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Termoacústica: una tecnología sorprendente

Motor stirling. Author provided

Las escuelas de ingeniería o física tratan de introducir en los alumnos conceptos no siempre evidentes o fáciles de entender. Esto es especialmente relevante cuando se trata de materias que difícilmente se pueden tocar, como magnetismo, ondas y calor. En estos casos, disponer de algún producto educativo facilita de manera importante la labor del docente.

No hay muchos productos, sin embargo, que permitan mostrar principios básicos y profundizar en temáticas tan diferentes como física, materiales, termodinámica aplicada, fluídica, electricidad, electrónica, cinemática, combustión y energías renovables y que sean de rápida y fácil comprensión.

El motor stirling es uno de esos pocos dispositivos.

Aunque sus principios más básicos son sencillos de entender, su conocimiento profundo requiere de serias bases en múltiples disciplinas como las arriba mencionadas.

La disponibilidad de pequeños y asequibles demostradores que pueden funcionar con el calor aportado por la llama de una vela o el de una taza de café caliente atrae inmediatamente la atención de los estudiantes con inquietudes.

Las distintas arquitecturas propuestas a lo largo de los años para esta tecnología han demostrado cuán fascinante es poder describir con detalle la operativa de este ciclo, tratar de mejorar su eficiencia, su potencia o su aplicabilidad en numerosos campos.

Efectivamente, como motor cuya energía tractora es externa al ciclo, este puede ser activado con energía nuclear (aplicaciones espaciales), biomasa, geotermia, calor residual de procesos industriales, solar, escape de un motor térmico. En otras palabras, cualquier fuente de calor disponible.

Pero este motor stirling tiene, también, el inmenso atractivo de ser un motor reversible. Es decir, si se aporta energía actúa como bomba de calor.

Hay aplicaciones vigentes, en campos de almacenamiento criogénico o refrigeración de sensórica para imágenes infrarrojas, por ejemplo, que están entre nosotros desde hace tiempo utilizando este principio de funcionamiento.

Historia y evolución del motor ‘stirling’

Imagen perteneciente a la solicitud de patente de Robert Stirling en 1816 del motor térmico que posteriormente se conoció como motor Stirling. Wikimedia Commons

El motor stirling es un avance sobre los motores de vapor, dominantes a principios del siglo XIX. Sin embargo, el concepto y las arquitecturas correspondientes (alfa, beta, gamma, pistón libre, de pistón líquido) han ido evolucionando con los años, con un importante impulso en las décadas de los 60, 70 y 80 del siglo XX.

Si nos atenemos a la última evolución en esta tecnología nos encontramos con el stirling termoacústico. Una tecnología capaz de convertir la energía térmica directamente en ondas acústicas, y estas en movimiento o energía eléctrica.

Sin embargo, y probablemente debido a su novedad, todavía nos encontramos con muy poca información fuera de sesudas revistas y artículos científicos, accesible a un público técnicamente bien formado aunque sin ser especialista en muchas de las materias ya comentadas.

Sin embargo, debido a la casi total ausencia de partes móviles, su potencial para larga vida y reducción de costes no puede ser batida por ninguna de las alternativas predecesoras.

La termoacústica

Esta tecnología, la termoacústica fue descubierta a mediados del siglo XVIII, pero no fue sino hasta mediados del siglo XX cuando Lord Rayleigh la describe de manera cualitativa conectando sonido y vibraciones.

Esta fenomenología, la termoacústica se ha empezado a estudiar hace tan solo 50 años y los primeros demostradores vieron la luz en Los Alamos National Laboratory, ya rozando 1990.

Sin complejos mecanismos ni reacciones químicas extrañas ni sofisticados nanomateriales, con solamente unos tubos dispuestos de manera inteligente (y mucho conocimiento detrás) se puede acceder a esta sorprendente tecnología.

Para cubrir ese hueco en la información científica en torno a esta tecnología, la cátedra Nebrija-Santander de recuperación de energía en el transporte de superficie ha patrocinado el libro Introduction to thermoacoustic stirling engines: first steps in foundations and praxis (Thomson Reuters Aranzadi).

Este breve texto (120 páginas de historia y teoría y 35 de planos y software para fabricar y calcular los parámetros básicos de un prototipo) pone a disposición de la formación de jóvenes científicos y tecnólogos el conocimiento básico para la correcta comprensión del fenómeno termoacústico y su aplicación.

El análisis termodinámico es ciertamente instructivo, pero, como sucede habitualmente cuando nos enfrentamos a problemas tecnológicos o de ingeniería, es el camino al diseño lo que más ayuda a la comprensión de los conceptos.

Motor Stirling termoacústico. Author provided

El máximo resultado se obtiene con la construcción de un demostrador experimental.

Este libro tiene tres importantes apartados que contribuyen de manera clara a la comprensión del fenómeno termoacústico.

En primer lugar, se explican los precedentes de esta tecnología y su aplicabilidad en función de rangos de potencia. Para hacernos una idea del marco de aplicaciones, estamos hablando de potencias por debajo de 25W, entre 26W y 100W, entre 101W y 1KW y más allá del KW.

A esta separación, se añade una somera revisión de los proyectos más importantes que se están desarrollando en torno a esta tecnología en la actualidad en diversas universidades. También, una breve referencia a los esfuerzos que algunas compañías están llevando a cabo en la difusión y marketing de esta tecnología y algunos productos basados en ella.

En segundo lugar, se compara, paso a paso, el ciclo stirling convencional y el termoacústico con claras explicaciones sobre los procesos de intercambio de energía en ambos casos. Se añade una modelización del sistema.

Por último, e igualmente importante, se ofrece una guía, datos y planos para fabricar un prototipo experimental educativo con esta tecnología que permitirá poner en práctica lo apuntado.

Este libro es una herramienta para el profesorado de ciencias y de ingeniería que les ayudará a transmitir y consolidar conocimientos en termodinámica y mecánica ondulatoria, complementado las enseñanzas con unas prácticas al alcance de todos.

The Conversation

Las personas firmantes no son asalariadas, ni consultoras, ni poseen acciones, ni reciben financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y han declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado anteriormente.

The Conversation. Rigor académico, oficio periodístico

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