Ciclo Ericsson

Ciclo Ericsson El ciclo Ericsson fue ideado por el inventor John Ericsson, que proyectó y construyó varios motores de aire caliente basados en diferentes ciclos termodinámicos. Es considerado el autor de dos ciclos para motores térmicos de combustión externa y constructor de motores reales basados en los ciclos mencionados. Su primer ciclo era muy parecido al actualmente llamado ciclo Brayton (que es el que siguen las turbinas de gas), pero con combustión externa.

Se supone que el que sigue el ciclo es un gas. Consta de 4 fases: • Compresión isotérmica • Calor añadida a presión constante (calentamiento isobárico) • Expansión isotérmica • Enfriamiento a presión constante (enfriamiento isobárico)

Diagramas de fase Presión – Volumen

Temperatura - Entropía

 TRABAJO NETO 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑊1−2 + 𝑊2−3 + 𝑊3−4 + 𝑊4−1

2

3

; PERO:

4

𝑽𝟏 𝑽𝟒

𝑽

= 𝑽𝟐 𝑇1 = 𝑇4 , 𝑇2 = 𝑇3 𝟒

1

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∫1 𝑊1−2 + ∫2 𝑊2−3 + ∫3 𝑊3−4 + ∫4 𝑊4−1 𝑉

𝑉

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑃1,2 (𝑉2 − 𝑉1 ) + 𝑚𝑅𝑇2,3 ln (𝑉3 ) + 𝑃3,4 (𝑉4 − 𝑉3 ) + 𝑚𝑅𝑇1,4 ln (𝑉1 ) 2

4

𝑉

𝑉

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑃1,2 (𝑉2 − 𝑉1 ) − 𝑚𝑅𝑇2,3 ln (𝑉2 ) + 𝑃3,4 (𝑉4 − 𝑉3 ) + 𝑚𝑅𝑇1,4 ln (𝑉2 ) 3

4

𝑉

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑃1,2 (𝑉2 − 𝑉1 ) + 𝑚𝑅𝑇2,3 ln (𝑉3 ) (𝑇1,4 − 𝑇2,3 ) + 𝑃3,4 (𝑉4 − 𝑉3 ) 2

𝑉

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑚𝑅(𝑇2 − 𝑇4 ) + 𝑚𝑅 ln (𝑉2 ) (𝑇1,4 − 𝑇2,3 ) − 𝑚𝑅(𝑇2 − 𝑇4 ) 3

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑃1 𝑉1 ln(𝑟𝑒𝑥 ) − 𝑃2 𝑉2 ln(𝑟𝑒𝑥 )

 CALOR NETO 2

3

4

1

𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∫ 𝑄1−2 + ∫ 𝑄2−3 + ∫ 𝑄3−4 + ∫ 𝑄4−1 1

2

3

4

𝑉3 𝑉1 𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑚𝑐𝑝(𝑇2 − 𝑇1 ) + 𝑚𝑅𝑇2,3 ln ( ) + 𝑚𝑐𝑝(𝑇4 − 𝑇3 ) + 𝑚𝑅𝑇1,4 ln ( ) 𝑉2 𝑉4 𝑉3 𝑉4 𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑚𝑐𝑝(𝑇2 − 𝑇1 ) + 𝑚𝑅𝑇2,3 ln ( ) − 𝑚𝑐𝑝(𝑇2 − 𝑇13 ) − 𝑚𝑅𝑇1,4 ln ( ) 𝑉2 𝑉1 𝑉3 𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑚𝑅(𝑇2 − 𝑇1 ) ln ( ) 𝑉2 𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑃1 𝑉1 ln(𝑟𝑒𝑥 ) − 𝑃2 𝑉2 ln(𝑟𝑒𝑥 ) Los motores Ericsson se basan en el ciclo Ericsson. Son de combustión externa por lo que el gas motor se calienta desde el exterior. Para mejorar el rendimiento (térmico y total) el

motor Ericsson dispone de un regenerador o recuperador de calor. Puede funcionar en ciclo abierto o cerrado. La expansión y la compresión se producen simultáneamente, en las caras opuestas del pistón. Explicación del motor de la figura:



En la posición actual (el pistón en la posición más baja) el aire de la cámara inferior se calienta mediante calor aportado exteriormente (color rojo oscuro o rojo marrón). El aire de la cámara superior ha sido aspirado al bajar el pistón y está a presión atmosférica (color azul).



El pistón comienza a subir por la presión del aire calentado. Se producen simultáneamente la expansión del aire caliente y la compresión del aire de la cámara superior (aspirado en la fase previa). El aire pasa a la izquierda obligado por la válvula antirretorno de la admisión. Una válvula antirretorno le permite el paso al depósito acumulador de aire frío.



En el punto muerto superior pasa al depósito frío la máxima cantidad de aire aspirado posible. La válvula de paso (dibujada abajo y a la izquierda) se abre y permite el paso del aire frío a través del recuperador hasta la cámara inferior que lo recibe.



Un volante de inercia hace que el pistón doble-función (compresión-expansión) empiece a bajar, empujando el aire precalentado a través del recuperador y aspire aire atmosférico a la cámara superior.



En el cuarto inferior, el aire precalentado se acaba de calentar mientras se comprime. En la fase final el pistón llega a la posición inferior y el proceso se repite.

Regenerador



Ericsson diseñó y construyó un intercambiador de calor de flujo mezclado y en contracorriente y lo llamó "regenerador" (en inglés "Regenerator"). Pero Robert Stirling había inventado un dispositivo similar, antes de que Ericsson, y lo llamó "economizador" (en inglés "economiser" o "economizar") debido a que ahorraba combustible.



El sistema de recuperar el calor de los gases "de escape" o "de salida" puede hacerse de diversas maneras, con válvulas o sin, o con el auxilio de dispositivos rotativos o móviles. Cuando el calor de los gases de escape sirve para calentar el aire de combustión la denominación de recuperador es más correcta, desde el punto de vista que los flujos (de escape y de aire de combustión) están separados.

Aplicaciones 

Tanto el ciclo de Ericsson como el de Stirling son usados en motores de combustión externa. El motor de Ericsson se parece mucho al motor Strling de doble acción, en el que el pistón desplazador actúa como pistón motor. En teoría ambos ciclos tienen un rendimiento ideal.



Las posibilidades teóricas del ciclo Ericsson son lo suficientemente grandes y lo hacen interesante en aplicaciones de recuperación de la energía de los gases de escape, energía solar y otras. Un aspecto importante es que el volumen del recuperador no influye sobre el rendimiento del motor (a diferencia de los motores Stirling). La necesidad de válvulas y el mayor coste pueden compensarse con un rendimiento y una potencia específica más grandes.

CONCLUCIONES 

El ciclo ericsson y stirling son usados en motores de combustión externa.



Tienen en teoría un rendimiento ideal.



Estos dos ciclos junto al de carnot son reversibles, los tres ciclos tendrán la misma eficiencia térmica cuando operen entre los mismos límites de temperatura.

BIBLIOGRAFÍA 1. Termodinámica. K. Wark y D.E. Richards (McGraw-Hill, 6ª ed., 2000). 2. Fundamentos de Termodinámica Técnica (Vol I y II), M.J. Moran y H.N. Shapiro (Reverté, 1995). 3. Ingerniería Termodinámica. J.B. Jones y R.E. Dugan (Prentice Hall, 1997). 4. Termodinámica (Vol I y II). Y.A. Cengel y M.A. Boles (McGraw-Hill, 1996). 5. Termodinámica Lógica y Motores Térmicos. J. Agüera Soriano (Ciencia 3, 1993).