Motor Stirling

Robert Stirling es considerado uno de los padres de los motores de aire caliente, junto con innovadores anteriores como Guillaume Amontons , ^{[ 6 ]} quien construyó el primer motor de aire caliente funcional en 1699. ^{[ 7 ]}

A Amontons le siguió más tarde Sir George Cayley . ^{[ 8 ]} Este tipo de máquina era de aquellas en las que el fuego está confinado y se alimenta con aire bombeado debajo de la parrilla en cantidad suficiente para mantener la combustión, mientras que la mayor parte del aire entra por encima del fuego, para calentarse y expandirse; todo, junto con los productos de la combustión, actúa entonces sobre el pistón y pasa a través del cilindro de trabajo; y como el funcionamiento es de simple mezcla, no se requiere ninguna superficie de calentamiento de metal, ya que el aire que se va a calentar se pone en contacto inmediato con el fuego.

Stirling ideó el primer motor de aire en 1816. ^{[ 9 ]} El principio del motor de aire Stirling difiere del de Sir George Cayley (1807), en el que el aire se fuerza a través del horno y se expulsa, mientras que en el motor de Stirling el aire funciona en un circuito cerrado. El inventor dedicó la mayor parte de su atención a este último.

Un motor de 2 caballos de fuerza (1,5 kW) , construido en 1818 para bombear agua en una cantera de Ayrshire, siguió funcionando durante un tiempo hasta que un operario descuidado provocó que el calentador se sobrecalentara. Este experimento demostró al inventor que, debido a la baja presión de trabajo que se podía obtener, el motor solo podía adaptarse a baja potencia, para la cual, en aquel momento, no existía demanda. 

La patente de Stirling de 1816 ^{[ 10 ]} también trataba sobre un « economizador », precursor del regenerador. En esta patente (n.º 4081) describe la tecnología del «economizador» y diversas aplicaciones en las que se puede utilizar. De ellas surgió un nuevo sistema para un motor de aire caliente.

Junto con su hermano James, Stirling patentó un segundo motor de aire caliente en 1827. ^{[ 11 ]} Invirtieron el diseño de modo que los extremos calientes de los desplazadores quedaran debajo de la maquinaria, y agregaron una bomba de aire comprimido para que el aire en el interior pudiera presurizarse a alrededor de 20 atmósferas estándar (2000 kPa) . 

Poco después (1828), los hermanos Stirling fueron seguidos por Parkinson y Crossley ^{[ 12 ]} y Arnott ^{[ 13 ]} en 1829. Parkinson y Crossley introdujeron el principio de utilizar aire de mayor densidad que la atmosférica, obteniendo así una máquina de mayor potencia en el mismo volumen. James Stirling siguió esta misma idea al construir la famosa máquina de Dundee. ^{[ 14 ]}

La patente Stirling de 1827 fue la base de la tercera patente Stirling de 1840. ^{[ 15 ]} Los cambios con respecto a la patente de 1827 fueron menores pero esenciales, y esta tercera patente dio lugar al motor Dundee. ^{[ 16 ]}

James Stirling presentó su máquina a la Institución de Ingenieros Civiles en 1845, ^{[ 17 ]} la primera máquina de este tipo que, después de varias modificaciones, fue construida y calentada eficientemente, tenía un cilindro de 30 centímetros (12 pulgadas) de diámetro, con una longitud de carrera de 60 centímetros (2 pies) y hacía 40 carreras o revoluciones en un minuto (40 rpm). Esta máquina movió toda la maquinaria en las obras de la Dundee Foundry Company durante ocho o diez meses, y previamente se encontró que era capaz de levantar 320 000 kg (700 000 libras) 60 cm (2 pies) en un minuto, una potencia de aproximadamente 16 kilovatios (21 caballos de fuerza) . Al encontrar esta potencia insuficiente para sus obras, la Dundee Foundry Company erigió la segunda máquina con un cilindro de 40 centímetros (16 pulgadas) de diámetro, una carrera de 1,2 metros (4 pies) y haciendo 28 carreras en un minuto. Cuando este motor llevaba más de dos años en funcionamiento continuo, no solo había realizado el trabajo de la fundición de la manera más satisfactoria, sino que también había sido probado (mediante un freno de fricción en un tercer motor) hasta el punto de levantar casi 687 toneladas (1.500.000 libras ) , aproximadamente 34 kilovatios (45 caballos de fuerza) .      

El motor Stirling (o motor de aire Stirling, como se le conocía entonces) fue inventado y patentado en 1816. ^{[ 18 ]} Siguió a intentos anteriores de fabricar un motor de aire, pero probablemente fue el primero en utilizarse en la práctica cuando, en 1818, un motor construido por Stirling se empleó para bombear agua en una cantera . ^{[ 19 ]} El tema principal de la patente original de Stirling era un intercambiador de calor, al que denominó « economizador » por su capacidad para mejorar el consumo de combustible en diversas aplicaciones. La patente también describía en detalle el uso de una forma del economizador en su singular diseño de motor de aire de ciclo cerrado ^{[ 20 ]} en el que ahora se le conoce generalmente como « regenerador ». El desarrollo posterior por parte de Robert Stirling y su hermano James , ingeniero, dio como resultado patentes para diversas configuraciones mejoradas del motor original, incluida la presurización, que para 1843 había aumentado la potencia de salida lo suficiente como para accionar toda la maquinaria de una fundición de hierro en Dundee . ^{[ 21 ]}

Un documento presentado por James Stirling en junio de 1845 ante la Institución de Ingenieros Civiles afirmaba que sus objetivos no eran solo ahorrar combustible, sino también crear una alternativa más segura a las máquinas de vapor de la época, ^{[ 22 ]} cuyas calderas explotaban con frecuencia, causando numerosas lesiones y muertes. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Sin embargo, esto ha sido cuestionado. ^{[ 25 ]}

La necesidad de que los motores Stirling funcionaran a temperaturas muy elevadas para maximizar la potencia y la eficiencia puso de manifiesto las limitaciones de los materiales de la época, y los pocos motores que se construyeron en aquellos primeros años sufrieron fallos inaceptablemente frecuentes (aunque con consecuencias mucho menos desastrosas que las explosiones de calderas). ^{[ 26 ]} Por ejemplo, el motor de la fundición de Dundee fue sustituido por un motor de vapor tras tres fallos en los cilindros calientes en cuatro años. ^{[ 27 ]}

Tras la sustitución del motor de la fundición de Dundee, no hay constancia de que los hermanos Stirling volvieran a participar en el desarrollo de motores de aire, y el motor Stirling nunca más compitió con el vapor como fuente de energía a escala industrial. (Las calderas de vapor se estaban volviendo más seguras y las máquinas de vapor más eficientes, lo que las convertía en un objetivo menos atractivo para los motores primarios rivales). Sin embargo, a partir de 1860, se produjeron en cantidades considerables motores más pequeños del tipo Stirling/aire caliente para aplicaciones que requerían fuentes fiables de baja a media potencia, como el bombeo de aire para órganos de iglesias o la elevación de agua. ^{[ 28 ]}

Estos motores más pequeños generalmente funcionaban a temperaturas más bajas para no agotar los materiales disponibles, por lo que eran relativamente ineficientes. Su principal ventaja era que, a diferencia de las máquinas de vapor, podían ser operados con seguridad por cualquier persona capaz de controlar un fuego. El catálogo de 1906 de Rider-Ericsson Engine Co. afirmaba que "cualquier jardinero o empleado doméstico común puede operar estos motores y no se requiere un ingeniero con licencia o experiencia". Varios tipos se mantuvieron en producción más allá de finales de siglo, pero, aparte de algunas mejoras mecánicas menores, el diseño del motor Stirling en general se estancó durante este período. ^{[ 29 ]}

Durante la primera parte del siglo XX, el papel del motor Stirling como "motor doméstico" ^{[ 30 ]} fue gradualmente asumido por los motores eléctricos y los pequeños motores de combustión interna . A finales de la década de 1930, estaba prácticamente olvidado, y solo se producía para juguetes y algunos pequeños ventiladores. ^{[ 31 ]}

A principios del siglo XXI, los motores Stirling se utilizaban en la versión parabólica de los sistemas de energía solar concentrada . Un plato con espejos, similar a una antena parabólica de gran tamaño, dirige y concentra la luz solar sobre un receptor térmico, que absorbe y recoge el calor y, mediante un fluido, lo transfiere al motor Stirling. La energía mecánica resultante se utiliza para accionar un generador o alternador y producir electricidad. ^{[ 37 ]}

El componente principal de las microunidades de cogeneración (CHP) puede ser un motor de ciclo Stirling, ya que son más eficientes y seguros que un motor de vapor comparable. Para 2003, las unidades de cogeneración se estaban instalando comercialmente en aplicaciones domésticas, como generadores eléctricos para el hogar. ^{[ 38 ]}

En 2013, se publicó un artículo sobre las leyes de escala de los motores Stirling de pistón libre basadas en seis grupos adimensionales característicos . ^{[ 39 ]} En un artículo de Science Advances de 2025 , los investigadores exploraron el uso de la radiación ambiental de la Tierra para generar energía mecánica mediante un motor Stirling y demostraron la utilidad del método para gestionar la circulación dentro de invernaderos, así como para regular la temperatura en edificios residenciales. ^{[ 40 ]}

La fuente de calor puede ser proporcionada por la combustión de un combustible y, dado que los productos de la combustión no se mezclan con el fluido de trabajo y, por lo tanto, no entran en contacto con las partes internas del motor, un motor Stirling puede funcionar con combustibles que dañarían las partes internas de otros tipos de motores, como el gas de vertedero , que puede contener siloxano que podría depositar dióxido de silicio abrasivo en los motores convencionales. ^{[ 44 ]}

Otras fuentes de calor adecuadas incluyen la energía solar concentrada , la energía geotérmica , la energía nuclear , el calor residual y la bioenergía . Si se utiliza energía solar como fuente de calor, se pueden emplear espejos solares y parasoles solares convencionales. También se ha propuesto el uso de lentes y espejos de Fresnel , por ejemplo, en la exploración de la superficie planetaria. ^{[ 45 ]} Los motores Stirling alimentados por energía solar son cada vez más populares, ya que ofrecen una opción ambientalmente sostenible para la producción de energía, mientras que algunos diseños resultan económicamente atractivos en proyectos de desarrollo. ^{[ 46 ]}

El diseño de intercambiadores de calor para motores Stirling implica un equilibrio entre una alta transferencia de calor y bajas pérdidas por bombeo viscoso , así como un bajo volumen muerto (volumen interno no barrido). Los motores que operan a altas potencias y presiones requieren que los intercambiadores de calor del lado caliente estén fabricados con aleaciones que conserven una resistencia considerable a altas temperaturas y que no se corroan ni se deformen .

En motores pequeños de baja potencia, los intercambiadores de calor pueden consistir simplemente en las paredes de las cámaras caliente y fría correspondientes, pero cuando se requieren mayores potencias, se necesita una mayor superficie para transferir suficiente calor. Las implementaciones típicas consisten en aletas internas y externas o múltiples tubos de pequeño diámetro para el lado caliente, y un enfriador que utiliza un líquido (como agua) para el lado frío.

En un motor Stirling, el regenerador es un intercambiador de calor interno y un acumulador de calor temporal ubicado entre los espacios caliente y frío, de manera que el fluido de trabajo pasa a través de él primero en una dirección y luego en la otra, tomando calor del fluido en una dirección y devolviéndolo en la otra. Puede ser tan simple como una malla metálica o espuma, y ​​se beneficia de una gran superficie, alta capacidad calorífica, baja conductividad y baja fricción de flujo. ^{[ 47 ]} Su función es retener dentro del sistema ese calor que de otro modo se intercambiaría con el ambiente a temperaturas intermedias a las temperaturas máxima y mínima del ciclo, ^{[ 48 ]} permitiendo así que la eficiencia térmica del ciclo (aunque no de ningún motor práctico ^{[ 49 ]} ) se aproxime a la eficiencia límite de Carnot .

El efecto principal de la regeneración en un motor Stirling es aumentar la eficiencia térmica mediante el reciclaje del calor interno que, de otro modo, se perdería irreversiblemente . Como efecto secundario, el aumento de la eficiencia térmica se traduce en una mayor potencia de salida de un conjunto determinado de intercambiadores de calor en los extremos caliente y frío. Estos intercambiadores suelen limitar el flujo de calor del motor. En la práctica, esta potencia adicional puede no aprovecharse por completo, ya que el volumen no barrido y las pérdidas por bombeo inherentes a los regeneradores prácticos reducen las posibles ganancias de eficiencia derivadas de la regeneración.

El desafío de diseño para un regenerador de motor Stirling radica en proporcionar suficiente capacidad de transferencia de calor sin introducir demasiado volumen interno adicional («espacio muerto») ni resistencia al flujo. Estos conflictos de diseño inherentes son uno de los muchos factores que limitan la eficiencia de los motores Stirling prácticos. Un diseño típico consiste en una pila de mallas de alambre metálico fino , con baja porosidad para reducir el espacio muerto, y con los ejes del alambre perpendiculares al flujo de gas para reducir la conducción en esa dirección y maximizar la transferencia de calor por convección. ^{[ 50 ]}

El regenerador es el componente clave inventado por Robert Stirling , y su presencia distingue a un verdadero motor Stirling de cualquier otro motor de aire caliente de ciclo cerrado . Muchos motores Stirling pequeños, especialmente los de baja diferencia de temperatura (LTD), no tienen un regenerador definido y podrían considerarse motores de aire caliente; sin embargo, la superficie del desplazador y la pared del cilindro adyacente, o el conducto que conecta los cilindros caliente y frío de un motor de configuración alfa, proporcionan una pequeña regeneración.

Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre las secciones caliente y fría de un motor Stirling, mayor será su eficiencia. El disipador de calor suele ser el entorno en el que opera el motor, a temperatura ambiente. En el caso de motores de potencia media a alta, se requiere un radiador para transferir el calor del motor al aire ambiente. Los motores marinos tienen la ventaja de utilizar agua de mar, lago o río, que suele estar más fría que el aire ambiente. En el caso de sistemas de cogeneración, el agua de refrigeración del motor se utiliza directa o indirectamente para calefacción, lo que aumenta la eficiencia.

Como alternativa, se puede suministrar calor a temperatura ambiente y mantener el disipador de calor a una temperatura más baja mediante fluidos criogénicos (véase Economía del nitrógeno líquido ) o agua helada.

El desplazador es un pistón de propósito especial , utilizado en los motores Stirling de tipo Beta y Gamma, para mover el gas de trabajo entre los intercambiadores de calor caliente y frío. Dependiendo del diseño del motor, el desplazador puede estar sellado o no al cilindro; es decir, puede tener un ajuste holgado dentro del cilindro, permitiendo que el gas de trabajo lo rodee mientras se mueve para ocupar la parte del cilindro que está más allá. El motor de tipo Alpha tiene una alta tensión en el lado caliente, por eso pocos inventores comenzaron a usar un pistón híbrido para ese lado. El pistón híbrido tiene una parte sellada como un motor Alpha normal, pero tiene una parte desplazadora conectada con un diámetro menor que el cilindro que la rodea. La relación de compresión es un poco menor que en los motores Alpha originales, pero el factor de tensión es bastante bajo en las partes selladas.

Un motor Stirling alfa contiene dos pistones de potencia en cilindros separados, uno caliente y otro frío. El cilindro caliente está situado dentro del intercambiador de calor de alta temperatura y el cilindro frío dentro del intercambiador de calor de baja temperatura. Este tipo de motor tiene una alta relación potencia-volumen, pero presenta problemas técnicos debido a la alta temperatura habitual del pistón caliente y la durabilidad de sus sellos. ^{[ 51 ]} En la práctica, este pistón suele llevar una cabeza aislante grande para alejar los sellos de la zona caliente a costa de un espacio muerto adicional. El ángulo del cigüeñal tiene un efecto importante en la eficiencia y el ángulo óptimo a menudo debe determinarse experimentalmente. Un ángulo de 90° suele bloquearse.

A continuación se describe el proceso en cuatro pasos:

1. La mayor parte del gas de trabajo se encuentra en el cilindro caliente y tiene mayor contacto con sus paredes. Esto provoca un calentamiento general del gas, lo que aumenta su presión y su expansión. Dado que el cilindro caliente alcanza su volumen máximo y el cilindro frío se encuentra a mitad de carrera (volumen parcial), el volumen del sistema aumenta debido a la expansión hacia el cilindro frío.
2. El sistema alcanza su volumen máximo y una mayor cantidad de gas entra en contacto con el cilindro frío. Esto enfría el gas, disminuyendo su presión. Debido al impulso del volante o a otros pares de pistones en el mismo eje, el cilindro caliente inicia una carrera ascendente, reduciendo el volumen del sistema.
3. Casi todo el gas se encuentra ahora en el cilindro frío y el enfriamiento continúa. Esto sigue reduciendo la presión del gas y provocando su contracción. Dado que el cilindro caliente tiene un volumen mínimo y el cilindro frío un volumen máximo, el volumen del sistema se reduce aún más debido a la compresión del cilindro frío hacia adentro.
4. El sistema se encuentra en su volumen mínimo y el gas tiene mayor contacto con el cilindro caliente. El volumen del sistema aumenta debido a la expansión del cilindro caliente.

Un motor Stirling beta tiene un único pistón de potencia dispuesto dentro del mismo cilindro y en el mismo eje que un pistón desplazador . El pistón desplazador tiene un ajuste holgado y no extrae potencia del gas en expansión, sino que solo sirve para transportar el gas de trabajo entre los intercambiadores de calor caliente y frío. Cuando el gas de trabajo se empuja hacia el extremo caliente del cilindro, se expande y empuja el pistón de potencia. Cuando se empuja hacia el extremo frío del cilindro, se contrae y el impulso de la máquina, generalmente potenciado por un volante de inercia , empuja el pistón de potencia en sentido contrario para comprimir el gas. A diferencia del tipo alfa, el tipo beta evita los problemas técnicos de las juntas móviles calientes, ya que el pistón de potencia no está en contacto con el gas caliente. ^{[ 52 ]}

1. El pistón de potencia (gris oscuro) ha comprimido el gas, y el pistón desplazador (gris claro) se ha movido de manera que la mayor parte del gas queda adyacente al intercambiador de calor caliente.
2. El gas calentado aumenta su presión y empuja el pistón de potencia hasta el límite máximo de la carrera de potencia.
3. Ahora, el pistón desplazador se mueve, desviando el gas hacia el extremo frío del cilindro.
4. El gas enfriado ahora se comprime por el impulso del volante. Esto requiere menos energía, ya que su presión disminuye al enfriarse.

Los motores Stirling de pistón libre incluyen aquellos con pistones líquidos y aquellos con diafragmas como pistones. En un dispositivo de pistón libre, la energía se puede añadir o extraer mediante un alternador lineal eléctrico , una bomba u otro dispositivo coaxial. Esto evita la necesidad de un mecanismo de acoplamiento y reduce el número de piezas móviles. En algunos diseños, la fricción y el desgaste se eliminan casi por completo mediante el uso de cojinetes de gas sin contacto o una suspensión de alta precisión mediante resortes planos .

Los cuatro pasos básicos del ciclo de un motor Stirling de pistón libre son:

1. El pistón de potencia es empujado hacia afuera por la expansión del gas, realizando así trabajo. La gravedad no interviene en el ciclo.
2. El volumen de gas en el motor aumenta y, por lo tanto, la presión disminuye, lo que provoca una diferencia de presión a través de la varilla del desplazador, forzándolo a desplazarse hacia el extremo caliente. Cuando el desplazador se mueve, el pistón permanece prácticamente inmóvil y, por consiguiente, el volumen de gas se mantiene casi constante. Este proceso da lugar a un enfriamiento a volumen constante, lo que reduce la presión del gas.
3. La presión reducida detiene ahora el movimiento hacia afuera del pistón, que comienza a acelerar nuevamente hacia el extremo caliente y, por su propia inercia, comprime el gas ahora frío, que se encuentra principalmente en el espacio frío.
4. A medida que aumenta la presión, se alcanza un punto en el que la diferencia de presión a través de la varilla del desplazador se vuelve lo suficientemente grande como para comenzar a empujar la varilla del desplazador (y, por lo tanto, también el desplazador) hacia el pistón, colapsando así el espacio frío y transfiriendo el gas frío y comprimido hacia el lado caliente en un proceso de volumen casi constante. Cuando el gas llega al lado caliente, la presión aumenta y comienza a mover el pistón hacia afuera para iniciar la etapa de expansión, como se explica en (1).

A principios de la década de 1960, William T. Beale, de la Universidad de Ohio ubicada en Athens, Ohio, inventó una versión de pistón libre del motor Stirling para superar la dificultad de lubricar el mecanismo de la manivela. ^{[ 58 ]} Si bien la invención del motor Stirling básico de pistón libre se atribuye generalmente a Beale, EH Cooke-Yarborough y C. West realizaron invenciones independientes de tipos de motores similares en los Laboratorios Harwell de la AERE del Reino Unido . ^{[ 59 ]} GM Benson también hizo importantes contribuciones iniciales y patentó muchas configuraciones novedosas de pistón libre. ^{[ 60 ] [ 61 ]}

La primera mención conocida de una máquina de ciclo Stirling con componentes de libre movimiento se encuentra en una patente británica de 1876. ^{[ 62 ] [ 63 ]} Esta máquina fue concebida como un refrigerador (es decir, el ciclo Stirling inverso ). El primer producto de consumo que utilizó un dispositivo Stirling de pistón libre fue un refrigerador portátil fabricado por Twinbird Corporation de Japón y comercializado en Estados Unidos por Coleman en 2004.

El diseño del motor Stirling de doble efecto plano resuelve el accionamiento de un desplazador gracias a que las áreas de los pistones caliente y frío del desplazador son diferentes.

El accionamiento se realiza sin transmisión mecánica. El uso de diafragmas elimina la fricción y la necesidad de lubricantes.

Cuando el desplazador está en movimiento, el generador mantiene el pistón de trabajo en la posición límite, lo que hace que el ciclo de trabajo del motor se aproxime a un ciclo Stirling ideal. La relación entre el área de los intercambiadores de calor y el volumen de la máquina aumenta gracias a la implementación de un diseño plano.

El diseño plano del cilindro de trabajo aproxima el proceso térmico de expansión y compresión a un proceso más isotérmico.

La desventaja es una gran área de aislamiento térmico entre el espacio caliente y el frío. ^{[ 64 ]}

Los dispositivos termoacústicos son muy diferentes de los dispositivos Stirling, aunque la trayectoria individual de cada molécula de gas de trabajo sí sigue un ciclo Stirling real . Estos dispositivos incluyen el motor termoacústico y el refrigerador termoacústico . Las ondas estacionarias acústicas de alta amplitud provocan compresión y expansión, análogas a un pistón de potencia Stirling, mientras que las ondas viajeras acústicas desfasadas provocan desplazamiento a lo largo de un gradiente de temperatura , análogo a un pistón desplazador Stirling. Por lo tanto, un dispositivo termoacústico normalmente no tiene un desplazador, como el que se encuentra en un Stirling beta o gamma.

La NASA ha considerado motores Stirling calentados por desintegración nuclear para misiones prolongadas al sistema solar exterior. ^{[ 65 ]} En 2018, la NASA y el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunciaron que habían probado con éxito un nuevo tipo de reactor nuclear llamado KRUSTY , que significa "Reactor de Kilopotencia que Utiliza Tecnología Stirling", y que está diseñado para poder alimentar vehículos y sondas de espacio profundo, así como campamentos exoplanetarios. ^{[ 66 ]}

En la Cable-Tec Expo 2012, organizada por la Sociedad de Ingenieros de Telecomunicaciones por Cable, Dean Kamen subió al escenario junto con Mike LaJoie, director de tecnología de Time Warner Cable, para anunciar una nueva iniciativa entre su empresa, Deka Research, y la SCTE. Kamen la denomina motor Stirling. ^{[ 67 ] [ 68 ]}

El motor Stirling más pequeño fue construido por dos científicos alemanes en la Universidad de Stuttgart . Funciona a escala micrométrica. ^{[ 69 ] [ 70 ]}

Se han construido motores de muy baja potencia que funcionan con una diferencia de temperatura de tan solo 0,5 K. ^{[ 71 ]} Un motor Stirling de tipo desplazador tiene un pistón y un desplazador. Se requiere una diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del cilindro grande para que el motor funcione. En el caso del motor Stirling de baja diferencia de temperatura (LTD), la diferencia de temperatura entre la mano de una persona y el aire circundante puede ser suficiente para que el motor funcione. ^{[ 72 ]} El pistón de potencia en el motor Stirling de tipo desplazador está sellado herméticamente y se controla para que se mueva hacia arriba y hacia abajo a medida que el gas en su interior se expande. El desplazador, en cambio, está ajustado de forma muy holgada para que el aire pueda moverse libremente entre las secciones caliente y fría del motor a medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo. El desplazamiento se mueve hacia arriba y hacia abajo para hacer que la mayor parte del gas en el cilindro desplazador se caliente o se enfríe.

Los motores Stirling, especialmente aquellos que funcionan con pequeñas diferencias de temperatura, son bastante grandes para la cantidad de potencia que producen (es decir, tienen una potencia específica baja ). Esto se debe principalmente al coeficiente de transferencia de calor de la convección gaseosa, que limita el flujo de calor que se puede alcanzar en un intercambiador de calor frío típico a unos 500  W/(m² ^· K), y en un intercambiador de calor caliente a unos 500–5000  W/(m² ^· K). ^{[ 73 ]} En comparación con los motores de combustión interna, esto hace que sea más difícil para el diseñador del motor transferir calor hacia dentro y hacia fuera del gas de trabajo. Debido a la eficiencia térmica, la transferencia de calor requerida aumenta con una menor diferencia de temperatura, y la superficie del intercambiador de calor (y el costo) para  una salida de 1 kW aumenta con (1/ΔT) ^² . Por lo tanto, el costo específico de los motores con diferencias de temperatura muy bajas es muy alto. El aumento de la diferencia de temperatura y/o de la presión permite que los motores Stirling produzcan más potencia, siempre que los intercambiadores de calor estén diseñados para soportar la mayor carga térmica y puedan suministrar el flujo de calor por convección necesario.

Un motor Stirling no arranca al instante. Necesita calentarse. Los motores Stirling se utilizan mejor como motores de velocidad constante.

La potencia de salida de un motor Stirling tiende a ser constante, y su ajuste a veces requiere un diseño minucioso y mecanismos adicionales. Normalmente, los cambios en la potencia se logran variando la cilindrada del motor (a menudo mediante un cigüeñal con plato oscilante ), modificando la cantidad de fluido de trabajo, alterando el ángulo de fase del pistón/desplazador o, en algunos casos, simplemente modificando la carga del motor. Esta característica no representa un gran inconveniente en la propulsión híbrida eléctrica o en la generación de energía de base, donde la potencia constante es deseable.

El hidrógeno y el helio poseen la mayor conductividad térmica y capacidad calorífica de todos los gases. El aire es un fluido de trabajo viable, ^{[ 74 ]} pero el oxígeno en un motor de aire a alta presión puede provocar accidentes fatales causados ​​por explosiones de aceite lubricante. ^{[ 75 ]} Tras uno de estos accidentes, Philips fue pionera en el uso de otros gases para evitar dicho riesgo de explosiones.

• La baja viscosidad y la alta conductividad térmica del hidrógeno lo convierten en el gas de trabajo más potente, principalmente porque el motor puede funcionar a mayor velocidad que con otros gases. Sin embargo, debido a la absorción de hidrógeno y a la alta tasa de difusión asociada a este gas de bajo peso molecular , especialmente a altas temperaturas, el H₂ _se filtra a través del metal sólido del calentador. La difusión a través del acero al carbono es demasiado alta para ser práctica, pero puede ser aceptablemente baja para metales como el aluminio o incluso el acero inoxidable . Ciertas cerámicas también reducen considerablemente la difusión. Se requieren sellos herméticos en el recipiente a presión para mantener la presión dentro del motor sin reponer el gas perdido. Para los motores de alta diferencia de temperatura (HTD), pueden ser necesarios sistemas auxiliares para mantener el fluido de trabajo a alta presión. Estos sistemas pueden ser una botella de almacenamiento de gas o un generador de gas. El hidrógeno se puede generar por electrólisis del agua, por la acción del vapor sobre combustible de carbono al rojo vivo, por gasificación de combustible de hidrocarburos o por la reacción de un ácido sobre un metal. El hidrógeno también puede causar la fragilización de los metales. El hidrógeno es un gas inflamable, lo que supone un riesgo para la seguridad si se libera del motor.
• La mayoría de los motores Stirling técnicamente avanzados, como los desarrollados para los laboratorios del gobierno de los Estados Unidos, utilizan helio como gas de trabajo, porque funciona cerca de la eficiencia y la densidad de potencia del hidrógeno con menos problemas de contención de materiales. El helio es inerte y, por lo tanto, no inflamable. El helio es relativamente caro y debe suministrarse como gas embotellado. Una prueba mostró que el hidrógeno es un 5 % (absoluto) más eficiente que el helio (24 % relativo) en el motor Stirling GPU-3. ^{[ 76 ]} El investigador Allan Organ demostró que un motor de aire bien diseñado es teóricamente tan eficiente como un motor de helio o hidrógeno, pero los motores de helio e hidrógeno son varias veces más potentes por unidad de volumen .
• Algunos motores utilizan aire o nitrógeno como fluido de trabajo. Estos gases tienen una densidad de potencia mucho menor (lo que aumenta el costo del motor), pero son más fáciles de usar y minimizan los problemas de contención y suministro de gas (lo que reduce los costos). El uso de aire comprimido en contacto con materiales o sustancias inflamables, como el aceite lubricante, introduce un riesgo de explosión, ya que el aire comprimido contiene una alta presión parcial de oxígeno . Sin embargo, el oxígeno se puede eliminar del aire mediante una reacción de oxidación o se puede utilizar nitrógeno embotellado, que es prácticamente inerte y muy seguro.
• Otros posibles gases más ligeros que el aire incluyen el metano y el amoníaco .

En la mayoría de los motores Stirling de alta potencia, tanto la presión mínima como la presión media del fluido de trabajo están por encima de la presión atmosférica. Esta presurización inicial del motor puede realizarse mediante una bomba, o llenando el motor desde un tanque de gas comprimido, o incluso simplemente sellando el motor cuando la temperatura media es inferior a la temperatura media de funcionamiento . Todos estos métodos aumentan la masa del fluido de trabajo en el ciclo termodinámico. Todos los intercambiadores de calor deben dimensionarse adecuadamente para proporcionar las tasas de transferencia de calor necesarias. Si los intercambiadores de calor están bien diseñados y pueden proporcionar el flujo de calor necesario para la transferencia de calor por convección , entonces el motor, en una primera aproximación, produce potencia en proporción a la presión media, como predicen los números de West y Beale . En la práctica, la presión máxima también está limitada a la presión segura del recipiente a presión . Como la mayoría de los aspectos del diseño de motores Stirling, la optimización es multivariante y a menudo tiene requisitos contradictorios. ^{[ 73 ]} Una dificultad de la presurización es que, si bien mejora la potencia, el calor requerido aumenta proporcionalmente al aumento de potencia. Esta transferencia de calor se dificulta cada vez más con la presurización, ya que el aumento de presión también exige un mayor espesor de las paredes del motor, lo que, a su vez, aumenta la resistencia a la transferencia de calor.

A altas temperaturas y presiones, el oxígeno en los cárteres presurizados con aire, o en el gas de trabajo de los motores de aire caliente , puede combinarse con el aceite lubricante del motor y explotar. Al menos una persona ha muerto en una explosión de este tipo. ^{[ 75 ]} Los lubricantes también pueden obstruir los intercambiadores de calor, especialmente el regenerador. Por estas razones, los diseñadores prefieren materiales sin lubricación y de bajo coeficiente de fricción (como el rulón o el grafito ), con bajas fuerzas normales en las piezas móviles, especialmente para los sellos deslizantes. Algunos diseños evitan por completo las superficies deslizantes mediante el uso de diafragmas para pistones sellados. Estos son algunos de los factores que permiten que los motores Stirling tengan menores requisitos de mantenimiento y una vida útil más larga que los motores de combustión interna.