Ciclos Stirling y Ericsson Ciclos Reversibles con Regeneración

Condición necesaria para ciclos Reversibles La diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y la fuente o sumidero de energía térmica nunca debe exceder una cantidad diferencial de temperatura, dT durante cualquier proceso de transferencia de calor. (Procesos Isotérmicos a TL y TH) → Carnot

Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren del ciclo de Carnot en que los procesos isentrópicos son reemplazados por procesos de regeneración

Regeneración Proceso durante el cual se transfiere calor a un dispositivo, llamado Regenerador, durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo al fluido de trabajo durante otra parte del ciclo.

Dos procesos isotérmicos y dos procesos isentrópicos Ciclo Carnot Dos procesos isotérmicos y dos procesos isentrópicos

Dos procesos isotérmicos y regeneración a volumen constante. Ciclo Stirling Dos procesos isotérmicos y regeneración a volumen constante.

Ciclo Stirling 1-2 Expansión a T = constante (adición de calor de una fuente externa) 2-3 Pregeneración a v = cosntante (transferencia de calor interna del fluido de trabajo al regenerador) 3-4 Compresión a T = constante (rechazo de calor en un sumidero externo) 4-1 Regeneración a v = constante (transferencia de calor interna de un regenerador de nuevo al fluido de trabajo)

Ciclo Stirling Sistema de cilindro con dos émbolos a los lados y un regenerador en medio. El regenerador es un tapón poroso con alta masa térmica (masa por calor específico), puede ser una malla metálica o de cerámica. Masa de fluido dentro del Regenerador en cualquier instante se considera despreciable Fluido de Trabajo es un gas.

Proceso 1-2: Se añade calor al gas a TH de una fuente a TH Proceso 1-2: Se añade calor al gas a TH de una fuente a TH. El gas se expande isotérmicamente (el embolo de la izquierda se mueve hacia afuera), efectúa trabajo y la presión del gas disminuye. Proceso 2-3: Los dos émbolos se mueven hacia la derecha a la misma velocidad (volumen constante), el gas es empujado hacia la cámara derecha. Cuando el gas pasa por el regenerador se transfiere calor al regenerador y el gas disminuye temperatura de TH a TL (diferencia de temperatura entre el gas y regenerador no debe ser mayor de dT). Temperatura del Regenerador del lado izquierdo es TH y la temperatura del fluido del lado derecho es TL

Proceso 3-4: El émbolo de la derecha se mueve hacia adentro y comprime el gas. Transferencia de calor del gas al sumidero a TL, mientras aumenta la presión. Proceso 4-1: Los dos émbolos se mueven hacia la izquierda a velocidad constante para mantener el volumen constante y empujan el gas hacia la cámara izquierda. La temperatura del gas aumenta de TL a TH al pasar por el regenerador y toma la energía térmica almacenada anteriormente en el proceso 2-3 y se da por completo el ciclo.

Corolario Transferencia neta de calor al regenerador es cero. La cantidad de calor almacenada por el regenerador durante el proceso 2-3 es igual a la cantidad tomada por el gas en el proceso 4-1.

Dos procesos isotérmicos y regeneración a presión constante. Ciclo Ericsson Dos procesos isotérmicos y regeneración a presión constante.

Ciclo Ericsson Los procesos de expansión y compresión isotérmicos se llevan a cabo en la turbina y el compresor como se muestra en la figura siguiente. El regenerador es un intercambiador de calor de contraflujo. La transferencia de calor sucede entre las dos corrientes En el caso ideal la diferencia de temperatura entre las dos corrientes no excede una cantidad diferencial dT. La corriente de fluido fría sale del intercambiador de calor a la temperatura de entrada de la corriente caliente.

Ciclo Ericsson

Eficiencia de los ciclos Stirling y Ericsson Los ciclos Stirling y Ericcson son totalmente reversibles, como el ciclo Carnot; por lo tanto, de acuerdo con el principio de Carnot, los tres ciclos tendrán la misma eficiencia térmica cuando operen entre los mismos límites de Temperatura

Demostración Al fluido de trabajo se le añade calor isotérmicamente de una fuente externa de temperatura TH durante el proceso 1-2, y se rechaza también isotérmicamente en un sumidero externo a temperatura TL durante el proceso 3-4. En un proceso isotérmico reversible, la transferencia de calor se relaciona con el cambio de entropía mediante El cambio de entropía de un gas ideal durante un proceso isotérmico está dado por:

Como: y el logaritmo natural de 1 es cero, El valor de la entrada de calor y de la salida de calor puede expresarse como:

De lo anterior la eficiencia del ciclo de Ericsson es Debido a que P1 = P4 y P3 = P2

CASO. (Problema 8. 62, p. 490. Termodinámica, Yunus A CASO (Problema 8.62, p. 490. Termodinámica, Yunus A. Cengel y Michael A. Boles, Cuarta edición) Considere un ciclo Ericsson ideal con aire como fluido de trabajo ejecutado en un sistema de flujo estable. El aire se encuentra a 27 ºC y 120 kPa al principio del proceso de compresión isotérmica durante el cual 150 kJ/kg de calor se rechazan. La transferencia de calor al aire sucede a 1200 K. Determine a) la presión máxima en el ciclo, b) la salida neta de trabajo por unidad de masa de aire y c) la eficiencia térmica del ciclo.

Presión máxima del ciclo Considerando al aire como un gas ideal… De tabla A.1 despejando y resolviendo para P4 Que es la máxima presión del ciclo

Salida neta de trabajo por unidad de masa de aire

igualando las definiciones anteriores de eficiencia: despejando y resolviendo Que es la salida neta de trabajo por unidad de masa de aire.

Eficiencia del ciclo Que es la eficiencia del ciclo.