El ciclo de Ericsson recibe su nombre del inventor John Ericsson , que diseñó y construyó muchos motores térmicos únicos basados en varios ciclos termodinámicos . Se le atribuye la invención de dos ciclos de motores térmicos únicos y el desarrollo de motores prácticos basados en estos ciclos. Su primer ciclo se conoce ahora 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, [1] pero también construyó motores de ciclo cerrado. [2]
La siguiente es una lista de los cuatro procesos que ocurren entre las cuatro etapas del ciclo ideal de Ericsson:
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 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 que opera 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 que se presentan en el ciclo de Carnot se reemplazan por dos procesos de regeneración isotérmica .
El ciclo de Ericsson se compara a menudo 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 más similar al llamado tipo de motor Stirling de "doble efecto", 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 ambos ciclos, Ericsson y Stirling actuando en los mismos límites, son iguales a la eficiencia de Carnot para los mismos límites.
El primer ciclo desarrollado por Ericsson se denomina ahora “ ciclo Brayton ”, y se aplica habitualmente a los motores de turbina de gas .
El segundo ciclo de Ericsson es el ciclo al que se hace referencia más comúnmente como "ciclo de Ericsson". El (segundo) ciclo de Ericsson es también el límite de un ciclo Brayton de turbina de gas ideal, que funciona con compresión interenfriada en varias etapas y expansión en varias etapas con recalentamiento y regeneración. En comparación con el ciclo Brayton, que utiliza compresión y expansión adiabáticas , el segundo ciclo de Ericsson utiliza compresión y expansión isotérmicas, lo que produce más trabajo neto por carrera. Además, el uso de regeneración en el ciclo de Ericsson aumenta la eficiencia al reducir la entrada de calor necesaria. Para más comparaciones de ciclos termodinámicos, consulte motor térmico .
El motor Ericsson se basa en el ciclo Ericsson y se lo conoce como " motor de combustión externa ", ya que se calienta desde el exterior. Para mejorar la eficiencia, el motor tiene un regenerador o recuperador entre el compresor y el expansor. El motor puede funcionar en ciclo abierto o cerrado. La expansión se produce simultáneamente con la compresión, en lados opuestos del pistón.
Ericsson acuñó el término "regenerador" para su invención independiente del intercambiador de calor de contracorriente de flujo mixto. Sin embargo, el reverendo Robert Stirling había inventado el mismo dispositivo, antes que Ericsson, por lo que la invención se le atribuye a Stirling. Stirling lo llamó "economizador" o "economizador", porque aumentó el ahorro de combustible de varios tipos de procesos térmicos. La invención se encontró útil en muchos otros dispositivos y sistemas, donde se usó más ampliamente, ya que otros tipos de motores se favorecieron en lugar del 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 de flujo separado y contracorriente. Como si esto no fuera lo suficientemente confuso, un regenerador de flujo mixto a veces se utiliza como un recuperador de flujo cuasi 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 partes móviles. Cuando se recupera calor 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.
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 que Joule y 43 años antes que Brayton . Los motores Brayton eran todos motores de pistón y en su mayor parte, versiones de combustión interna del motor Ericsson sin recuperación. El " ciclo Brayton " ahora se conoce como ciclo de turbina de gas , que se diferencia del "ciclo Brayton" original en el uso de un compresor de turbina y un expansor. El ciclo de turbina de gas se utiliza para todos los motores de turbina de gas y turborreactores 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 Stirling cerrado.
El motor de Ericsson se puede modificar fácilmente para que funcione en modo de ciclo cerrado, utilizando un segundo recipiente refrigerado de menor presión entre el escape y la admisión originales. En el ciclo cerrado, la presión más baja puede ser significativamente superior a la presión ambiental y se puede utilizar He o H2 como gas de trabajo. Debido a la mayor diferencia de presión entre el movimiento ascendente y descendente del pistón de trabajo, la salida 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 las pérdidas por fricción del cojinete del cigüeñal, sino que se aplica directamente desde la fuerza de expansión. El motor de Ericsson de tipo pistón puede ser potencialmente el motor térmico de mayor eficiencia jamás construido. Es cierto que esto aún debe demostrarse en aplicaciones prácticas. [ cita requerida ]
Ericsson diseñó y construyó una gran cantidad de motores que funcionaban con distintos ciclos, incluidos el de vapor, el Stirling, el Brayton y el ciclo de aire-fluido diésel calentado externamente. Hizo funcionar sus motores con una gran variedad de combustibles, incluidos 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 entre 1842 y 1843.
En 1851, el motor de ciclo Ericsson (el segundo de los dos que se analizan aquí) se utilizó para propulsar un barco de 2000 toneladas, el barco calórico Ericsson, [3] y funcionó sin problemas durante 73 horas. [4] 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 14 pies (4,3 m) de diámetro, fue quizás el pistón más grande jamás construido. Se rumorea que se colocaron mesas sobre esos pistones (obviamente en la cámara de compresión fría, no en la cámara de potencia caliente) y se sirvió y comió la cena, mientras el motor funcionaba a plena potencia. [ cita requerida ] A 6,5 RPM, la presión se limitó a 8 psi (55 kPa). Según el informe oficial, solo consumía 4200 kg de carbón cada 24 horas (el objetivo original era 8000 kg, que sigue siendo mejor que los motores de vapor contemporáneos). 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 fue sacado a flote, se quitó el motor de ciclo Ericsson y se colocó un motor de vapor en su lugar. El barco naufragó cuando encalló en noviembre de 1892 a la entrada de Barkley Sound , Columbia Británica, Canadá. [5]
El ciclo Ericsson (y el ciclo Brayton similar) recibe un renovado interés [6] hoy en día para extraer energía del calor de escape de los motores de gas (y gas pobre ) y los concentradores solares . Una ventaja importante del ciclo Ericsson sobre el ampliamente conocido motor Stirling a menudo no se reconoce: el volumen del intercambiador de calor no afecta negativamente la eficiencia.
(...) a pesar de tener ventajas significativas sobre el Stirling. Entre ellas, cabe destacar que los intercambiadores de calor del motor Ericsson no son volúmenes muertos, mientras que el diseñador de intercambiadores de calor del motor Stirling tiene que enfrentarse a un difícil compromiso entre áreas de transferencia de calor lo más grandes posibles, pero volúmenes de intercambiador de calor lo más pequeños posibles. [7]
Para motores medianos y grandes, el costo 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 potencias Nx100 kWe y compresor de desplazamiento positivo + expansor por debajo de 100 kW. Con fluido hidráulico de 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.
