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 transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura durante los procesos irreversibles isocóricos / isobáricos de adición y rechazo de calor. La irreversibilidad hace que la eficiencia térmica de estos ciclos sea menor que la de un motor de Carnot que opera dentro de los mismos límites de temperatura. Otro ciclo que presenta procesos isotérmicos de adición y rechazo de calor es el ciclo Stirling, que es una versión modificada del ciclo de Carnot en el que los dos procesos isentrópicos que se presentan en el ciclo de Carnot se reemplazan por dos procesos de regeneración a volumen constante.
El ciclo es reversible, lo que significa que si se le suministra energía mecánica, puede funcionar como una bomba de calor para calentar o enfriar , e incluso para enfriar criogénicamente . 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 al 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 similar a la mayoría de los demás ciclos térmicos 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 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 Schmidt) no son ni físicamente realizables ni representativos del ciclo Stirling". [2]
El problema analítico del regenerador (el intercambiador de calor central en el ciclo Stirling) es considerado por Jakob como "uno de los más difíciles y complejos que se encuentran en la ingeniería". [3] [4]
El ciclo Stirling idealizado [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 Stirling que consta de cuatro procesos. Se lo conoce como "ciclo Stirling ideal", porque es un modelo "idealizado" y no necesariamente un ciclo optimizado. Teóricamente, 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 cojinetes y otros componentes. Por conveniencia, el diseñador puede optar por utilizar movimientos de 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. Un cigüeñal o articulación de pistón típico en un diseño denominado "cinemático" a menudo da como resultado un movimiento de pistón casi sinusoidal. Algunos diseños harán que el pistón "se detenga" en cualquiera de los extremos del recorrido.
Muchos enlaces cinemáticos, como el conocido "yugo de Ross", exhibirán un movimiento casi sinusoidal. Sin embargo, otros enlaces, como el " accionamiento rómbico ", exhibirán un movimiento más no sinusoidal. En menor medida, el ciclo ideal introduce complicaciones, ya que requeriría una aceleración del pistón algo mayor y mayores pérdidas de bombeo viscoso del fluido de trabajo. Sin embargo, las tensiones del material y las pérdidas de bombeo en un motor optimizado solo serían intolerables cuando se acercara al "ciclo ideal" y/o a altas tasas de ciclo. Otros problemas incluyen el tiempo requerido para la transferencia de calor, particularmente para los procesos isotérmicos . En un motor con un ciclo que se acerca al "ciclo ideal", la tasa de ciclo podría tener que reducirse para abordar estos problemas.
En el modelo más básico de un dispositivo de pistón libre, la cinemática dará como resultado un movimiento armónico simple .
En los motores beta y gamma, por lo general, la diferencia de ángulo de fase entre los movimientos de los pistones no es la misma que el ángulo de fase de las variaciones de volumen. Sin embargo, en el Stirling alfa, son iguales. [6] El resto del artículo supone variaciones de volumen sinusoidales, como en un Stirling alfa con pistones colineales, llamado dispositivo alfa de "pistones opuestos".
Advertencia: entre las muchas imprecisiones de este artículo, se hace referencia a una configuración alfa colineal, que sería beta. Otra opción sería una alfa, que tiene un sistema de enlace inaceptablemente ineficiente.
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 cuasi 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 . [7]
El ciclo Stirling adiabático es similar al ciclo Stirling idealizado ; sin embargo, los cuatro procesos termodinámicos son ligeramente diferentes (ver el gráfico anterior):
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 adecuado para un análisis más profundo del ciclo. Sin embargo, proporciona una visión general e indica el trabajo del ciclo.
La figura 2 muestra las líneas de trazo que indican cómo fluye el gas a través de un motor Stirling real. Las líneas verticales de colores delinean 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.
Las caídas de presión que se muestran en la Figura 3, también denominadas "pérdidas de bombeo", 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 multivariable 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. Nótese que la caída de presión en el 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 parte sólida del intercambiador de calor y las curvas son las temperaturas de los gases de los respectivos espacios. Las fluctuaciones de la temperatura de los gases 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, causa 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 .
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 punteada 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 traza. 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 fluye fuera del intercambiador de calor del enfriador. 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 se esperaría, tanto el calentador como el espacio de expansión tienen un flujo de energía positivo. La línea punteada negra muestra la salida de trabajo neto del ciclo. En esta traza, el ciclo termina más alto de lo que comenzó, lo que indica que el motor térmico convierte la energía del calor en trabajo.