dos bielas y permitir el paso del vástago que mueve el desplazador.

Motor Gama

Este tipo esta derivado del beta, pero es mas sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados en uno de los cuales se sitúa el desplazador y en otro el pistón de potencia.

Desde el punto de vista termodinámico es menos eficaz que el tipo beta , puesto que la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.

En los años 30 la industria trató de proporcionar energía para iluminar con bombillas incandescentes y el funcionamiento de receptores de radio en las regiones escasamente pobladas, o donde no había ninguna fuente de alimentación.

Por esta razón, en 1938 la empresa Philips comenzó a desarrollar una máquina de aire caliente con un motor Stirling .

En 1952 el trabajo ya había avanzado lo suficiente como para fabricar  un generador de energía con un motor Stirling. Este generador nunca entró en producción en masa.

MP1002CA.Energía aproximada 0,3 kW , velocidad: 1500 rpm

El pájaro bebedor fue inventado por Miles V. Sullivan y desarrollado por George H. Shackley en 1945 y patentado en 1946. La patente se titula "Dispositivo de entretenimiento activado".

Todo empieza con un vaso de agua que se encuentra del pájaro. El pájaro se ponía en posición vertical y permanecía allí durante un tiempo hasta que el liquido ascendía por evaporación por el tubo hacia el bulbo superior que se encontraba en la cabeza, esto hacia que el ave bajara la cabeza introduciendo el pico dentro del agua, cosa que enfriaba dicho bulbo y condensaba el liquido que inmediatamente descendía hacia la cola incorporando nuevamente el ave.

El ave obtiene su energía de calor ambiental, pero necesita un disipador  frío para cambiar de posición. Por supuesto, el ave no bajará si la temperatura ambiente es demasiado fría para permitir que el líquido se evapore, y no va a enderezarse si la temperatura ambiente es demasiado caliente para permitir que el líquido se licue.

Esto no es un motor en la práctica, aunque en la década de 1970 una revista de humor, lo reflejo como principios de conservación de la energía.

1970 el Dr. Kruisinga  ministro de Asuntos Sociales y el autobús silencioso y sin emisiones, con un motor Stirling Philips. Este autobús se encuentra todavía en Eindhoven pero ahora está equipada con un motor diesel DAF. El Proyecto Stirling fue lamentablemente abandonado por una razón desconocida hasta ahora. Hay sin duda un futuro para la aplicación de este motor.

 

Dr.Meijer asesor científico de Philips Research Laboratories en Eindhoven y líder del grupo de investigación de la máquina de Stirling, en un coche de gasolina  y un modelo de segunda generación de un motor Stirling. En 1972, Philips vendió los derechos de licencia del motor de aire caliente a Ford.

El motor Stirling puede ser muy adecuado para los sistemas de energía bajo el agua donde se requiere el trabajo eléctrico o de energía mecánica en un nivel intermitente o continuo.

Astillero sueco Kockums ha construido con éxito 8 submarinos con motor Stirling desde finales de 1980. Llevan oxígeno comprimido para permitir la combustión sumergida, que proporciona calor para el motor Stirling. Ellos se utilizan actualmente en los submarinos de los Gotland y Södermanland clases. Son los primeros submarinos en el mundo que ofrece el Stirling independiente de aire de propulsión, que se extiende su resistencia bajo el agua desde unos pocos días hasta varias semanas.

Están equipados con un Motor Stirling auxiliar el que usa oxígeno líquido y combustible diésel para activar generadores de 75 kilowatt ya sea para propulsión o para cargar las baterías. La autonomía que permite el AIP para las naves de 1500 toneladas es aproximadamente 14 días a una velocidad de 5 nudos (9 km/h).

Kockums además ha entregado motores Stirling a Japón. Los nuevos submarinos Japoneses estarán equipados con motores Stirling. La primera nave, el Soryu , de esta clase fue lanzada el 5 de diciembre del 2007 y entró en operación durante el año 2009.

 

La NASA ha desarrollado un motor Stirling se conoce como radioisótopo de Stirling (SRG)
Está diseñado para generar electricidad en el espacio profundo donde no llega la luz solar para la prueba de duración misiones. La fuente de calor es un sólido seco de combustible nuclear y la fuente de frío es el espacio
misma. Este dispositivo produce aproximadamente cuatro veces más energía eléctrica que el combustible de plutonio de un generador termoeléctrico de radioisótopos. Estos generadores han sido ampliamente probados. El extremo caliente del convertidor Stirling alcanza 650 ° C.
La salida de potencia del generador será mayor de 100 W al principio
de la vida, pero el desgaste de plutonio disminuirá la fuente de calor. Sin embargo el control del sistema permite muy una larga vida.

 

Energía solar

Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera).

En Argentina, la Universidad Nacional de General Sarmiento, elaboró un dispositivo mecánico de alta eficiencia, a través de una parábola solar y un motor Stirling generar electricidad.

En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes dispositivos parabólicos que reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento.

Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica. Es de esperar que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran escala unidades pequeñas de ese mismo tipo,  como por ejemplo con capacidad de producir unos 200 a 400 kWh al mes, equipos de 1 a 2 kW de potencia aproximadamente; especialmente para los países situados entre los trópicos, pues en estas zonas la cantidad de radiación solar es grande a lo largo de todo el año y a su vez es la región donde hay más población dispersa.

Jueves, 24 de noviembre de 2011

La eléctrica ENDESA de España, ha anunciado su participación en el proyecto Solardis, con el que se pretende demostrar la viabilidad técnica y económica de la tecnología de generación solar Stirling, la menos desarrollada de las propuestas de generación de electricidad mediante energía solar térmica de alta temperatura.

El proyecto Solardis está tiene un presupuesto de 1,7 millones de euros y prevé la construcción de una planta de demostración para validar a nivel comercial la tecnología del concentrador Stirling. La factoría se ubicará en la localidad sevillana de Guillena, junto a la central de Endesa. El objetivo principal del proyecto es el desarrollo de un concentrador solar que permita hacer viable la tecnología Stirling frente a otras tecnologías termoeléctricas tales como Torre, Fresnel o Cilindro Parabólico, para un motor Stirling de 10 kW. En el proyecto, financiado por el Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), dependiente del ministerio de Ciencia e Innovación, participan también las empresas Alener y Tadarsa.

Criogenia Stirling

Uno de sus usos modernos es la criogenia , y en menor medida, la refrigeración . A temperaturas de refrigeración típicos, enfriadores Stirling generalmente no son económicamente competitivos con los convencionales menos costosos Rankine sistemas de refrigeración, debido a que son menos eficientes. Sin embargo, por debajo de aproximadamente -40 ° a -30 ° C, enfriamiento de Rankine no es eficaz porque no hay refrigerantes adecuados con puntos de ebullición tan bajos. Sistemas de refrigeración criogénicos Stirling son capaces de levantar temperaturas de -200 ° C, lo cual es suficiente para licuar aire (específicamente el componente principal los gases de oxígeno , nitrógeno y argón ).. Los sistemas de refrigeración criogénicos para este propósito son más o menos competitivas con las tecnologías cryocooler otros. El coeficiente de rendimiento a temperaturas criogénicas es típicamente desde 0,04 hasta 0,05 (correspondiente a un% de eficiencia 4-5). Empíricamente, los dispositivos muestran una tendencia lineal, donde normalmente la COP = 0,0015 × T c - 0.065, donde Tc es la temperatura criogénica. A estas temperaturas, los materiales sólidos tienen valores más bajos de calor específico, por lo que el regenerador se debe hacer a partir de materiales inesperados, como el algodón.

La primera cryocooler ciclo Stirling fue desarrollado por Philips en los años 1950 y comercializado en lugares como el aire líquido las plantas de producción. El negocio de Philips Criogenia evolucionado hasta que se separó en 1990 para formar la Stirling Criogenia BV, Países Bajos. Esta empresa aún está activa en el desarrollo y fabricación de Sistemas de refrigeración criogénicos Stirling y sistemas de refrigeración criogénicos.

La inseminación artificial en la Argentina

En agosto de 2011 se instaló el StirLIN-1, en Savani Tambos SA en la localidad de  Bragado, Argentina. Esta planta tiene una capacidad de producción de 5 litros de nitrógeno líquido por hora y hasta 120 litros de nitrógeno líquido por día.
Savani Tambos SA produce el nitrógeno líquido y lo vende a compañías de inseminación artificial en su región.
Sus consumidores están utilizando el nitrógeno líquido para almacenamiento a largo plazo de semen. La baja temperatura de -196 º C   evita el deterioro de la calidad biológica.

 

 

 

 

 

 

 

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  1. It´s very intresting, congratulations


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