Motor de aire caliente

Un motor de aire caliente ^{[ 1 ]} (históricamente llamado motor de aire o motor calórico ^{[ 2 ]} ) es cualquier motor térmico que utiliza la expansión y contracción del aire bajo la influencia de un cambio de temperatura para convertir la energía térmica en trabajo mecánico . Estos motores pueden basarse en varios ciclos termodinámicos que abarcan tanto dispositivos de ciclo abierto como los de Sir George Cayley ^{[ 3 ]} y John Ericsson ^{[ 4 ]} y el motor de ciclo cerrado de Robert Stirling . ^{[ 5 ]} Los motores de aire caliente son distintos del motor de combustión interna y del motor de vapor, más conocidos .

En una implementación típica, el aire se calienta y se enfría repetidamente en un cilindro , y la expansión y contracción resultantes se utilizan para mover un pistón y producir trabajo mecánico útil .

El término «motor de aire caliente» excluye específicamente cualquier motor que realice un ciclo termodinámico en el que el fluido de trabajo experimente una transición de fase , como el ciclo Rankine . También se excluyen los motores de combustión interna convencionales , en los que se añade calor al fluido de trabajo mediante la combustión del combustible dentro del cilindro. Los motores de combustión continua, como el Ready Motor de George Brayton y la turbina de gas relacionada , podrían considerarse casos límite.

La propiedad expansiva del aire caliente era conocida por los antiguos. La Pneumatica de Herón de Alejandría describe dispositivos que podrían usarse para abrir automáticamente las puertas de los templos cuando se encendía un fuego en un altar de sacrificios. Se han registrado dispositivos llamados motores de aire caliente, o simplemente motores de aire , desde 1699. En 1699, Guillaume Amontons (1663-1705) presentó a la Real Academia de Ciencias de París un informe sobre su invención: una rueda que giraba gracias al calor. ^{[ 6 ]} La rueda estaba montada verticalmente. Alrededor del cubo de la rueda había cámaras llenas de agua. Las cámaras llenas de aire en el borde de la rueda se calentaban con un fuego debajo de un lado de la rueda. El aire caliente se expandía y, a través de tubos, forzaba el agua de una cámara a otra, desequilibrando la rueda y haciéndola girar.

Ver:

• Amontons (20 de junio de 1699) "Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machine" (Medios para sustituir convenientemente la acción del fuego por la fuerza de hombres y caballos para mover máquinas [es decir, potencia]), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences , páginas 112-126. Las Mémoires aparecen en la Histoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699 , que se publicó en 1732. El funcionamiento del moulin à feu (molino de fuego) de Amontons se explica en las páginas 123-126; Esta máquina está ilustrada en la placa siguiente a la página 126.
• Para una descripción de la rueda impulsada por fuego de Amontons en inglés, véase: Robert Stuart, Historical and Descriptive Anecdotes of Steam-engines and of Their Inventors and Improvers (Londres, Inglaterra: Wightman and Cramp, 1829), vol. 1, páginas 130-132 ; una ilustración de la máquina aparece en ^{[ 7 ]} alrededor de la época en que se establecieron por primera vez las leyes de los gases , y las primeras patentes incluyen las de Henry Wood , vicario de High Ercall cerca de Coalbrookdale Shropshire (patente inglesa 739 de 1759) y Thomas Mead , un ingeniero de Sculcoats Yorkshire (patente inglesa 979 de 1791), ^{[ 8 ]} esta última en particular contiene los elementos esenciales de un motor de tipo desplazador (Mead lo denominó transferidor). Es improbable que alguna de estas patentes haya dado como resultado un motor real y el primer ejemplo funcional fue probablemente el motor de gas de horno de ciclo abierto del inventor inglés Sir George Cayley c. 1807 ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Es probable que la máquina de aire de Robert Stirling de 1818, que incorporaba su innovador economizador (patentado en 1816), fuera la primera máquina de aire en funcionamiento práctico. ^{[ 11 ]} El economizador, ahora conocido como regenerador , almacenaba el calor de la parte caliente de la máquina a medida que el aire pasaba al lado frío y lo liberaba al aire enfriado al regresar al lado caliente. Esta innovación mejoró la eficiencia de la máquina de Stirling y debería estar presente en cualquier máquina de aire que se denomine propiamente máquina Stirling .

Stirling patentó, junto con su hermano James, un segundo motor de aire caliente en 1827. Invirtieron el diseño, de modo que los extremos calientes de los desplazadores quedaran debajo de la maquinaria, y añadieron una bomba de aire comprimido para aumentar la presión del aire interior hasta aproximadamente 20 atmósferas. Chambers afirma que el proyecto fracasó debido a defectos mecánicos y a la acumulación imprevista de calor, que no se extraía completamente mediante los tamices o pequeños conductos en la parte fría del regenerador, cuya superficie externa no era lo suficientemente grande como para disipar el calor no recuperado cuando el motor funcionaba con aire altamente comprimido.

Parkinson y Crossley, en 1828, patentaron un motor de aire caliente. En este motor, la cámara de aire, sumergida en agua fría, está parcialmente expuesta al frío exterior, mientras que su parte superior se calienta con vapor. Un depósito interno se mueve verticalmente dentro de la cámara, desplazando el aire y exponiéndolo alternativamente a las temperaturas del agua fría y del vapor caliente, lo que modifica su temperatura y su expansión. Estas fluctuaciones provocan el movimiento alternativo de un pistón dentro de un cilindro, a cuyos extremos está conectada la cámara de aire.

En 1829, Arnott patentó su máquina de expansión de aire, en la que se coloca un fuego sobre una rejilla cerca del fondo de un cilindro cerrado, el cual se llena con aire fresco recién introducido. Un pistón suelto se eleva para que todo el aire del cilindro superior pase a través de un tubo que atraviesa el fuego, donde adquiere una mayor elasticidad que tiende a la expansión o aumento de volumen que el fuego le proporciona.

Al año siguiente (1830), el capitán Ericsson patentó su segundo motor de aire caliente. La especificación lo describe con mayor detalle como una «cámara circular en la que un cono gira sobre un eje mediante láminas o aletas, expuestas alternativamente a la presión del vapor; estas láminas o aletas se mueven a través de ranuras u aberturas de un plano circular que gira oblicuamente y, por lo tanto, se mantiene en contacto con el lateral del cono».

Ericsson construyó su tercer motor de aire caliente (el motor calórico) en 1833, «que despertó tanto interés hace unos años en Inglaterra; y que, si llegara a funcionar en la práctica, demostraría ser el invento mecánico más importante jamás concebido por la mente humana, y uno que aportaría mayores beneficios a la vida civilizada que cualquier otro que lo haya precedido. Pues su objetivo es la producción de energía mecánica mediante el calor, con un consumo de combustible tan mínimo, que el hombre dispondría de una fuerza mecánica prácticamente ilimitada en regiones donde hoy en día apenas se puede decir que existe combustible».

En 1838 se patentó el motor de aire caliente de Franchot, sin duda el motor de aire caliente que mejor cumplía con los requisitos de Carnot.

Hasta ahora, todos estos motores de aire habían fracasado, pero la tecnología estaba madurando. En 1842, James Stirling, hermano de Robert, construyó el famoso motor Stirling de Dundee. Este duró al menos dos o tres años, pero luego se dejó de fabricar debido a fallos técnicos. El desarrollo de los motores de aire caliente es una historia de ensayo y error, y transcurrieron otros veinte años antes de que pudieran utilizarse a escala industrial. Los primeros motores de aire caliente fiables fueron construidos por Shaw, Roper y Ericsson. Se fabricaron varios miles de ellos.

Los motores de alta temperatura encontraron un mercado para el bombeo de agua (principalmente a los depósitos domésticos), ya que la entrada de agua proporcionaba el frío necesario para mantener la diferencia de temperatura. También se utilizaron en otros ámbitos comerciales.

• Hayward, Tyler & Co de Londres. Máquinas para bombear agua y hacer funcionar punkahs c. 1876-1883. ^{[ 12 ]}
• Louis Heinrici , Mechanische Werkstätten für Präzisionsarbeiten, Zwickau en Sajonia. 1884-
• Hayward-Tyler & Co de Londres. Suministro de agua doméstico (patente de Rider) c. 1888-1901. ^{[ 13 ]}
• WH Bailey & Co, Salford. Motores para bombear agua doméstica y operar maquinaria de establos c. 1885-1887 ^{[ 14 ]}
• Adam Woodward & Sons, Ancoats, Manchester. Patente de Robinson. c. 1887 ^{[ 15 ]}
• Norris & Henty, Londres. Distribuidores de máquinas de bombeo tipo 'Robinson'. c. 1898-1901 ^{[ 16 ]}
• CH Delamater & Co, Delamater Iron Works, Nueva York. Motor tipo 'Rider' y 'Ericsson'. Década de 1870-1898.
• Compañía de Motores Rider, Walden, Nueva York. 1879-1898
• Compañía de motores Rider-Ericsson , Walden, Nueva York. 1898-

Un ciclo termodinámico de un motor de aire caliente puede estar compuesto (idealmente) por 3 o más procesos (normalmente 4). Los procesos pueden ser cualquiera de los siguientes:

• proceso isotérmico (a temperatura constante, mantenida mediante la adición o eliminación de calor procedente de una fuente o sumidero de calor)
• proceso isobárico (a presión constante)
• Proceso isométrico/isocórico (a volumen constante)
• proceso adiabático (no se añade ni se elimina calor del fluido de trabajo)
  • Proceso isoentrópico , proceso adiabático reversible (no se añade ni se elimina calor del fluido de trabajo, y la entropía es constante).
• proceso isoentálpico (la entalpía es constante)

Algunos ejemplos (no todos los ciclos de aire caliente, tal como se definieron anteriormente) son los siguientes:

Otro ejemplo es el ciclo de Vuilleumier . ^{[ 17 ]}

• Motor Stirling
• Motor térmico termoacústico
• Motor con disfraz de Manson
• Motor de vacío
• Motor térmico de Carnot
• Cronología de la tecnología de motores térmicos

• Introducción a las máquinas de ciclo Stirling
• Pioneros en el diseño de motores aeronáuticos (Seleccione la biografía deseada)
• Aparato para el método de diferenciación de calor. Patente de Vuilleumier.
• Investigación sobre los motores de aire caliente del siglo XIX.