Ciclo Stirling 1) Introducción El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot. El motor Stirling original fue inventado, desarrollado y patentado en 1816 por el clérigo e inventor escocés Robert Stirling (1790-1878) con la ayuda a yuda de un hermano ingeniero.1 A diferencia de la máquina de Carnot, esta máquina está constituida por dos isotermas, dos isócoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Cabe recordar que la máquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dos focos térmicos de los que normalmente consta una máquina. Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entr e las isobaras como en el ciclo Stirling.
Ciclo Stirling ideal El ciclo Stirling ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:
1-2. Compresión isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría. 2-3. Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor {\displaystyle Qr} {\displaystyle Qr} y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión. 3-4. Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente. 4-1. Cesión de una cantidad de calor {\displaystyle Qr} {\displaystyle Qr} al r egenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.
2) Descripción del ciclo Un ciclo de Stirling ideal se compone de cuatro procesos revers ibles: Compresión isoterma A→B El gas se comprime desde un volumen inicial VA hasta uno final VB, inferior, manteniendo su temperatura constante en un valor T1 (a base de enfriar el gas de forma continuada). Calentamiento a volumen constante B→C El gas se calienta desde la temperatura T1 a la temperatura T2 mantenientdo fijo su volumen. Expansión isoterma C→D El gas se expande mientras se le suministra calor de forma que su temper atura permanece en su valor T2.
Enfriamiento isócoro D→A Se reduce la temperatura del gas de nuevo a su valor T1 en un proceso a volumen constante.
3) Rendimiento En este proceso se absorbe calor en al calentamiento isócoro y la expansión isoterma, y se cede en los otros dos procesos. El valor neto del calor absorbido es
y del cedido
de forma que el rendimiento es
siendo r la relación de compresión. Podemos comprobar que este rendimiento es siempre menor que el de una máquina reversible que opere entre estas dos temperaturas
siendo la diferencia
4) Intercambiador de calor Lo que hace especial al ciclo de Stirling (y al de Ericsson, que es análogo pero con procesos isóbaros en lugar de isócoros) es la presencia de un intercambiador de calor. En el enfriamiento del gas, se pasa de la temperatura T2 a T1 liberando calor. En el calentamiento, se pasa de T1 a T2, absorbiendo calor. Puesto que se pasa por las mismas temperaturas es (teóricamente) posible aprovechar el calor liberado al enfriarse sin violar el segundo principio de la termodinámica: el calor que se va liberando gradualmente en un punto del enfriamiento se cede al punto a la misma temperatura en el calentamiento. Puesto que ambos puntos se encuentran a la misma temperatura el proceso es reversible.
El motor de Stirling El reverendo Robert Stirling inventó el motor que lleva su nombre y lo patentó en 1816.
Es un motor de combustión externa frente a los tradicionales motores gasolina o diesel de combustión interna que mueven los vehículos. El motor opera con una fuente de calor externa que puede ser incluso solar o nuclear y un sumidero de calor, la diferencia de temperaturas entre ambas fuentes debe ser grande. En el proceso de conversión del calor en trabajo el motor de Stirling alcanza un rendimiento superior a cualquier otro motor real, acercándose hasta el máximo posible del motor ideal de Carnot. En la práctica está limitado, por que el gas con el que trabaja es no ideal, es inevitable el rozamiento en los distintos componentes que se mueven, etc. En la fotografía se muestra un motor Stirling activado por energía solar.
El regenerador El motor de Stirling dispone de un dispositivo denominado 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.
En el proceso 2→3, se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco frío, el gas deposita el calor en el regenerador, disminuyendo su temperatura.
En el proceso 4→1, se trasfiere el gas a volumen constante hacia al foco caliente, el gas retira el calor depositado en el regenerador, aumentando su temperatura. A medida que la temperatura se incrementa la presión del gas se incrementa, y el sistema vuelve a su esta do inicial.
Por tanto, debido al papel del regenerador, el calor absorbido en el ciclo completo no es
Sino
Como se ha mencionado el regenerador conduce internamente el calor cedi do en el proceso 2→3 para que se absorba en el proceso 4→1, tal como se muestra en la figura
El rendimiento del ciclo es
que es el mismo que obtuvimos para el motor ideal de Carnot
otros https://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm
