Ciclos Stirling y Ericsson
Ciclos Reversibles con
Regeneración
Condición necesaria para ciclos
Reversibles

La diferencia de temperatura entre el
fluido de trabajo y la fuente o sumidero
de energía térmica nunca debe exceder
una cantidad diferencial de
temperatura, dT durante cualquier
proceso de transferencia de calor.
(Procesos Isotérmicos a TL y TH) →
Carnot

Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren del
ciclo de Carnot en que los procesos
isentrópicos son reemplazados por
procesos de regeneración
Regeneración

Proceso durante el cual se transfiere
calor a un dispositivo, llamado
Regenerador, durante una parte del
ciclo y se transfiere de nuevo al fluido
de trabajo durante otra parte del ciclo.
Ciclo Carnot
P
1
TH
=
T
ta
ns
1
co
qen
2
nt
TH
S = c on stan te
S = c on stan te
e
2
4
TL
TL
4
qsal
qen
3
=c
on
st a
nte
3
qsal
S
v

Dos procesos isotérmicos y dos procesos isentrópicos
Ciclo Stirling
1
qen
P
qen
TH
=
T
co
2
n
1
a
st
TH
nt
v
=
v
co
Regeneración
=
Re
ge
ne
rac
ión
ns
co
ns
ta
n
te
ta
n
te
e
2
TL
4
3
4
TL
qsal
S

=c
on
sta
nt e
qsal
3
Dos procesos isotérmicos y regeneración a volumen constante.
Ciclo Stirling




1-2 Expansión a T = constante (adición de
calor de una fuente externa)
2-3 Pregeneración a v = cosntante
(transferencia de calor interna del fluido de
trabajo al regenerador)
3-4 Compresión a T = constante (rechazo de
calor en un sumidero externo)
4-1 Regeneración a v = constante
(transferencia de calor interna de un
regenerador de nuevo al fluido de trabajo)
Ciclo Stirling




Sistema de cilindro con dos émbolos a los
lados y un regenerador en medio.
El regenerador es un tapón poroso con alta
masa térmica (masa por calor específico),
puede ser una malla metálica o de cerámica.
Masa de fluido dentro del Regenerador en
cualquier instante se considera despreciable
Fluido de Trabajo es un gas.


Proceso 1-2: Se añade calor al gas a TH de
una fuente a TH. El gas se expande
isotérmicamente (el embolo de la
izquierda se mueve hacia afuera), efectúa
trabajo y la presión del gas disminuye.
Proceso 2-3: Los dos émbolos se mueven
hacia la derecha a la misma velocidad
(volumen constante), el gas es empujado
hacia la cámara derecha. Cuando el gas
pasa por el regenerador se transfiere calor
al regenerador y el gas disminuye
temperatura de TH a TL (diferencia de
temperatura entre el gas y regenerador no
debe ser mayor de dT). Temperatura del
Regenerador del lado izquierdo es TH y la
temperatura del fluido del lado derecho es
TL


Proceso 3-4: El émbolo de la derecha se
mueve hacia adentro y comprime el gas.
Transferencia de calor del gas al sumidero
a TL, mientras aumenta la presión.
Proceso 4-1: Los dos émbolos se mueven
hacia la izquierda a velocidad constante
para mantener el volumen constante y
empujan el gas hacia la cámara izquierda.
La temperatura del gas aumenta de TL a TH
al pasar por el regenerador y toma la
energía térmica almacenada anteriormente
en el proceso 2-3 y se da por completo el
ciclo.
Corolario


Transferencia neta de calor al regenerador
es cero.
La cantidad de calor almacenada por el
regenerador durante el proceso 2-3 es
igual a la cantidad tomada por el gas en el
proceso 4-1.
Ciclo Ericsson
qen
P
T
1
2
TH
nt
e
nt
ta
ta
ns
ns
co
co
nt
e
=
ta
P
ns
Re
ge
ne
ra
ció
n
co
=
=
ta nt e
P
qen
TH
co n s
Regeneración
1
TL =
e
4
TL
4
3
qsal
qsal
3
2
S

Dos procesos isotérmicos y regeneración a presión constante.
v
Ciclo Ericsson



Los procesos de expansión y compresión
isotérmicos se llevan a cabo en la turbina y el
compresor como se muestra en la figura
siguiente.
El regenerador es un intercambiador de calor
de contraflujo. La transferencia de calor
sucede entre las dos corrientes
En el caso ideal la diferencia de temperatura
entre las dos corrientes no excede una
cantidad diferencial dT. La corriente de fluido
fría sale del intercambiador de calor a la
temperatura de entrada de la corriente
caliente.
Ciclo Ericsson
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 el
principio de Carnot, los tres ciclos tendrán
la misma eficiencia térmica cuando operen
entre los mismos límites de Temperatura
 t , Stirling   t , Ericsson   t , Carnot  1 
TL
TH
Demostración

Al fluido de trabajo se le añade calor isotérmicamente de una
fuente externa de temperatura TH durante el proceso 1-2, y se
rechaza también isotérmicamente en un sumidero externo a
temperatura TL durante el proceso 3-4. En un proceso
isotérmico reversible, la transferencia de calor se relaciona con
el cambio de entropía mediante
q  Ts

El cambio de entropía de un gas ideal durante un proceso
isotérmico está dado por:
s  C p ln
Te
Ti
 R ln
Pe
Pi

Como: Te  Ti y el logaritmo natural de 1 es cero,
s   R ln
Pe
Pi

El valor de la entrada de calor y de la salida de calor
puede expresarse como:
qen
qsal

P2 
P1
  RTH ln
 TH s2  s1   TH   R ln
P1 
P2


P4 
P4
  RTL ln
 TL s4  s3   TL   R ln
P3 
P3


De lo anterior la eficiencia del ciclo de Ericsson es
t .Ericsson  1 
 t .Ericsson

qsal
qen
P
RTL ln 4 
 P3 
1
P
RTH ln 1 
 P2 
Debido a que P1 = P4 y P3 = P2
ηt.Ericsson  1 
TL
TH
CASO
(Problema 8.62, p. 490.
Termodinámica, Yunus A. Cengel y Michael A.
Boles, Cuarta edición)
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.
Determine a) la presión máxima en el ciclo, b) la
salida neta de trabajo por unidad de masa de aire y
c) la eficiencia térmica del ciclo.
P
qen
T
1
2
nt
nt
e
n
ta
ta
ns
ns
co
co
=
ta
e
P
ns
Re
ge
ne
rac
ión
co
=
qen
=
27 C
4
1
TH
ta nt e
o
co n s
Regeneración
4
TL =
te
1200
K
P

3
qsal
qsal
S
3
2
v

Presión máxima del ciclo
Considerando al aire como un gas ideal…
De tabla A.1
R  0.2870 kJ
kg  K
qsal   TL s4  s3 

P 
qsal   TL   Rln 4 
P3 

P
qsal  RTLln 4
P3
150

kJ

kJ  

P4

 K 
o
  0.2870
  27 C  o   273K ln
kg
kg  K  
 C

 120kPa
despejando y resolviendo para P4
P4  685.2kPa
Que es la máxima presión del ciclo

Salida neta de trabajo por unidad de masa de
aire
qen  TH s2  s1 

P 
qen  TH   Rln 2 
P1 

qen  RTHln
P1
P2
kJ 
685.2kPa

qen   0.2870
1200K ln
kg  K 
120kPa

qen  600 kJ
kg
η t.Ericsson  1 
TL
TH
ηt.Ericsson 
 1
q sal
q en
wneto
qen
igualando las definiciones anteriores de eficiencia:
1

TL
TH

wneto
qen



 K 
o
 27 C  o   273K 
wneto
 C


1

1200K
600 kJ
kg
despejando y resolviendo
wneto  450 kJ
kg
Que es la salida neta de trabajo por unidad de masa de aire.

Eficiencia del ciclo
ηt.Ericsson  1 

ηt.Ericsson
TL
TH



 K 
o
 27 C  o   273K 
 C


1
1200K
ηt.Ericsson  0.75  75%
Que es la eficiencia del ciclo.
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