Ciclo ericsson

El ciclo de Ericsson lleva el nombre del inventor John Ericsson, quien diseñó y construyó muchos motores térmicos únicos basados en varios ciclos termodinámicos. Se le atribuye la invención de dos ciclos únicos de motores térmicos y el desarrollo de motores prácticos basados en estos ciclos. Su primer ciclo ahora se conoce como ciclo cerrado de Brayton, mientras que su segundo ciclo es lo que ahora se llama ciclo de Ericsson. Ericsson es uno de los pocos que construyó motores de ciclo abierto, pero también construyó motores de ciclo cerrado.

Ciclo Ericsson ideal

La siguiente es una lista de los cuatro procesos que ocurren entre las cuatro etapas del ciclo ideal de Ericsson:

• Proceso 1 - título 2: Compresión intrastera. Se supone que el espacio de compresión está intercalado, por lo que el gas sufre compresión isotérmica. El aire comprimido fluye en un tanque de almacenamiento a presión constante. En el ciclo ideal, no hay transferencia de calor a través de las paredes del tanque.
• Proceso 2 - título 3: Isobaric calor add. Desde el tanque, el aire comprimido fluye a través del regenerador y recoge el calor a una alta presión constante en el camino hacia el cilindro eléctrico calentado.
• Proceso 3 - título 4: Expansión intrastémica. El espacio de expansión-cilindro de energía se calienta externamente, y el gas sufre expansión isotérmica.
• Proceso 4 - título 1: Eliminación de calor Isobaric. Antes de que el aire sea liberado como escape, se pasa por el regenerador, enfriando así el gas a baja presión constante, y calentando el regenerador para el próximo ciclo.

Comparación con los ciclos de Carnot, Diesel, Otto y Stirling

Los ciclos ideales Otto y Diesel no son totalmente reversibles porque implican 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 isocórico. La irreversibilidad antes mencionada hace que la eficiencia térmica de estos ciclos sea menor que la de un motor de Carnot funcionando dentro de los mismos límites de temperatura. Otro ciclo que presenta procesos isobáricos de adición y rechazo de calor es el ciclo de Ericsson. El ciclo de Ericsson es una versión alterada del ciclo de Carnot en la que los dos procesos isentrópicos presentados en el ciclo de Carnot son reemplazados por dos procesos de regeneración isotérmica.

El ciclo Ericsson a menudo se compara con el ciclo Stirling, ya que los diseños de motores basados en estos respectivos ciclos son ambos motores de combustión externa con regeneradores. El Ericsson es quizás el más parecido al llamado modelo de "doble efecto" Tipo de motor Stirling, en el que el pistón desplazador también actúa como pistón de potencia. Teóricamente, ambos ciclos tienen la llamada eficiencia ideal, que es la más alta permitida por la segunda ley de la termodinámica. El ciclo ideal más conocido es el ciclo de Carnot, aunque no se sabe que se haya inventado un motor de Carnot útil. Las eficiencias teóricas para los ciclos de Ericsson y Stirling que actúan en los mismos límites son iguales a la eficiencia de Carnot para los mismos límites.

Comparación con el ciclo de Brayton

El primer ciclo que Ericsson desarrolló ahora se llama "ciclo Brayton", y se aplica comúnmente a los motores de turbina de gas.

El segundo ciclo de Ericsson es el ciclo más comúnmente conocido simplemente como "ciclo de Ericsson". El (segundo) ciclo Ericsson es también el límite de un ciclo Brayton de turbina de gas ideal, que funciona con compresión intercooler de múltiples etapas y expansión de múltiples etapas con recalentamiento y regeneración. En comparación con el ciclo de Brayton que utiliza compresión y expansión adiabáticas, el segundo ciclo de Ericsson utiliza compresión y expansión isotérmicas, produciendo así más trabajo neto por carrera. Además, el uso de la regeneración en el ciclo Ericsson aumenta la eficiencia al reducir el aporte de calor requerido. Para más comparaciones de ciclos termodinámicos, consulte motor térmico.

Motor Ericsson

El motor Ericsson se basa en el ciclo Ericsson y se le conoce como "motor de combustión externa" porque se calienta externamente. Para mejorar la eficiencia, el motor dispone de un regenerador o recuperador entre el compresor y el expansor. El motor puede funcionar en ciclo abierto o cerrado. La expansión ocurre simultáneamente con la compresión, en lados opuestos del pistón.

Regenerador

Ericsson acuñó el término "regenerador" por su invención independiente del intercambiador de calor a contracorriente de flujo mixto. Sin embargo, el reverendo Robert Stirling había inventado el mismo dispositivo antes que Ericsson, por lo que la invención se atribuye a Stirling. Stirling lo llamó una estrategia "economizadora". o "economizador", porque aumentaba la economía de combustible de varios tipos de procesos térmicos. Se descubrió que la invención era útil en muchos otros dispositivos y sistemas, donde se utilizó más ampliamente, ya que se prefirieron otros tipos de motores al motor Stirling. El término "regenerador" es ahora el nombre que se le da al componente del motor Stirling.

El término "recuperador" se refiere a un intercambiador de calor a contracorriente y de flujo separado. Como si esto no fuera lo suficientemente confuso, a veces se utiliza un regenerador de flujo mixto como recuperador de flujo casi separado. Esto se puede hacer mediante el uso de válvulas móviles, o mediante un regenerador giratorio con deflectores fijos, o mediante el uso de otras piezas móviles. Cuando el calor se recupera de los gases de escape y se utiliza para precalentar el aire de combustión, normalmente se utiliza el término recuperador, porque los dos flujos están separados.

Historia

En 1791, antes que Ericsson, John Barber propuso un motor similar. El motor Barber utilizaba un compresor de fuelle y un expansor de turbina, pero carecía de regenerador/recuperador. No hay registros de un motor Barber en funcionamiento. Ericsson inventó y patentó su primer motor utilizando una versión externa del ciclo Brayton en 1833 (número 6409/1833 británico). Esto fue 18 años antes de Joule y 43 años antes de Brayton. Los motores Brayton eran todos motores de pistón y, en su mayor parte, versiones de combustión interna del motor Ericsson no recuperado. El "ciclo de Brayton" Ahora se conoce como ciclo de la turbina de gas, y se diferencia del "ciclo Brayton" en el uso de un compresor de turbina y un expansor. El ciclo de la turbina de gas se utiliza para todos los motores turborreactores y de turbina de gas modernos; sin embargo, las turbinas de ciclo simple a menudo se recuperan para mejorar la eficiencia y estas turbinas recuperadas se parecen más al trabajo de Ericsson.

Ericsson finalmente abandonó el ciclo abierto en favor del tradicional ciclo cerrado de Stirling.

El motor de Ericsson se puede modificar fácilmente para que funcione en modo de ciclo cerrado, utilizando un segundo recipiente enfriado de menor presión entre el escape y la admisión originales. En ciclo cerrado, la presión más baja puede ser significativamente superior a la presión ambiente y se puede utilizar gas de trabajo He o H₂. Debido a la mayor diferencia de presión entre el movimiento ascendente y descendente del pistón de trabajo, la potencia específica puede ser mayor que la de un motor Stirling sin válvulas. El costo adicional es la válvula. El motor de Ericsson también minimiza las pérdidas mecánicas: la potencia necesaria para la compresión no pasa por pérdidas por fricción en los cojinetes del cigüeñal, sino que se aplica directamente a partir de la fuerza de expansión. El motor Ericsson de pistón puede ser potencialmente el sistema de motor térmico de mayor eficiencia jamás construido. Es cierto que esto aún no se ha demostrado en aplicaciones prácticas.

Ericsson diseñó y construyó una gran cantidad de motores que funcionan en varios ciclos, incluidos vapor, Stirling, Brayton y ciclo de fluido de aire diésel calentado externamente. Hizo funcionar sus motores con una gran variedad de combustibles, incluido el carbón y el calor solar.

Ericsson también fue responsable de uno de los primeros usos de la hélice de tornillo para la propulsión de barcos, en el USS Princeton, construido en 1842-1843.

Barco calórico Ericsson

En 1851, el motor de ciclo Ericsson (el segundo de los dos analizados aquí) se utilizó para propulsar un barco de 2.000 toneladas, el barco calórico Ericsson, y funcionó sin problemas durante 73 horas. El motor combinado producía unos 300 caballos de fuerza (220 kW). Tenía una combinación de cuatro motores de doble pistón; El pistón/cilindro de expansión más grande, de 4,3 m (14 pies) de diámetro, fue quizás el pistón más grande jamás construido. Se rumorea que se colocaron mesas encima de esos pistones (obviamente en la cámara de compresión fría, no en la cámara de energía caliente) y se sirvió y comió la cena, mientras el motor estaba funcionando a máxima potencia. A 6,5 RPM, la presión se limitó a 8 psi (55 kPa). Según el informe oficial, sólo consumía 4.200 kg de carbón cada 24 horas (el objetivo original era 8.000 kg, lo que sigue siendo mejor que las máquinas de vapor actuales). La única prueba en el mar demostró que, aunque el motor funcionaba bien, el barco tenía poca potencia. Algún tiempo después de las pruebas, el Ericsson se hundió. Cuando se levantó, se quitó el motor de ciclo Ericsson y se colocó una máquina de vapor en su lugar. El barco naufragó cuando encalló en noviembre de 1892 en la entrada de Barkley Sound, Columbia Británica, Canadá.

El potencial actual

El ciclo Ericsson (y el ciclo Brayton similar) recibe hoy un renovado interés para extraer energía del calor de escape de los motores de gas (y del gas productor) y los concentradores solares. A menudo no se reconoce una ventaja importante del ciclo Ericsson sobre el conocido motor Stirling: el volumen del intercambiador de calor no afecta negativamente a la eficiencia.

(...)a pesar de tener importantes ventajas sobre el Stirling. Entre ellos, vale la pena señalar que los intercambiadores de calor de los motores Ericsson no son volúmenes muertos, mientras que el diseñador de los intercambiadores de calor de los motores Stirling tiene que afrontar un compromiso difícil entre áreas de transferencia de calor lo más grandes posible, pero volúmenes de intercambiadores de calor tan pequeños como sea posible.

Para motores medianos y grandes, el coste de las válvulas puede ser pequeño en comparación con esta ventaja. Las implementaciones de turbocompresor más turbina parecen favorables en el rango de MWe, compresor de desplazamiento positivo más turbina para potencia Nx100 kWe y compresor de desplazamiento positivo + expansor por debajo de 100 kW. Con fluido hidráulico a alta temperatura, tanto el compresor como el expansor pueden ser bombas de anillo líquido incluso hasta 400 °C, con carcasa giratoria para una mejor eficiencia.