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 . [1]
Los ciclos ideales de 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 y rechazo de calor isocórico / isobárico . La irreversibilidad 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 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 isentrópicos presentados en el ciclo de Carnot son reemplazados 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 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 contenido permanentemente dentro del sistema termodinámico . Esto también clasifica el dispositivo del motor como un motor térmico externo . "Regenerativo" se refiere al uso de un intercambiador de calor interno llamado regenerador que aumenta la eficiencia térmica del dispositivo .
El ciclo es el mismo que la mayoría de los demás ciclos de calor en el sentido de 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 ciclos 'ideales' (como el ciclo de Schmidt) no son físicamente realizables ni representativos del ciclo de Stirling". [2]
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". [3] [4]
El ciclo idealizado de Stirling [5] consta de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo (ver diagrama a la derecha):
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 "ciclo Stirling ideal", porque es un modelo "idealizado" y no necesariamente un ciclo optimizado. En teoría, el "ciclo ideal" tiene un alto rendimiento de trabajo neto, pero rara vez se utiliza en aplicaciones prácticas, en parte porque otros ciclos son más simples o reducen las tensiones máximas en los rodamientos y otros componentes. Por conveniencia, el diseñador puede optar por utilizar movimientos del pistón dictados por la dinámica del sistema, como mecanismos de articulación mecánica. En cualquier caso, la eficiencia y la potencia del ciclo son casi tan buenas como una implementación real del caso idealizado. Una manivela o varillaje de pistón típico en el diseño denominado "cinemático" a menudo da como resultado un movimiento de pistón casi sinusoidal. Algunos diseños harán que el pistón "se quede" en cualquiera de los extremos del recorrido.
Muchos enlaces cinemáticos, como el conocido "yugo de Ross", exhibirán un movimiento casi sinusoidal. Sin embargo, otros vínculos, como el " impulso rómbico ", exhibirán más movimientos no sinusoidales. En menor medida, el ciclo ideal introduce complicaciones, ya que requeriría una aceleración algo mayor del pistón y mayores pérdidas por bombeo viscoso del fluido de trabajo. Sin embargo, las tensiones del material y las pérdidas de bombeo en un motor optimizado sólo serían intolerables cuando se aproximara al "ciclo ideal" y/o con velocidades de ciclo elevadas. Otras cuestiones incluyen el tiempo necesario para la transferencia de calor, particularmente para los procesos isotérmicos . En un motor con un ciclo que se acerca al "ciclo ideal", es posible que sea necesario reducir la velocidad del ciclo para abordar estos problemas.
En el modelo más básico de dispositivo de pistón libre, la cinemática dará como resultado un movimiento armónico simple .
En los motores beta y gamma, generalmente la diferencia del ángulo de fase entre los movimientos del pistón no es la misma que el ángulo de fase de las variaciones de volumen. Sin embargo, en el alfa Stirling, son iguales. [6] El resto del artículo asume variaciones de volumen sinusoidales, como en un alfa Stirling con pistones colineales, llamado dispositivo alfa de "pistón opuesto".
Advertencia: entre las muchas imprecisiones 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.
Este tipo de gráfico se utiliza para caracterizar casi todos los ciclos termodinámicos. El resultado de las variaciones de volumen sinusoidales es el ciclo de forma casi elíptica que se muestra en la Figura 1. Comparado 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 . [7]
El ciclo adiabático de Stirling es similar al ciclo de Stirling idealizado ; sin embargo, los cuatro procesos termodinámicos son ligeramente diferentes (ver gráfico arriba):
Con la excepción de un motor termoacústico Stirling , ninguna de las partículas de gas fluye realmente durante todo el ciclo. Por lo tanto, este enfoque no es susceptible de un análisis más detallado del ciclo. Sin embargo, proporciona una descripción general e indica el trabajo del ciclo.
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 holgura (que evita que el pistón entre en contacto con el intercambiador de calor caliente), el calentador, el regenerador, el enfriador, el volumen de holgura del enfriador y el volumen de compresión barrido por el pistón de compresión.
También conocidas como "pérdidas de bombeo", las caídas de presión que se muestran en la Figura 3 son causadas por un flujo viscoso a través de los intercambiadores de calor. La línea roja representa el calentador, la verde es el regenerador y la azul es el enfriador. Para diseñar adecuadamente los intercambiadores de calor, se requiere una optimización multivariada para obtener una transferencia de calor suficiente con pérdidas de flujo aceptables. [6] Las pérdidas de flujo que se muestran aquí son relativamente bajas y apenas son visibles en la siguiente imagen, que mostrará las variaciones generales de presión en el ciclo.
La Figura 4 muestra los resultados de una "simulación adiabática" con intercambiadores de calor no ideales. Tenga en cuenta que la caída de presión a través del regenerador es muy baja en comparación con la variación de presión general en el ciclo.
La Figura 5 ilustra las propiedades adiabáticas de un intercambiador de calor real. Las líneas rectas representan las temperaturas de la porción sólida del intercambiador de calor y las curvas son las temperaturas de los gases de los respectivos espacios. Las fluctuaciones de 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 de transferencia de calor limitada . Cuando la temperatura del gas se desvía por encima o por debajo de la temperatura del intercambiador de calor, se producen pérdidas termodinámicas conocidas como "pérdidas por transferencia de calor" o "pérdidas por histéresis". Sin embargo, los intercambiadores de calor todavía 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 .
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 el trabajo realizado en el 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 se refleja en 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 continua). Como era de esperar, tanto el calentador como el espacio de expansión tienen un flujo de energía positivo. La línea de puntos 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 el motor térmico convierte la energía del calor en trabajo.