Ciclo Stirling

-Objeto de trabajo.

Ciclo Stirling: Aprender acerca del funcionamiento de este ciclo para comparar su funcionamiento y eficiencia con otros ciclos termodinámicos y poder comprender donde es posible aplicar este ciclo y porque no es posible aplicarlo en tantos otros fines como en automóviles.

Desarrollo.

El ciclo Stirling es un ciclo completamente reversible el cual consta de 4 procesos internamente reversibles

Figura 1: Diagrama P-V y T-S del ciclo Stirling

De acuerdo a la figura 1 el ciclo sigue el siguiente funcionamiento.

Proceso 1-2: El gas se comprime a temperatura constante a base de enfriar el gas de forma continuada, desde el volumen inicial V1 al volumen final V2.

Como el gas está a baja presión, el trabajo necesario para comprimirlo es menor que el que proporciona durante el proceso de expansión.

La variación de energía interna, ΔU12=0

Se realiza un trabajo W12 sobre el gas y por tanto, tiene que ceder una cantidad igual de calor del foco frío para mantener su temperatura constante.

Q12=W12=∫V2V1p⋅dV=∫V1V2nRT2V⋅dV=nRT2lnV1V2=−nRT2lnV2V1

Proceso 2-3: Es un proceso isócoro o a volumen constante.

Se le suministra calor al gas, aumentando su temperatura

El trabajo realizado es nulo W23=0

ΔU23=Q23=ncv(T2−T3)

Proceso 3-4 El gas se expande mientras se le suministra calor de manera que su temperatura permanezca constante, desde el volumen inicial V3 al volumen final V4

El gas realiza un trabajo W34 y por tanto, tiene que absorber una cantidad igual de energía del foco caliente para mantener su temperatura constante.

Q12=W12=∫V1V2p⋅dV=∫V1V2nRT1V⋅dV=nRT1lnV2V1

La variación de energía interna, ΔU34=0

Proceso 4→1: Es un proceso isócoro o a volumen constante.

El gas cede calor disminuyendo su temperatura

El trabajo realizado es nulo W23=0

Motor Stirling

El motor Stirling es un dispositivo que convierte calor en trabajo.

El ciclo Stirling es un ciclo ideal cuya realización práctica, conlleva dificultades. Sin embargo, en los últimos años ha adquirido relevancia con el desarrollo de motores de Stirling, que funcionan de manera aproximada según este ciclo.

Al motor Stirling también se le conoce como: Motor Einrice, Robinson, Rankine-Napier Etc.

No se debe confundir el ciclo Stirling, con el motor Stirling ya que en la realidad no llegan a la misma eficiencia.

En la práctica, se ha visto que los fluidos de trabajo viables para el funcionamiento del motor son el hidrógeno y el helio, ambos por buenas propiedades termodinámicas.

REGENERADOR:

“La modelización del ciclo termodinámico del motor Stirling siempre parte de la base de que las evoluciones asociadas a la variación de volumen se realizan de modo isotérmico, de modo que durante la expansión se produce la introducción de calor del ciclo y durante la compresión se produce la extracción.

Este hecho comporta que el fluido motor, una vez sea expandido, permanece a la misma temperatura que antes de la expansión, lo que permite la introducción del concepto de regenerador.

Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno frio, se cumple que el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a su calentamiento, lo que permite introducir un elemento que almacena el calor cuando una vez expansionado el fluido debe operar a temperatura baja, para después de la compresión volver a absorber dicho calor para pasar a la cámara caliente donde se expansionara.”3

En pocas palabras el regenerador actúa como un sistema que almacena energía en cada ciclo. El calor se deposita en el regenerador cuando el gas se desplaza desde el foco caliente hacia el foco frío disminuyendo su temperatura. Cuando el gas se desplaza desde el foco frío hacia el foco caliente el regenerador suministra energía al gas aumentado su temperatura.

Figura 2: Motor Stirling con Regenerador

De acuerdo a la figura 1, Un regenerador cuya eficiencia es del 100 % permite que el calor cedido durante el proceso de 1 - 2 sea utilizado para ser absorbido en el proceso

3-4,

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