Ciclo de Stirling

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico que describe el proceso de trabajo de la máquina Stirling , patentada en 1816 por el inventor escocés Robert Stirling , párroco de profesión.

Además del fluido de trabajo, el calentador y el refrigerador, la máquina de Stirling abstracta también contiene un regenerador , un dispositivo que extrae calor del fluido de trabajo en algunas etapas del ciclo y le da este calor al fluido de trabajo en otras etapas. El ciclo de Stirling ideal consta de los siguientes procesos:

1-2 expansión isotérmica del fluido de trabajo con suministro de calor del calentador;
2-3 eliminación de calor isocórico del fluido de trabajo al regenerador;
3-4 compresión isotérmica del fluido de trabajo con eliminación de calor al enfriador;
4-1 Calentamiento isocórico del fluido de trabajo con suministro de calor del regenerador.

Basado en un mol del fluido de trabajo, el calor suministrado por ciclo desde el calentador (ver proceso isotérmico ) está determinado por la expresión: (aquí está la constante universal de los gases ). $Q_{1-2}=R\,T_{1}\,\ln(V_{2}/V_{1})$ $R$

Calor retirado por ciclo al frigorífico: . $Q_{3-4}=R\,T_{4}\,\ln(V_{2}/V_{1})$

El calor cedido en el proceso 2-3 al regenerador y devuelto por éste en el proceso 4-1 es igual a: . (aquí - la capacidad calorífica molar de un gas ideal a volumen constante) Este calor se almacena en el sistema, siendo parte de su energía interna , que no cambia durante el ciclo. El regenerador permite así ahorrar el calor consumido por el calentador al reducir el calor cedido al enfriador, y por lo tanto aumentar la eficiencia termodinámica del motor Stirling. $Q_{2-3}=Q_{4-1}=C_{V}\,(T_{1}-T_{4})$ $CV$

La eficiencia térmica de un ciclo Stirling ideal es: . La misma expresión define la eficiencia térmica del ciclo de Carnot . $\eta ={\frac {Q_{{1-2}}-Q_{{3-4}}}{Q_{{1-2}}}}={\frac {T_{1}-T_{4} {T_{1}}}$

Un ciclo similar al ciclo de Stirling, pero sin regenerador, es factible, aunque menos eficiente. En el proceso isocórico 2-3 de dicho ciclo, el calor se extrae del fluido de trabajo directamente al enfriador, y en el proceso 4-1 se suministra desde el calentador. La eficiencia de tal ciclo estará determinada por la expresión: . Es fácil ver que esta expresión para distinto de cero y para los mismos valores de y que en el ciclo con el regenerador tiene un valor menor. $\eta ={\frac {Q_{{1-2}}-Q_{{3-4}}}{Q_{{1-2}}+Q_{{4-1}}}}$ $Q_{4-1}$ ${\ estilo de visualización Q_ {1-2}}$ ${\ Displaystyle Q_ {3-4}}$

Viajado en la dirección opuesta (4-3-2-1-4), el ciclo de Stirling describe la máquina de refrigeración. En este caso, las direcciones de transferencia de calor , y se invierten. La presencia de un regenerador es una condición necesaria para la viabilidad del ciclo de refrigeración de Stirling, ya que, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , en un proceso isocórico (3-2) es imposible calentar el fluido de trabajo de un refrigerador que tiene un temperatura más baja, o para transferir calor en el proceso (1–4) del fluido de trabajo al calentador, que tiene una temperatura más alta. ${\ Displaystyle Q_ {4-3}}$ $Q_{3-2}$ $Q_{2-1}$ ${\ Displaystyle Q_ {1-4}}$

Véase también

Enlaces

G. Walker MOTORES STIRLING Traducción abreviada del inglés por B. V. SUTUGIN y N. V. SUTUGIN