78809839 ciclo stirling y ericsson

7/30/2019 78809839 Ciclo Stirling y Ericsson

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Ciclos Stirling y Ericsson

Ciclos Reversibles con

Regeneracin


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Condicin necesaria para ciclos

Reversibles La diferencia de temperatura entre el

fluido de trabajo y la fuente o sumidero

de energa trmica nunca debe excederuna cantidad diferencial detemperatura, dTdurante cualquier

proceso de transferencia de calor.(Procesos Isotrmicos a TL y TH) Carnot


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Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren delciclo de Carnot en que los procesos

isentrpicos son reemplazados porprocesos de regeneracin


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Regeneracin Proceso durante el cual se transfiere

calor a un dispositivo, llamado

Regenerador, durante una parte delciclo y se transfiere de nuevo al fluidode trabajo durante otra parte del ciclo.


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Ciclo Carnot

Dos procesos isotrmicos y dos procesos isentrpicos

TL

TH1 2

34

S=

constante

S=

constante

qen

qsal

T

S

P

v

1

3

4

2qen

qsal

TH=con

stante

TL =

constante


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Ciclo Stirling

Dos procesos isotrmicos y regeneracin a volumen constante.

TL

TH1 2

34

v=

consta

nte

v=

consta

nte

qen

qsal

T

S

Regeneracin

Regeneracin

P

1

3

4

2

qen

qsal

TH=con

stante

TL =constante


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Ciclo Stirling 1-2 Expansin a T = constante (adicin de

calor de una fuente externa)

2-3 Pregeneracin a v = cosntante(transferencia de calor interna del fluido detrabajo al regenerador)

3-4 Compresin a T = constante (rechazo de

calor en un sumidero externo) 4-1 Regeneracin a v = constante

(transferencia de calor interna de unregenerador de nuevo al fluido de trabajo)


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Sistema de cilindro con dos mbolos a loslados y un regenerador en medio.

El regenerador es un tapn poroso con altamasa trmica (masa por calor especfico),puede ser una malla metlica o de cermica.

Masa de fluido dentro del Regenerador encualquier instante se considera despreciable

Fluido de Trabajo es un gas.

Ciclo Stirling


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Proceso 1-2: Se aade calor al gas a TH deuna fuente a TH. El gas se expandeisotrmicamente (el embolo de la

izquierda se mueve hacia afuera), efectatrabajo y la presin del gas disminuye.

Proceso 2-3: Los dos mbolos se muevenhacia la derecha a la misma velocidad(volumen constante), el gas es empujadohacia la cmara derecha. Cuando el gaspasa por el regenerador se transfiere caloral regenerador y el gas disminuyetemperatura de TH a TL (diferencia detemperatura entre el gas y regenerador nodebe ser mayor de dT). Temperatura delRegenerador del lado izquierdo es TH y la

temperatura del fluido del lado derecho esTL


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Proceso 3-4: El mbolo de la derecha semueve hacia adentro y comprime el gas.Transferencia de calor del gas al sumidero

a TL, mientras aumenta la presin. Proceso 4-1: Los dos mbolos se muevenhacia la izquierda a velocidad constantepara mantener el volumen constante yempujan el gas hacia la cmara izquierda.La temperatura del gas aumenta de TL a THal pasar por el regenerador y toma la

energa trmica almacenada anteriormenteen el proceso 2-3 y se da por completo elciclo.


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Corolario Transferencia neta de calor al regenerador

es cero.

La cantidad de calor almacenada por elregenerador durante el proceso 2-3 esigual a la cantidad tomada por el gas en el

proceso 4-1.


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Ciclo Ericsson

Dos procesos isotrmicos y regeneracin a presin constante.

TL

TH1 2

34

P=constante

P=consta

nte

qen

qsal

T

S

Regeneracin

v

Regeneracin

P

1

3

4

2

qen

qsal

TH=consta

nte

TL

=constante


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Ciclo Ericsson Los procesos de expansin y compresin

isotrmicos se llevan a cabo en la turbina y elcompresor como se muestra en la figura

siguiente. El regenerador es un intercambiador de calor

de contraflujo. La transferencia de calorsucede entre las dos corrientes

En el caso ideal la diferencia de temperaturaentre las dos corrientes no excede unacantidad diferencial dT. La corriente de fluidofra sale del intercambiador de calor a latemperatura de entrada de la corriente

caliente.


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Ciclo Ericsson


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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 elprincipio de Carnot, los tres ciclos tendrnla misma eficiencia trmica cuando operenentre los mismos lmites de Temperatura

H

LCarnottEricssontStirlingt

T

T 1,,,


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Demostracin

Al fluido de trabajo se le aade calor isotrmicamente de unafuente externa de temperatura TH durante el proceso 1-2, y serechaza tambin isotrmicamente en un sumidero externo atemperatura TL durante el proceso 3-4. En un proceso

isotrmico reversible, la transferencia de calor se relaciona conel cambio de entropa mediante

El cambio de entropa de un gas ideal durante un proceso

isotrmico est dado por:

sTq

i

e

i

ep

P

PR

T

TCs lnln


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Como: y el logaritmo natural de 1 es cero,

El valor de la entrada de calor y de la salida de calorpuede expresarse como:

21

1

212 lnln P

P

RTP

P

RTssTq HHHen

3

4

3

434 lnln

P

PRT

P

PRTssTq LLLsal

ie TT

i

e

P

PRs ln


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De lo anterior la eficiencia del ciclo de Ericsson es

Debido a que P1 = P4 y P3 = P2

en

sal

Ericssont q

q1

.

2

1

3

4

.

ln

ln

1

PP

RT

PP

RT

H

L

Ericssont

H

Lt.Ericsson

T

T 1


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CASO (Problema 8.62, p. 490.Termodinmica, Yunus A. Cengel y Michael A.Boles, Cuarta edicin)

Considere un ciclo Ericsson ideal con aire comofluido de trabajo ejecutado en un sistema de flujoestable. El aire se encuentra a 27 C y 120 kPa alprincipio del proceso de compresin isotrmicadurante el cual 150 kJ/kg de calor se rechazan. Latransferencia de calor al aire sucede a 1200 K.Determine a) la presin mxima en el ciclo, b) lasalida neta de trabajo por unidad de masa de aire yc) la eficiencia trmica del ciclo.

27oC

1200

K

1 2

34

P=constante

P=

con

sta

nte

qen

qsal

T

S

Regeneracin

v

Regeneracin

P

1

3

4

2

qen

qsal

TH=consta

nte

TL

=constante


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Presin mxima del cicloConsiderando al aire como un gas ideal

De tabla A.1Kkg

kJR

2870.0

34Lsal ssTq

3

4Lsal

P

PRlnTq

3

4Lsal

P

PlnRTq

120kPaP

ln273KC

KC27

Kkg

kJ0.2870

kg

kJ150 4

o

o

despejando y resolviendo para P4

685.2kPaP4 Que es la mxima presin del ciclo


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Salida neta de trabajo por unidad de masa de

aire 12Hen ssTq

1

2Hen

P

PRlnTq

2

1Hen

P

PlnRTq

120kPa

685.2kPaln1200K

Kkg

kJ0.2870qen

kg

kJ600qen

en

sal

H

Lt.Ericsson

q

q1

T

T1

en

netot.Ericsson

q

w


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igualando las definiciones anteriores de eficiencia:

en

neto

H

L

q

w

T

T1

kgkJ600

w

1200K

273KC

KC27

1 netoo

o

despejando y resolviendo

kgkJ450wneto

Que es la salida neta de trabajo por unidad de masa de aire.


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Eficiencia del ciclo

H

Lt.Ericsson

T

T1

1200K

273KC

KC27

1o

o

t.Ericsson

75%0.75t.Ericsson Que es la eficiencia del ciclo.

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