UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS FISICAS Y NATURALES

GENERACIN DE AIRE LQUIDO

CICLO STIRLING

ALUMNO: Beltramo, Emmanuel

MATRICULA: 34.338.165

PROFESOR: Ing. Osvaldo Natali

Ing. Luis Alberto Bertolino

CTEDRA: Termodinmica

CARRERA: Ingeniera Mecnica

Crdoba, 1 de junio de 2010

INTRODUCCIN

En la presente monografa se va a desarrollar el Ciclo Stirling, estudiando su funcionamiento terico, calculo de rendimiento, ciclo inverso y posteriormente la aplicacin del mismo a la licuacin de gases, en nuestro caso aire.

DESARROLLO

Ciclo Stirling

El ciclo Stirling consta de dos transformaciones isotrmicas y dos iscoras; existe intercambio de calor en las cuatro transformaciones como podemos observar en la siguiente figura.

El ciclo Stirling, es el nico de todos los ciclos tericos que se ha podido aplicar a un motor y usarse a nivel industrial; el rendimiento del mismo es mximo, igual al del ciclo Carnot, entre las mismas temperaturas extremas T1 (proporcionada por un foco caliente) y T2 (puede ser la del aire ambiente o de cualquier otro medio de refrigeracin). Durante el funcionamiento es necesario que el fluido ceda calor a un regenerador durante una fraccin del recorrido de expansin para poder recuperar el mismo en una fraccin del recorrido de compresin.

El primer motor fue construido por un sacerdote ingls Stirling en 1816, pero para poder explicar el ciclo, consideremos una mquina constituida por dos pistones que se desplazan dentro del mismo cilindro y una pared porosa que separara las dos mitades del cilindro.

Principio mecnico

En el cilindro hay dos pistones distintos, uno D (pistn caliente) y otro P (pistn frio), que conforman y delimitan en el transcurso de sus movimientos dos volumenes variables VE y VC; el volumen correspondiente a la cmara caliente (VE) est comprendido entre la culata caliente y el pistn D, y el correspondiente a la cmara fra que se refrigera lateralmente (VC) est conformado por la regin entre el pistn caliente D y el fro P. Estas cmaras estn comunicadas entre s por un conducto que atravieza el regenerador R (intercambiador de calor). La dificultad de alcanzar el rendimiento del ciclo Carnot en la prctica, radica en la imposibilidad de realizar las dos transformaciones isotermicas que lleva el ciclo. En un ciclo real habra que comunicarle a ambos pistones un movimiento senoidal de igual frecuencia , pero con un cierto defasaje ; la variacin de los volumenes se podra realizar en forma continua, obteniendose el movimiento de los pistones mediante un sistema de bielas romboidal.

Funcionamiento del motor

El funcionamiento terico del ciclo correspondiente al esquema de motor de la figura, se puede realizar de la siguiente forma.

Primer tiempo

En la primera operacin se parte del estado inicial A definido por pA, VA y T2. Se comprime el gas de VA a VB a temperatura constante, dejando inmovil el pistn caliente, realizandose la compresin por el pistn fro; para que esta operacin se haga a temperatura constante es necesario un recuperador que permita extraer calor a medida que ste se genere.

Segundo tiempo

Una vez que se ha llegado al estado B, se desplazan simultaneamente los dos pistones hacia arriba pasando al estado C; el calor necesario se toma a T1 del foco caliente.

Tercer tiempo

En este tiempo se efectua una expansin isotrmica y se alcanza el punto D del diagrama definido por pD, VD y T1, comunicando calor para mantener la temperatura constante.

Cuarto tiempo

Para volver al estado A es necesario ceder calor al recuperador para enfriar el gas. La masa de aire que se ha expansionado a T1 hasta D, se refrigera desde T1 (desde el punto D) hasta T2 (hasta el punto A), cediendo calor al regenerador R segn DA; cuando el pistn caliente desciende lo envia a otro regenerador (dado por BC) que lo devuelve cuando el pistn caliente asciende de forma que el gas se comprime isotermicamente a T2 recalentandose hasta T1 mediante el regenerador citado.

Rendimiento trmico

Calor tomado del foco caliente

Calor cedido al foco fro

Calor intercambiado a lo largo de la transformacin BC

Calor intercambiado a lo largo de la transformacin DA

Como se puede ver Q1* y Q2* son iguales en valor absoluto y de signos contrarios. El recuperador permite recibir alternativamente el calor Q1* y ceder el calor Q2* de forma que si la mquina esta bien construida, en el curso de un ciclo no hay otro calor intercambiado con las fuentes exteriores que el Q1 tomado a T1 y el Q2 cedido a T2. Por lo tanto el rendimiento trmico del ciclo est dado por:

pero como VA = VD y VB = VC

que como podemos ver es similar al del ciclo Carnot. La ventajas de motor Stirling son:

Rendimiento trmico elevado, igual que el Carnot entre las temperaturas extremas,

la mquina posee unas pocas piezas mviles y ninguna vlvula,

su rendimiento varia poco con la velocidad de marcha,

su funcionamiento no implica explosiones, por lo su marcha es silenciosa y exenta de vibraciones.

Como sabemos no es posible reproducir en la prctica el ciclo teorico sino que existen ciertas modificaciones. A continuacin podemos observar un ciclo Stirling real.

Aplicacin del ciclo al licuado de gases

El ciclo Stirling como ha sido descripto anteriormente, es el ciclo directo, es decir mediante una diferencia de temperatura entre dos focos se traduce en movimiento; pero puede ser utilizado en forma inversa es decir mediante la aplicacin de trabajo mecnico se logra conseguir una diferencia de temperatura entre dos focos. Las aplicaciones del ciclo inverso son muy numerosas, entre ellas podemos mencionar:

medio para enfriar equipos electrnicos e imanes superconductores en investigacin,

secado de materiales por congelacin,

medio enfriador para licuar gases,

aparatos de refrigeracin, etc.

En nuestra experiencia de laboratorio, hemos utilizado una mquina que funciona bajo un ciclo Stirling inverso, a la cual se le entrega trabajo mediante un motor elctrico, de aproximadamente 1500 r.p.m. que esta acoplado al cigeal y permite el movimiento de los pistones. La mquina consta de dos pistones, los cuales presentan un movimiento alternativo pero con un cierto defasaje (igual frecuencia), y se encuentran dentro de un mismo cilindro, adems posee un regenerador.

En la parte superior de la mquina hay un tanque de almacenamiento que posee el aire a licuar y se encuentra en contacto dicho aire con la parte superior del cilindro de la mquina por medio de aletas refrigerantes. El aire situado dentro del tanque constituye la fuente caliente; por lo tanto si el calor absorbido por el motor es el necesario para disminuirle la temperatura al aire por debajo de la crtica, el mismo pasar al estado lquido. Rodeando a la parte inferior del cilindro, como vemos en la figura, tenemos conductos dentro de los cuales circula agua; la misma constituye la fuente fra. El aire licuado dentro del tanque, es enviado por medio de conductos a un termo contenedor. Los dispositivos mecanicos de la mquina son lubricados mediante aceite que se encuentra en el crter de la misma. En nuestro caso, el gas situado dentro del cilindro es hidrgeno.

La mquina posee tres dispositivos de seguridad:

uno que la detiene cuando la presin del hidrgeno dentro del cilindro exede una predeterminada,

otra que alerta por la no circulacin de agua, y por ultimo

otro que alerta cuando la presin del tanque exede un cierto valor lmite.

A continuacin podemos ver un esquema de la mquina utilizada

Como el aire esta constituido por un 78% de nitrgeno, un 20,9% de oxgeno, 1% de dixido de carbono y gases nobles y vapor de agua variable entre 0% y 0,7%, entonces la temperatura que debe alcanzar el aire debe ser inferior a la temperatura crtica ms baja de sus componentes, asi entonces podemos licuar el gas. Para el nitrogeno dicha temperatura es 77 K , para el oxgeno es 90,18 K, para el dioxido de carbono es 194 K, por lo tanto si la temperatura es menor a 77 K, se produce la licuacin. Cuanto menor es la humedad del aire, es decir la cantidad de vapor de agua, mejor va a ser, ya que se ve reducida la posibilidad de obstrucciones en el interior de los tubos conductores.

Algo a tener en cuenta es que el gas contenido dentro del cilindro debe presentar una temperatura de ebullicin inferior a la del aire, cosa que se cumple para el hidrogeno, sino no podria funcionar la maquina ya que habra riesgos de condensacin del gas contenido en el cilindro.

BIBLIOGRAFA

http://www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyecto-stirling-2010-ies-leonardo-da-vinci.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Aire_lquido

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Stirling_engine#Stirling_cycle_thermodynamics

http://libros.redsauce.net/Termodinamica/PDFs/10Termod.pdf

Termotecnia. Mora, Carlos Mario. Centro de estudiantes de ingeniera y ciencias naturales.

TANQUE DE ALMACENAMIENO : FUENTE CALIENTE

CONDUCTOS DE AGUA : FUENTE FRA

PISTONES

3

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