El motor Stirling és un tipus de motor tèrmic que opera mitjançant la compressió i l'expansió cíclica d'un gas de treball, generalment heli, hidrogen o aire, a diferents temperatures.
Aquest motor és conegut per l'alta eficiència, el funcionament silenciós i la capacitat d'operar amb diverses fonts de calor, incloent-hi energia solar, combustibles fòssils i biomassa.
Principis de funcionament: fases del cicle
El motor Stirling segueix un cicle termodinàmic tancat, cosa que significa que el gas de treball no surt del sistema. El seu funcionament es basa en la conversió d'energia tèrmica en energia mecànica mitjançant l'expansió i la compressió del gas en diferents cambres de temperatura.
A diferència dels motors de combustió interna, no requereix explosions ni combustió dins del cilindre, cosa que el fa més silenciós i durador.
El cicle Stirling consta de quatre fases principals:
- Compressió isotèrmica : En aquesta fase, el gas de treball a la cambra freda es comprimeix a temperatura constant. Durant la compressió, el gas allibera calor a través de l'intercanviador de calor freda, cosa que en redueix el volum i augmenta la pressió dins del sistema. Aquest procés passa generalment a la part més freda del motor i és crucial per a l'eficiència del cicle.
- Escalfament isocòric (a volum constant) : Un cop comprimit, el gas es transfereix a la zona calenta del motor, passant a través del regenerador. Aquest component emmagatzema part de la calor residual del cicle anterior i el transfereix novament al gas i ajuda a millorar l'eficiència tèrmica del motor. Durant aquest procés, la pressió del gas augmenta significativament sense canvis en el volum.
- Expansió isotèrmica Quan el gas arriba a la cambra calenta, s'expandeix a temperatura constant, realitzant treball sobre un pistó o desplaçador. Aquesta fase converteix lenergia tèrmica en energia mecànica aprofitable, ja que el gas exerceix pressió sobre els components mòbils del motor. L'expansió isotèrmica és clau per maximitzar la potència del sistema sense augmentar el consum de calor de manera excessiva.
- Refredament isocòric : Finalment, el gas torna a la cambra freda, on perd calor i la seva pressió disminueix. El regenerador ajuda a recuperar part de la calor abans que el gas torni a comprimir-se a la següent fase del cicle. Aquest procés completa el cicle Stirling, assegurant que el motor funcioni de manera contínua sense pèrdua de gas de treball.
Components dun motor Stirling
Els motors Stirling poden dissenyar-se de diverses maneres, però en general compten amb els següents elements clau:
- Font de calor : És l'element que subministra l'energia tèrmica necessària per iniciar i mantenir el cicle. Pot ser una flama oberta, un concentrador solar, una resistència elèctrica o qualsevol altra font de calor externa.
- Intercanviadors de calor : S'utilitzen per escalfar i refredar el gas de treball als diferents punts del cicle. Els intercanviadors de calor inclouen tant la zona calenta com la zona freda del motor i tenen un paper fonamental en la transferència eficient denergia tèrmica.
- Regenerador : És un intercanviador tèrmic intern que millora l'eficiència del motor en emmagatzemar i alliberar calor en moments estratègics del cicle. En actuar com un emmagatzematge tèrmic intermedi, redueix la quantitat de calor que es perd a cada cicle i augmenta el rendiment global del motor.
- Pistons o desplaçadors : Són els elements mecànics que permeten l'expansió i compressió del gas dins del sistema. Els pistons de potència transformen lenergia del gas en moviment mecànic, mentre que els desplaçadors controlen el flux de gas entre les zones calenta i freda.
- Cambra d'expansió i compressió Són les àrees on el gas canvia de temperatura i volum. La cambra calenta és on el gas s'expandeix i genera feina, mentre que la cambra freda permet la compressió del gas per reiniciar el cicle.
- Eix de transmissió : Connecta el moviment dels pistons a un mecanisme de sortida d'energia, permetent que el motor Stirling pugui accionar generadors elèctrics, sistemes de refrigeració o fins i tot dispositius mecànics.
- Segells i coixinets : Aquests components garanteixen que el gas de treball romangui dins del sistema sense fuites, cosa que és crucial per a l'eficiència i durabilitat del motor. A més, minimitzen la fricció i el desgast mecànic.
Rendiment del motor Stirling
El rendiment dun motor Stirling està determinat per leficiència tèrmica i la conversió de calor en treball mecànic. La seva eficiència teòrica màxima està limitada pel cicle de Carnot, cosa que significa que pot ser superior a la dels motors de combustió interna.
Factors que influeixen en el rendiment:
- Diferència de temperatura : Com més gran sigui la diferència entre la font de calor i la zona freda, més gran serà l'eficiència del motor.
- Materials utilitzats : Components amb alta conductivitat tèrmica milloren la transferència de calor, reduint pèrdues energètiques.
- Eficiència del regenerador : Un regenerador ben dissenyat pot incrementar significativament l'eficiència, ja que minimitza les pèrdues de calor.
- Fricció i fuites : La reducció de la fricció interna i l'estanquitat del sistema ajuden a maximitzar l'aprofitament de l'energia generada.
- Velocitat d'operació Encara que els motors Stirling poden operar a baixes velocitats amb alta eficiència, un disseny optimitzat pot millorar el seu rendiment a diferents règims de treball.