Universidad Autónoma del Estado de México Facultad de Química
Ingeniería Química Grupo: 35
Ciclo de Ericsson Termodinámica Aplicada
Romero Suarez Evelyn Jared Rodríguez de la Concha Azcarate Gabriela Nolasco Terrón Eder Yair Mateo Alejandro
15 de Octubre de 2012
Ciclo de Ericsson Introducción El ciclo de Ericsson es llamado así en honor a su inventor, John Ericsson, de origen sueco, quien en 1833 diseñó su primer ciclo e l cual se parecía mucho al ciclo de Brayton, con la diferencia de que el de Ericsson era de combustión externa. En su segundo ciclo, diseñado en 1853, cambió las condiciones adiabáticas por isotérmicas. Se ideó para aumentar el rendimiento térmico de un ciclo de potencia de una turbina de gas.
Ciclo/Proceso Ericsson (Primer, 1833) Ericsson (Segundo, 1853)
Compresión
Calor añadido
Expansión
Calor disipado
adiabático
isobárico
adiabático
isobárico
isotérmico
isobárico
isotérmico
isobárico
Las mejoras que hizo Ericsson a su primer motor se describen en un documento perteneciente a sus memorias: «... Colocamos dos cilindros en línea recta a cierta distancia uno de otro. A estos cilindros les damos el nombre de cilindro de equilibrio. Junto o cerca de ellos colocamos una o varias cajas o recipientes de hierro muy fuertes y a prueba de aire a las cuales aplicamos calor; y otra caja o serie de cajas de hierro o recipientes, fuerte s y a prueba de aire, las cuales se mantienen frías por medio de agua fría o de corrientes de aire atmosférico. Dentro de cada uno de los cilindros de equilibrio está colocado un pistón hueco, al cual llamamos pistón de equilibrio, lleno de polvo de carbón de leña u otra sustancia no conductora para impedir el paso del cal or. Est os dos pis ton es jue gan libr em ent e por dentro de los cilindros, y están conectados uno con otro por medio de un tercer pistón más largo y de menor diámetro que se parece al ariete de una prensa hidráulica. Este pistón al que llamamos pistón motor, pasa muy ajustado al través de unas cajas de empaque colocadas en el centro de las cabezas de ambos cilindros y tiene a los dos pistones de equilibrio afianzados uno en cada una de sus cabezas, de manera que los tres tienen que moverse simultáneamente en una misma dirección. Este pistón tiene atravesada en medio una fuerte flecha o perno, que forma con él una cruz, y en cuyos dos extremos están insertadas dos varas de conexión, cuyos extremos opuestos están insertados en el manubrio del eje principal o motor de la máquina…>>
Motor Ericsson Es de combustión externa por lo que el gas motriz se calienta desde el exterior. Para mejorar el rendimiento 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. Patentó su primer motor en 1859 en España y en 1858 en estados Unidos donde vivió por un tiempo.
Etapas El ciclo consiste en cuatro etapas:
1. Se comprime isotérmicamente del estado a al estado b (sale calor del sistema, ingresa trabajo) 2. Se expande isobáricamente del estado b al estado c 3. Se expande isotérmicamente del estado c al estado d (ingresa calor al sistema, sale trabajo). 4. Se comprime isobáricamente del estado d al estado a
En la última etapa la temperatura final del estado 4 debe igualar a la temperatura inicial del estado.
Diagramas
En el diagrama PV podemos observas las isotermas, y en el diagrama TS vemos que hay una diferencia de entropías y los procesos isobáricos. Como el ciclo funciona solo con gas (aire) no es posible ubicarlo en un diagrama con la curva de saturación.
Nota: El ciclo de Ericsson ha sido sólo de interés teórico ya que requieren de dos procesos isotérmicos, esto es una diferencia de temperaturas infinitesimales, y esto conlleva el uso de áreas superficiales demasiado grandes o tiempos infinitamente largos para el proceso.
Equipos usados
En este esquema podemos observar que lo equipos utilizados en e l ciclo son: 1. En la etapa 1 se hace uso de un compresor Este regenerado puede considerarse un intercambiador de calor 2. En la etapa 2 se emplea un regenerador 3. Para la etapa 3 se necesita de una turbina, ya que el proceso es de expansión
4. En la etapa 4 el equipo a usar es el regenerador, en el cual se enfría el fluido
El regenerador es de vital importancia, pues toma el calor del gas que sale de la turbina para precalentar el gas que sale del compresor, para que en la etapa de la turbina, en donde se introduce calor, sea menos lo que se introduzca y se aproveche esa diferencia de te mperatura.
Fórmulas Calor total que ingresa: Q I Se puede observar en los diagramas que:
Q I = Q turbina El calor en un proceso isotérmico e stá dado por:
Podemos ver que en este ciclo, el calor que ingresa al sistema se encuentra al pasar de los estados
c a d, teniendo en cuenta esto, el calor de entrada también se puede expresar como:
Calor total que sale: Q S
Q s = Q compresor Por las mismas razones que arriba, decimos que e l calor de salida se expresa así:
Calor total: Q t
Q = Q turbina+ Q compresor Tomando el calor del compresor como un calor negativo
Trabajo neto Se puede observar que el trabajo está dado por el trabajo de la turbina y el trabajo del compresor, entonces:
W= W turbina- W compresor O lo q es lo mismo:
W= W bc- W ab Tomando en cuenta el signo negativo del trabajo de la turbina, como resultado tenemos un trabajo negativo ya que el trabajo es producido por este y sale para ser utilizado. Recordando los principios de te rmodinámica: ∆E = Q –W
Y sabemos que ∆E depende de un cambio de temperatura, como hablamos de un proceso isotérmico: ∆E=0
Por esta razón, el trabajo en la turbina y en el compresor se puede determinar de igual manera que el calor (Q) correspondiente. Eficiencia
Y como ya vimos que W=
W bc- W ab
Entonces tenemos que la eficiencia está dada por:
Pero como el regenerador provee un régimen ideal, la eficiencia también puede expresarse como:
Expresada de otra manera, y debido a que la eficiencia de este ciclo es igual a la eficiencia del ciclo de Carnot, la eficiencia en el ciclo también está dada por:
O también puede ser visto como:
Problema Considere un ciclo Ericsson ideal con aire como fluido de trabajo ejecutado en un sistema de flujo estable. El aire se encuentra a 27 ºC y 120 kPa al principio del proceso de compresión isotérmica durante el cual 150 kJ/kg de calor se rechazan. La transferencia de calor al aire sucede a 1200 K (temperatura más alta). Determine: a) La presión máxima en el ciclo, b) flujo de trabajo que ingresa al sistema c) la eficiencia térmica del ciclo. d) Flujo de trabajo neto
Datos
Diagramas de apoyo
Ta= 27+273 = 300 K Pa= 120kPa Q S= 150kJ/kg Tc=1200K
Tabla de apoyo
Proceso Compresión isotérmica Expansión isobárica Compresión isotérmica Expansión isobárica Estado a b c d
T (K) 300 300 1200 1200
Estados a→b b→c c→d d→a Presión (kPa) 120
685.2 685.2 120
a) Como podemos observar, la presión máxima se encuentra e n el estado b, a la salida del compresor, y entrada de la turbina.
,
Como es la Pb la que buscamos, podemos utilizar la expresión de Q S el cual conocemos:
Necesitamos una R en unidades másica y respecto al aire, por lo que recurrimos a la tabla A-1 del libro “Termodinámica”, Yunus A. Cengel y Michael A. Boles
R=0.2870
Sustituimos los datos que tenemos:
Usando leyes de logaritmos:
Despejando:
Aplicando de nuevo leyes de logaritmos:
Resolviendo:
Pb =685.2kPa
b) El trabajo de salida es igual al calor que ingresa
La presión en d es igual a la presión en a, y la presión en c es la misma presión que en b
c) Teniendo las dos temperaturas podemos calcular la eficiencia muy fácilmente
d) El trabajo neto lo podemos obtener a partir de la eficiencia Despejando:
Artículo
La(Fe1-xCox)11.44Al1.56: A composite system for Ericsson-cycle-based magnetic refrigerators A. M. Gomes, J. R. Proveti, A. Y. Takeuchi, E. C. Passamani, C. Larica et al. This article is about of like this material works better in the magnetic refrigeration in the Ericsson cycle covering a wide temperature rank that spanning from 200 to 370 K. The magneto caloric effect is being an important effect on the technology of magnetic refrigeration. One of the principal problems is find a material which has a high magneto caloric effect at specific temperature ranks. To find a material that can stay, In the Ericsson cycle without have drastic changes in its entropy in high ranks of temperature is so difficult. On the rest of the article explained the methodology of the experiment changing the variables for have the results that they expected. This articles show us an application of the Ericsson cycle and that we can have different materials inside the cycle.
BIBLIOGRAFÍA DE LIBRO 1.-Jorgue A. Rodríguez. Introducción a la termodinámica con algunas aplicaciones de ingeniería.
http://es.calameo.com/read/00032726594150f157917
2.-Principios de termodinámica para ingenieros. John R Howell. Mc GRAW-HILL. 1990. Mexico.
http://es.scribd.com/doc/6942440/principios-de-termodinamica-para-ingenieros
3.-Amenguaí, Matas R. Rubén. “Bielas y álabes 1826-1914, Evolución histórica de las primeras máquinas térmicas a través delas patentes españolas”. Sociedad Anónima de Fotocomposición. España.
http://es.scribd.com/doc/62885179/28/Los-motores-de-Ericsson-y-Lenoir
4.- “Termodinámica”, Yunus A. Cengel y Michael A. Boles. 6ta Edición. Mc GRAW-HILL. 5.- “Termodinámica”. Kenneth Wark Jr. & Donald E. Richards.6ta Edición. Mc GRAW-HILL.2001 BIBLIOGRAFÍA DE LA WEB 1.-Chrystian Velasco. “Ciclo Stirling y Ericsson”. UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Fecha de acceso: 13’10’2012
BIBLIOGRAFÍA DEL ARTÍCULO: 1.- A. M. Gomes, J. R. Proveti, A. Y. Takeuchi, E. C. Passamani, C. Larica et al. “La(Fe1xCox)11.44Al1.56: A composite system for Ericsson-cycle-based magnetic refrigerators”. Published online: 13 June 2006. Journal of applied physics 99. Published by the: American Institute of Physics. View online: http://dx.doi.org/10.1063/1.2203389
