• Author / Uploaded
• Javier Zapata

Citation preview

NOMBRE: HENRY CONDOR DARWIN DIAZ XAVIER MORALES JORGE BASANTES

TERMODINAMICA APLICADA

TEMA: INFORME CICLO ERICSSON Y STIRLING.

OCTUBRE 2019 FEBRERO 2019

1) INTRODUCCION. El ciclo Ericsson fue ideado por el inventor John Ericsson, que proyectó y construyó varios motores de aire caliente basados en diferentes ciclos termodinámicos. Es considerado el autor de dos ciclos para motores térmicos de combustión externa y constructor de motores reales basados en los ciclos mencionados. Su primer ciclo era muy parecido al actualmente llamado ciclo Brayton (que es el que siguen las turbinas de gas), pero con combustión externa. El presente artículo trata del segundo de sus ciclos, conocido como ciclo Ericsson. Tanto el ciclo de Ericsson como el de Stirling son usados en motores de combustión externa. El motor de Ericsson se parece mucho al motor Stirling de doble acción, en el que el pistón desplazador actúa como pistón motor. En teoría ambos ciclos tienen un rendimiento ideal. El máximo rendimiento posible según la segunda ley de la termodinámica. El ciclo ideal por antonomasia es el ciclo de Carnot. No hay ningún motor construido que siga el ciclo de Carnot. El primer ciclo ideado por Ericsson es llamado actualmente ciclo Brayton, y usado en los motores de turbina de gas de los aviones. El segundo ciclo inventado por Ericsson es el propiamente denominado "Ciclo Ericsson". Puede imaginarse como un ciclo Brayton ideal, con una turbina de gas llevada al límite: con una fase de compresión de muchas etapas con enfriamiento (equivalentes a una compresión refrigerada), una expansión con muchas etapas, incluyendo recalentamiento del aire de entrada con un intercambiador-recuperador. Comparado con un ciclo Brayton normal (con compresión adiabática y expansión adiabática), el ciclo Ericsson (con compresión y expansión isotérmicas) proporciona más trabajo limpio por revolución. El uso de un intercambiador-regenerador aumenta el rendimiento al reducir las necesidades de aportación de calor.

2) MARCO TEORICO.

2.1. Motor Ericsson.

Los motores Ericsson se basan en el ciclo Ericsson. Son de combustión externa por lo que el gas motor se calienta desde el exterior. Para mejorar el rendimiento (térmico y total) el motor Ericsson dispone de un regenerador o recuperador de calor. Puede funcionar en ciclo abierto o cerrado. La expansión y la compresión se producen simultáneamente, en las caras opuestas del pistón. Explicación del motor de la figura: 

En la posición actual (el pistón en la posición más baja) el aire de la cámara inferior se calienta mediante calor aportado exteriormente (color rojo oscuro o rojo marrón). El aire de la cámara superior ha sido aspirado al bajar el pistón y está a presión atmosférica (color azul).



El pistón comienza a subir por la presión del aire calentado. Se producen simultáneamente la expansión del aire caliente y la compresión del aire de la cámara superior (aspirado en la fase previa). El aire pasa a la izquierda obligado por la válvula antirretorno de la admisión. Una válvula antirretorno le permite el paso al depósito acumulador de aire frío.



En el punto muerto superior pasa al depósito frío la máxima cantidad de aire aspirado posible. La válvula de paso (dibujada abajo y a la izquierda) se abre y permite el paso del aire frío a través del recuperador hasta la cámara inferior que lo recibe.



Un volante de inercia hace que el pistón doble-función (compresión-expansión) empiece a bajar, empujando el aire precalentado a través del recuperador y aspire aire atmosférico a la cámara superior.



En el cuarto inferior, el aire precalentado se acaba de calentar mientras se comprime. En la fase final el pistón llega a la posición inferior y el proceso se repite. fig. 05

En 1791 John Barber propuso un motor de aire caliente similar a los de Ericsson y Brayton. Disponía de un compresor del tipo fuelle (como un fuelle de herrero o de fundición) y una turbina expansor. No tenía ningún recuperador o regenerador. Ericsson patentó su primer motor, basado en el ciclo Brayton de combustión externa, el año 1833 en Inglaterra (No. 6409/1833 British). Dieciocho años antes que Joule y 43 años antes que Brayton. Los motores de Brayton eran de pistones, casi todos de combustión interna y sin recuperador. Actualmente el ciclo Brayton se conoce como ciclo de la turbina de gas, que utiliza compresores y expansores de turbina (las turbinas sustituyen a los pistones). El ciclo de turbina de gas es el que siguen las turbinas de gas y los turborreactores. Algunos tipos de turbinas disponen de recuperadores de calor. Finalmente, Ericsson abandonó el ciclo abierto y adoptó el ciclo cerrado del motor Stirling tradicional. El motor Ericsson puede transformarse fácilmente en un motor de ciclo cerrado usando un segundo depósito frío a baja presión entre los conductos originales de entrada y escape. En un ciclo cerrado la "baja presión" puede ser más alta que la presión atmosférica y el gas motor puede ser hidrógeno o helio. Al disponer de válvulas, la diferencia de presiones de gas (presión motriz y presión de compresión) de un motor Ericsson la potencia específica puede ser mayor que la de un motor Stirling sin válvulas. Está claro que las válvulas añaden coste y complejidad al motor. Las pérdidas mecánicas son menores en un motor Ericsson: la potencia de compresión requerida es menor, al aplicarse directamente sin tener que pasar por un cigüeñal. El motor Ericsson de pistones es, potencialmente, el que podría tener el mayor rendimiento de todos los motores. En la práctica nadie lo ha demostrado todavía. Un motor Ericsson siguiendo el segundo ciclo fue construido como propulsor de un barco de 2000 toneladas de desplazamiento: el Ericsson. Funcionó perfectamente durante 73 horas. La potencia era de unos 300 CV (220KW). Disponía de 4 pistones de doble función

(compresión y expansión). El diámetro en la parte más grande era de 4,3 m. Se trataba de un motor muy lento, a 6,5 rpm, y una presión de 55 kPa. El consumo de carbón era más bajo que los de los motores de vapor de la época: la cifra documentada era de 4200 kg/24 h. Las pruebas en mar fueron muy satisfactorias, pero demostraron que la potencia era insuficiente para las necesidades del buque. Posteriormente el Ericsson se hundió y, cuando fue reflotado, se sustituyó el motor Ericsson por un motor de vapor. Ericsson proyectó y construyó muchos motores, de tipos diferentes y siguiendo ciclos diversos. También utilizó muchos tipos de combustible incluyendo el carbón y la energía solar. Se tiene un cilindro vertical de paredes no aislantes, en cuyo interior se encuentra aire (considerado como un gas ideal diatómico). El cilindro tiene sección cuadrada de lado 4 cm y está cerrado por un pistón horizontal que puede deslizarse sin rozamiento. Inicialmente el pistón se encuentra a una altura de 10 cm y el aire está en equilibrio térmico y mecánico con el exterior a una temperatura de 300 K y una presión 100 kPa. Se procede entonces a efectuar el siguiente ciclo A→B El gas se comprime lentamente, colocando sobre la tapa el equivalente a 4 kg de arena, sin que se modifique la temperatura exterior. B→C Sin retirar la arena, se calienta lentamente el gas, hasta que el volumen vuelve a ser el inicial. C→D Manteniendo constante la nueva temperatura, se van retirando los granos de arena hasta que no queda ni uno. D→A Se enfría gradualmente el gas, hasta que su volumen vuelve a ser el inicial. A la vista de este ciclo: 1. Represente gráficamente el ciclo en un diagrama pV. 2. Para cada uno de los pasos, halle (tomando

)

1. El trabajo y el calor que se intercambian, indicando si cada uno entra en el sistema o sale de él. 2. La variación de la energía interna y de la entalpía del gas en cada paso. 3. Calcule el trabajo neto que desarrolla el sistema sobre el entorno. 4. Halle el calor total absorbido por el gas (sin descontar el que cede al entorno). 5. Calcule el rendimiento del ciclo, definido como:

FIG 05. Ejemplo de grafica Ericsson

En este ciclo termodinámico, también reversible y por tanto nos da el rendimiento máximo que se puede obtener de la máquina, el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobáricas, tal como se puede observar en la figura adjunta:

2.2. Ciclo Stirling.

En este ciclo termodinámico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isocóricas (a volumen constante), tal como se puede observar en la figura adjunta: Fig. 06

FIG 06. Grafica ciclo Stirling

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot. El motor Stirling original fue inventado, desarrollado y patentado en 1816 por el clérigo e inventor escocés Robert Stirling (1790-1878) con la ayuda de un hermano ingeniero.1 A diferencia de la máquina de Carnot, esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isócoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dos focos térmicos de los que normalmente consta una máquina. Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling. El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo: 1-2. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.

2-3. Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor Q r y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión. 3-4. Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente. 4-1. Cesión de una cantidad de calor Q r al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido. Fig. 07

FIG 07. Ciclo Stirling.

2.3. El motor de Stirling. El reverendo Robert Stirling inventó el motor que lleva su nombre y lo patentó en 1816. Es un motor de combustión externa frente a los tradicionales motores gasolina o Diesel de combustión interna que mueven los vehículos. El motor opera con una fuente de calor externa que puede ser incluso solar o nuclear y un sumidero de calor, la diferencia de temperaturas entre ambas fuentes debe ser grande. En el proceso de conversión del calor en trabajo el motor de Stirling alcanza un rendimiento superior a cualquier otro motor real, acercándose hasta el máximo posible del motor ideal de Carnot. En la práctica está limitado, por que el gas con el que trabaja es no ideal, es inevitable el rozamiento en los distintos componentes que se mueven, etc. En la fotografía se muestra un motor Stirling activado por energía solar. Fig. 09

El motor de Stirling dispone de un dispositivo denominado regenerador. Actúa como un sistema que almacena energía en cada ciclo. El calor se deposita en el regenerador cuando el gas se desplaza desde el foco caliente hacia el foco frío disminuyendo su temperatura. Cuando el gas se desplaza desde el foco frío hacia el foco caliente el regenerador suministra energía al gas aumentado su temperatura. En el proceso 2→3, se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco frío, el gas deposita el calor en el regenerador, disminuyendo su temperatura. En el proceso 4→1, se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco caliente, el gas retira el calor depositado en el regenerador, aumentando su temperatura. A medida que la temperatura se incrementa la presión del gas se incrementa, y el sistema vuelve a su estado inicial

FIG 08. Ciclo Stirling.

CONCLUSIONES El funcionamiento del motor Stirling responde a principios termodinámicos simples, pero que a la vez hacen del mismo una maquina asombrosa, como hemos visto la energía en el universo no es más que la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, lo cual está íntimamente relacionado a un principio muy elemental “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”, es decir, la primera ley de termodinámica. Por otro lado, hemos aprendido que no existe maquina perfecta capaz de aprovechar íntegramente la energía total de un sistema para la producción de trabajo, lo cual ha traído consigo la inquietud de desarrollar artefactos capaces de aprovechar todo el recurso suministrado, pues en la mayoría de los casos será posible presenciar perdidas lo cual no trae consigo ningún beneficio. Afortunadamente el motor Stirling es el artefacto termodinámico que más se ha acercado a esa perfección anhelada tanto en eficiencia como en consumo de energía debido a que esta es aprovechada casi al 100% y con grandes prestaciones. Gracias a esto las aplicaciones que se le pueden dar son diversas y los beneficios en mayor medida. El motor Stirling fue utilizado como alternativa del motor de vapor durante sus inicios, para después ser desplazado por el motor de combustión interna, pero actualmente se han estudiado mejor sus grandes beneficios, convirtiéndose en una gran promesa para la generación limpia de energía eléctrica pues la reacción de combustión es mucho más controlada que en un motor de combustión interna, además, se han construido también motores Stirling solares, de tal forma que no requiere de la quema de combustibles para mantener el calor en la parte baja del motor, haciendo por lo tanto de este maravilloso motor un extraordinario, ecológico y de gran eficiencia motor Stirling.

BIBLIOGRAFIA.

Robert Sier (1999). Hot air caloric and stirling engines. Vol.1, A history (1st Edition (Revised) edición). L.A. Mair.