Ciclo de Stirling
El ciclo de Stirling es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de máquinas generadoras o máquinas operativas. Describe el motor Stirling que fue inventado y patentado en 1816 por el reverendo Robert Stirling con la ayuda de su hermano ingeniero. Se trata de un motor alternativo de combustión externa que lo distingue de los de combustión interna como el ciclo Otto [1] .
El ciclo de Stirling reversible , es decir, por lo que se puede lograr mediante generadores, donde se puede obtener energía mecánica de la aplicación de calor y una fuente de frío, o mediante la aplicación de energía mecánica al revés es posible obtener calor o frío en distintas ubicaciones, con tanto calefacción como refrigeración.
Este es un ciclo cerrado, es decir, el fluido es el mismo que se mueve entre el termostato caliente y el termostato frío (como para el ciclo cerrado Rankine-Hirn). Característica del ciclo es el hecho de que es regenerativo , un dispositivo interno llamado "regenerador", que es un intercambiador-acumulador de calor que aumenta la eficiencia .
El ciclo consta básicamente de cuatro fases:
- Compresión,
- suministro de calor al fluido,
- expansión de fluidos,
- eliminación de calor del fluido.
Debe definirse de inmediato que, como ocurre a menudo en la comparación entre ciclos ideales y ciclos reales, el ciclo real no está tan perfectamente separado en fases distintas y bien definidas; en el ciclo de Stirling, los solapamientos de las diferentes fases son particularmente conspicuos.
Ciclo ideal
El ciclo ideal de Stirling consta de cuatro transformaciones que actúan sobre el fluido del ciclo (ver diagrama pV a la derecha):
- Del punto 1 al punto 2: expansión transformación isotérmica . La cámara de expansión se calienta desde el exterior y el gas contenido tiene una expansión isotérmica.
- Del punto 2 al punto 3: transferencia de gas caliente a volumen constante o transformación isocórica ; el gas pasa por el regenerador aportándole parte del calor, que quedará disponible para una fase posterior.
- Del punto 3 al punto 4: transformación isotérmica de compresión, el fluido en el espacio de compresión se enfría, la compresión se imagina isotérmica.
- Del punto 4 al punto 1: transferencia de calor de volumen constante ( transformación isocórica ); el fluido fluye de regreso a través del regenerador, recuperando el calor del propio regenerador.
Complejidad y ciclo de diagrama real
Si bien el criterio teórico es conceptualmente simple, el análisis termodinámico real ha ocupado a los físicos durante mucho tiempo. La creación de un modelo de análisis del ciclo real no ha resultado ser una tarea baladí, ya que el ciclo ideal tiene solo un parecido distante con el real.
Se ha dicho: "Imaginar un ciclo ideal (físicamente imposible) tiene poco que ver con lo que realmente sucede en un ciclo real, y esto es especialmente cierto en el ciclo de Stirling".
El problema analítico del regenerador (el intercambiador de calor central en el ciclo Stirling) ha sido juzgado en un nivel "entre los más complejos que se pueden encontrar en Ingeniería" [2] [3] .
El ciclo real se puede representar en un diagrama pV con una curva cerrada con una forma típica (ver figura al lado); esta curva representa, con diferentes valores de presión y temperatura, la mayoría de los ciclos Stirling reales.
Movimiento de dispositivos mecánicos
La mayoría de los textos que tratan del ciclo siguen el modelo muy simplificado del ciclo ideal de Stirling. Esta forma de proceder es engañosa dado que si se calculan las áreas del ciclo ideal (teóricamente) aparecen rendimientos energéticos en el trabajo muy elevados. Sin embargo, esto requeriría mecanismos que son imposibles de realizar físicamente.
En realidad es necesario imaginar un mecanismo práctico que sea capaz de obtener algo que se asemeje al ciclo ideal, utilizando piezas mecánicas habituales, reales, como pistones, y mecanismos de manivela relacionados con estos. El uso de cinemática ligada a la rotación produce, como es comprensible, movimientos de las partes del tipo Sinusoide . El conjunto de movimientos sinusoidales, a menudo con pistones "cruzados", transforman el ciclo, representado por líneas rectas o curvas puras. en una especie de "frijol" aplanado, en el que el área interna (y por lo tanto la obra) se redimensiona drásticamente.
Algunas cinemáticas, como el llamado "yugo de Ross", (biela de Ross), (un enlace de compromiso entre la cruceta y una transmisión de palanca simple), producen un movimiento cuasi-sinusoidal. Otras cinemáticas producen diferentes movimientos, las posibles cinemáticas gobiernan las posibles soluciones, pero la mayoría de los posibles movimientos no siempre se reconcilian con todas las condiciones contrastantes de un sistema ideal.
Cambios de volumen
Las diversas configuraciones de los distintos dispositivos posibles para realizar el ciclo prevén forzosamente (determinadas por los dispositivos mecánicos) variaciones coercitivas de volumen. Aunque no son comparables a las pérdidas presentes en un motor de combustión interna, cualquier cambio de volumen inadecuado puede sobrecargar el ciclo con fenómenos de bombeo innecesarios. Entonces es necesario considerar que el fluido está confinado y por lo tanto no existen grandes espacios de maniobra para aligerar el fenómeno; por el contrario, el problema es considerable si consideramos la necesidad de reducir los “espacios muertos”, es decir, los espacios, que necesariamente separan una parte del dispositivo de la otra, por donde pasa el fluido pero sobre los que no se realiza ninguna actividad. . (De hecho, solo el motor termoacústico casi todo el fluido está involucrado en las transformaciones).
La pulsación
Luego hay un hecho muy importante, no descrito por el ciclo, y que hace que la definición de la parte “real” del dispositivo sea de enorme importancia. Como se puede entender, (pero no es tan fácil entender cómo lograrlo) la condición fundamental y exclusiva para poder extraer energía mecánica (en motores), o para obtener concentraciones y sustracciones de calor (en bombas de calor). se basa en el hecho de que se mantiene una pulsación cíclica del fluido de trabajo; en motores esta pulsación será sostenida por la diferencia térmica entre el punto caliente y frío del sistema, es decir, en la bomba de calor, la oscilación será producida por el movimiento inducido a producir como resultado puntos de depresión o compresión.
Por tanto, parece evidente, al tratarse de pulsaciones, que la constitución de sistemas resonantes fluido-mecánicos eficientes (cuando el fluido es un gas que varía sus parámetros térmicos en un entorno cerrado) es extremadamente difícil de diseñar. De hecho, la pulsación se obtiene por ensayo y error y de forma completamente empírica, proporcionando sucesivas aproximaciones con la forma física del motor, a los desplazamientos de fase del pistón del motor y del desplazador, (es decir, el que transfiere el fluido del punto caliente al frío); de hecho, se ha demostrado que con pistones en fase y soluciones simétricas el sistema no funciona. La eliminación de las condiciones de pulsación "natural" puede producir una caída repentina en la eficiencia del motor o, en el límite, su parada. Esto explica, entre otras cosas, la dirección de uso del motor a velocidades y cargas constantes, o la difícil "escalabilidad". En resumen, es posible mejorar un ciclo aplicado a una máquina que funciona, tratando de mejorarlo (por ejemplo, probando pequeñas variaciones de parámetros y escala), en cambio es difícil diseñar, partiendo del ciclo y asumiendo los parámetros. , una máquina que simplemente puede funcionar, sin siquiera abordar problemas de eficiencia.
Ciclo inverso
Si por un lado es difícil establecer una pulsación eficiente con calor, y extraer eficientemente la energía del sistema pulsante, es menos difícil practicar el ciclo inverso, es decir, producir, administrando energía mecánica, una pulsación del fluido confinado, y obtener en sitios definidos de la propia maquinaria un sitio de expansión (y por lo tanto un enfriamiento), y en otro un sitio de compresión (y por lo tanto un calentamiento). Esto es lo que se consigue en la máquina frigorífica Stirling , obtenida con dispositivos mecánicos convencionales, con ( manivela y pistón ), o con el uso inverso del motor termoacústico , donde la pulsación mecánica es proporcionada por sistemas resonantes ( motor lineal , placa de piezoelectricidad ) operando a frecuencias mucho más altas.
Nota
- ^ Robert Sier, motores calóricos y Stirling de aire caliente. Vol. 1, A history , 1st Edition (Revised), LA Mair, 1999, ISBN 0-9526417-0-4 .
- ^ Órgano, "El regenerador y el motor Stirling", p.7
- ^ Jakob, M. (1957) Heat Transfer II John Wiley, Nueva York, Estados Unidos y Chapman and Hall, Londres, Reino Unido
Bibliografía
- Naso, Vincenzo, The Stirling machine , Ambrosiana Publishing House, 1991, ISBN 978-88-08-08365-4 .
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Otros proyectos
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enlaces externos
- ( EN )Ciclo de Stirling , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
