Ciclo Stirling

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico que describe la clase general de dispositivos Stirling. Esto incluye el motor Stirling original , inventado, desarrollado y patentado en 1816 por Robert Stirling con la ayuda de su hermano, un ingeniero . ^{[ 1 ]}

Los ciclos Otto y Diesel ideales no son totalmente reversibles, ya que implican transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita durante los procesos irreversibles de adición y rechazo de calor isocóricos / isobáricos . Esta irreversibilidad reduce la eficiencia térmica de estos ciclos en comparación con la de un motor 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, una versión modificada del ciclo Carnot en la que los dos procesos isoentrópicos 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 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 permanentemente contenido dentro del sistema termodinámico . Esto también clasifica al dispositivo 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 al de la mayoría de los ciclos térmicos, ya que consta de cuatro procesos principales: compresión, adición de calor, expansión y eliminación de calor. Sin embargo, estos procesos no son independientes, sino que las transiciones se superponen.

El ciclo Stirling es un tema sumamente complejo que ha desafiado el análisis de numerosos expertos durante más de 190 años. Se requiere termodinámica avanzada para describirlo. El profesor Israel Urieli escribe: «...los diversos ciclos "ideales" (como el ciclo Schmidt) no son físicamente realizables ni representativos del ciclo Stirling». ^{[ 2 ]}

Jakob considera que el problema analítico del regenerador (el intercambiador de calor central en el ciclo Stirling) se encuentra "entre los más difíciles y complejos que se presentan en la ingeniería". ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El ciclo Stirling idealizado ^{[ 5 ]} consta de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo (véase el diagrama de la derecha):

La mayoría de los libros de texto de termodinámica describen una forma muy simplificada del ciclo Stirling que consta de cuatro procesos. Esto se conoce como un "ciclo Stirling ideal", porque es un modelo "idealizado" y no necesariamente un ciclo optimizado. Teóricamente, el "ciclo ideal" tiene una alta producción 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. Para mayor comodidad, 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 las de una implementación real del caso idealizado. Un típico mecanismo de pistón-manivela o articulación en un diseño denominado "cinemático" suele dar como resultado un movimiento de pistón casi sinusoidal. Algunos diseños hacen que el pistón "permanezca" en cualquiera de los extremos de su recorrido.

Muchos mecanismos cinemáticos, como el conocido " yugo de Ross ", presentan un movimiento casi sinusoidal. Sin embargo, otros, como el " accionamiento rómbico ", presentan un movimiento menos sinusoidal. En menor medida, el ciclo ideal introduce complicaciones, ya que requeriría una aceleración del pistón algo mayor y mayores pérdidas por bombeo viscoso del fluido de trabajo. No obstante, las tensiones del material y las pérdidas por bombeo en un motor optimizado solo serían intolerables al aproximarse al "ciclo ideal" o a altas frecuencias de ciclo. Otros problemas incluyen el tiempo necesario para la transferencia de calor, especialmente en los procesos isotérmicos . En un motor con un ciclo cercano al "ciclo ideal", podría ser necesario reducir la frecuencia de ciclo para solucionar 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, generalmente la diferencia del ángulo de fase entre los movimientos de los pistones no coincide con el ángulo de fase de las variaciones de volumen. Sin embargo, en el motor Stirling alfa, sí coinciden. ^{[ 6 ]} El resto del artículo asume variaciones de volumen sinusoidales, como en un motor Stirling alfa con pistones colineales, denominado dispositivo alfa de "pistones opuestos".

Advertencia: Entre las numerosas imprecisiones de este artículo, se menciona una configuración alfa colineal. Dicha configuración sería beta. En otras palabras, sería una configuración alfa con un sistema de enlace inaceptablemente ineficiente.

Este tipo de gráfica se utiliza para caracterizar casi todos los ciclos termodinámicos. El resultado de las variaciones de volumen sinusoidales 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 de la gráfica 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 (véase el gráfico anterior):

• De 180° a 270°, expansión pseudo- isotérmica . El espacio de expansión se calienta externamente y el gas experimenta una expansión casi isotérmica.
• Eliminación de calor a volumen casi constante (o casi isométrico o isocórico ) con un rango de temperatura de 270° a 0°. El gas pasa a través del regenerador , enfriándolo y transfiriendo calor al regenerador para su uso en el siguiente ciclo.
• De 0° a 90°, compresión pseudo- isotérmica . El espacio de compresión se enfría , por lo que el gas experimenta una compresión casi isotérmica.
• Adición de calor de 90° a 180°, a volumen casi constante (casi isométrica o isocórica ). El aire comprimido fluye de regreso a través del regenerador y absorbe calor en su camino hacia el espacio de expansión calentado.

A excepción de un motor termoacústico Stirling , ninguna de las partículas de gas recorre el ciclo completo. Por lo tanto, este enfoque no permite un análisis más profundo del ciclo. Sin embargo, ofrece una visión general e indica el funcionamiento del ciclo.

La figura 2 muestra las líneas de corriente que indican el flujo de 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 impide 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 por bombeo", las caídas de presión que se muestran en la Figura 3 se deben al 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 multivariante que permita 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 visibles en la siguiente imagen, que mostrará las variaciones de presión generales 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 a través del regenerador es muy baja en comparación con la variación de presión total del 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, las temperaturas del gas en los espacios correspondientes. Las fluctuaciones de la temperatura del gas se deben a los efectos de la compresión y la expansión en el motor, junto con los intercambiadores de calor no ideales que tienen una tasa de transferencia de calor limitada . Cuando la temperatura del gas se desvía por encima y 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 siguen funcionando lo suficientemente bien como para permitir que el ciclo real sea efectivo, incluso si la eficiencia térmica real del sistema global 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 la energía térmica y 'W' denota la energía de trabajo. La línea de puntos azul muestra el trabajo de salida del espacio de compresión. A medida que la traza desciende, se realiza trabajo sobre el gas durante su compresión. Durante el proceso de expansión del ciclo, se realiza trabajo sobre el pistón de compresión, como se refleja en el movimiento ascendente de la traza. Al final del ciclo, este valor es negativo, lo que indica que el pistón de compresión requiere un aporte neto de trabajo. La línea continua azul muestra el calor que sale 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 continua verde). Como era de esperar, tanto el calentador como el espacio de expansión tienen un flujo de energía positivo. La línea de puntos negra muestra el trabajo neto de salida del ciclo. En esta traza, el ciclo termina con un valor más alto del que comenzó, lo que indica que el motor térmico convierte la energía térmica en trabajo.

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