Ciclo de Stirling

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico que describe la clase general de dispositivos Stirling. Esto incluye el motor Stirling original que fue inventado, desarrollado y patentado en 1816 por Robert Stirling con la ayuda de su hermano, un ingeniero.

Los ciclos Otto y Diesel ideales no son totalmente reversibles porque involucran la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita durante los procesos irreversibles de adición de calor isocórico/isobárico y de rechazo de calor. La irreversibilidad hace que la eficiencia térmica de estos ciclos sea menor que la de una máquina de Carnot operando dentro de los mismos límites de temperatura. Otro ciclo que presenta procesos isotérmicos de adición y rechazo de calor es el ciclo de Stirling, que es una versión alterada del ciclo de Carnot en el que los dos procesos isoentrópicos que aparecen en el ciclo de Carnot se reemplazan por dos procesos de regeneración de volumen constante.

El ciclo es reversible, lo que significa que si se le suministra energía mecánica, puede funcionar como una bomba de calor para calefacción o refrigeración, e incluso para refrigeración criogénica. El ciclo se define como un ciclo regenerativo cerrado con un fluido de trabajo gaseoso. "Ciclo cerrado" significa que el fluido de trabajo está permanentemente contenido dentro del sistema termodinámico. Esto también clasifica el dispositivo del motor como un motor térmico externo. "Regenerante" se refiere al uso de un intercambiador de calor interno llamado regenerador que aumenta la eficiencia térmica del dispositivo.

El ciclo es igual que la mayoría de los otros ciclos de calor en que hay cuatro procesos principales: compresión, adición de calor, expansión y eliminación de calor. Sin embargo, estos procesos no son discretos, sino que las transiciones se superponen.

El ciclo de Stirling es un tema muy avanzado que ha desafiado el análisis de muchos expertos durante más de 190 años. Se requiere una termodinámica muy avanzada para describir el ciclo. El profesor Israel Urieli escribe: "...los diversos 'ideales' Los ciclos (como el ciclo de Schmidt) no son físicamente realizables ni representativos del ciclo de Stirling.

Jakob considera que el problema analítico del regenerador (el intercambiador de calor central en el ciclo de Stirling) se encuentra entre los "más difíciles y complicados que se encuentran en la ingeniería".

Termodinámica idealizada del ciclo de Stirling

Un gráfico de presión/volumen de la idealizada Ciclo espeluznante. En aplicaciones reales de los ciclos de Stirling (por ejemplo, motores Stirling) este ciclo es cuasi-elliptical.

El ciclo de Stirling ideal consta de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo (ver diagrama a la derecha):

Variaciones del movimiento del pistón

Un modelo de un ciclo de cuatro fases

La mayoría de los libros de texto de termodinámica describen una forma muy simplificada del ciclo de Stirling que consta de cuatro procesos. Esto se conoce como un "ciclo de Stirling ideal", porque es un "idealizado" modelo, y no necesariamente un ciclo optimizado. Teóricamente, el "ciclo ideal" tiene un alto rendimiento de trabajo neto, pero rara vez se usa en aplicaciones prácticas, en parte porque otros ciclos son más simples o reducen las tensiones máximas en los rodamientos y otros componentes. Por comodidad, el diseñador puede optar por utilizar movimientos de pistón dictados por la dinámica del sistema, como mecanismos de enlace mecánico. En cualquier caso, la eficiencia y la potencia del ciclo son casi tan buenas como una implementación real del caso idealizado. Un cigüeñal de pistón típico o varillaje en un llamado "cinemático" El diseño a menudo da como resultado un movimiento de pistón casi sinusoidal. Algunos diseños harán que el pistón se "detenga" en cualquier extremo del viaje.

Muchos enlaces cinemáticos, como el conocido 'yugo de Ross', exhibirán un movimiento casi sinusoidal. Sin embargo, otros enlaces, como el "impulso rómbico", exhibirán un movimiento más no sinusoidal. En menor medida, el ciclo ideal presenta complicaciones, ya que requeriría una aceleración del pistón algo mayor y mayores pérdidas por bombeo viscoso del fluido de trabajo. Sin embargo, las tensiones materiales y las pérdidas de bombeo en un motor optimizado solo serían intolerables cuando se acerque al "ciclo ideal" y/o a altas velocidades de ciclo. Otros temas incluyen el tiempo requerido para la transferencia de calor, particularmente para los procesos isotérmicos. En un motor con un ciclo que se aproxima al "ciclo ideal", es posible que se deba reducir la frecuencia del ciclo para solucionar estos problemas.

En el modelo más básico de un dispositivo de pistón libre, la cinemática dará como resultado un movimiento armónico simple.

Variaciones de volumen

En los motores beta y gamma, generalmente la diferencia de ángulo de fase entre los movimientos del pistón no es el mismo que el ángulo de fase de las variaciones de volumen. Sin embargo, en el Stirling alfa, son iguales. El resto del artículo asume variaciones de volumen sinusoidal, como en un Stirling alfa con pistones colineales, llamado así un "pistón opuesto" dispositivo alfa.

advertencia: Entre las muchas inexactitudes de este artículo, arriba se hace referencia a una configuración alfa colineal. Tal configuración sería beta. Alternativamente, sería un alfa, que tiene un sistema de vinculación inaceptablemente ineficiente.

Gráfico de presión versus volumen

Este tipo de gráfico se utiliza para caracterizar casi todos los ciclos termodinámicos. El resultado de las variaciones de volumen sinusoidal es el ciclo de forma casi elíptica que se muestra en la Figura 1. En comparación con el ciclo idealizado, este ciclo es una representación más realista de la mayoría de los motores Stirling reales. Los cuatro puntos del gráfico indican el ángulo del cigüeñal en grados.

El ciclo de Stirling adiabático es similar al ciclo de Stirling idealizado; sin embargo, los cuatro procesos termodinámicos son ligeramente diferentes (ver el gráfico anterior):

• 180° a 270°, expansión pseudo-isotérmica. El espacio de expansión se calienta externamente, y el gas sufre una expansión casi intrasterna.
• Eliminación de calor de 270° a 0°, casi constant-volume (o casi-isométrica o isocórica). El gas pasa por el regenerador, enfriando así el gas, y transfiriendo el calor al regenerador para su uso en el próximo ciclo.
• 0° a 90°, compresión pseudo-isotérmica. El espacio de compresión está intercalado, por lo que el gas se somete a compresión casi isotérmica.
• 90° a 180°, cerca de volumen (near-isométrico o isocórico) adición de calor. El aire comprimido fluye de vuelta a través del regenerador y recoge el calor en el camino al espacio de expansión calentado.

Con la excepción de un motor termoacústico Stirling, ninguna de las partículas de gas fluye realmente a través del ciclo completo. Por lo tanto, este enfoque no es susceptible de un mayor análisis del ciclo. Sin embargo, proporciona una visión general e indica el ciclo de trabajo.

Movimiento de partículas/masa

La Figura 2 muestra las líneas que indican cómo fluye el gas a través de un motor Stirling real. Las líneas verticales de colores delimitan los volúmenes del motor. De izquierda a derecha, son: el volumen barrido por el pistón de expansión (potencia), el volumen de espacio libre (que evita que el pistón entre en contacto con el intercambiador de calor caliente), el calentador, el regenerador, el enfriador, el volumen de espacio libre del enfriador y el volumen de compresión barrido por el pistón de compresión.

Alfa tipo Stirling. Versión animada.

Caída de presión del intercambiador de calor

También conocidas como "pérdidas de bombeo", las caídas de presión que se muestran en la Figura 3 son causadas por el flujo viscoso a través de los intercambiadores de calor. La línea roja representa el calentador, la verde el regenerador y la azul el enfriador. Para diseñar correctamente los intercambiadores de calor, se requiere una optimización multivariante para obtener suficiente transferencia de calor con pérdidas de flujo aceptables. Las pérdidas de flujo que se muestran aquí son relativamente bajas y apenas son visibles en la siguiente imagen, que mostrará las variaciones de presión generales en el ciclo.

Presión versus ángulo del cigüeñal

La Figura 4 muestra los resultados de una "simulación adiabática" con intercambiadores de calor no ideales. Tenga en cuenta que la caída de presión en el regenerador es muy baja en comparación con la variación de presión general en el ciclo.

Temperatura versus ángulo del cigüeñal

La Figura 5 ilustra las propiedades adiabáticas de un intercambiador de calor real. Las líneas rectas representan las temperaturas de la parte sólida del intercambiador de calor y las curvas son las temperaturas de los gases de los espacios respectivos. Las fluctuaciones de la temperatura del gas son causadas por los efectos de la compresión y expansión en el motor, junto con intercambiadores de calor no ideales que tienen una tasa limitada de transferencia de calor. Cuando la temperatura del gas se desvía por encima y por debajo de la temperatura del intercambiador de calor, provoca pérdidas termodinámicas conocidas como "pérdidas de transferencia de calor" o "pérdidas por histéresis". Sin embargo, los intercambiadores de calor aún funcionan lo suficientemente bien como para permitir que el ciclo real sea efectivo, incluso si la eficiencia térmica real del sistema general es solo aproximadamente la mitad del límite teórico.

Calor acumulado y energía de trabajo

La figura 6 muestra un gráfico de los datos del motor Stirling de tipo alfa, donde 'Q' denota energía térmica y 'W' denota energía de trabajo. La línea de puntos azul muestra la salida de trabajo del espacio de compresión. A medida que la traza desciende, se realiza trabajo sobre el gas a medida que se comprime. Durante el proceso de expansión del ciclo, en realidad se realiza algo de trabajo sobre el pistón de compresión, como lo refleja el movimiento ascendente de la pista. Al final del ciclo, este valor es negativo, lo que indica que el pistón de compresión requiere una entrada neta de trabajo. La línea continua azul muestra el calor que sale del intercambiador de calor más frío. El calor del enfriador y el trabajo del pistón de compresión tienen la misma energía de ciclo. Esto es consistente con la transferencia de calor neta cero del regenerador (línea verde sólida). Como era de esperar, tanto el calentador como el espacio de expansión tienen un flujo de energía positivo. La línea punteada negra muestra la producción neta de trabajo del ciclo. En este trazo, el ciclo termina más alto de lo que comenzó, lo que indica que la máquina térmica convierte la energía del calor en trabajo.