8 motor stirling

8/16/2019 8 Motor Stirling

1/76

© Los autores, 2002; © Edicions UPC, 2002.


2/76



3/76

Regenerador

Vmàx F Vmàx CVmín F Vmín C Vint CVint F

1

2

3

4

1



4/76



5/76

Vint

Vmàx

Vint

Vmàx

C

F

3-4

2

1

2

3-4

1

2

3

1-2

4

3

4

Vmin

Vmin



6/76



7/76

IsoterAdiabática(1pa

Adiabática (4

P

V

TH

1

2

T

S

TH

TADIAB

1 2



8/76

2

1

4

V

P

3

2

1

4

V

P

3



9/76

≥



10/76

ε

)()(

>máx

mín1

−=≤ η η



11/76

V min =Cilindrada

Relación de compresión – 1

V min =Cilindrada

Relación de compresión – 1



12/76

n =

Pmax Vmin

R T2

n =

Pmax Vmin

R T2

1 TC nRT1’ /P1’ P4’

2 TC Vmín NRT2 /V22’ TC +regeneración (TH- TC) Vmín nRT2’ /V2’

3’ TH nRT3’ /P3’ P2’4 TH Vmáx nRT4 /V44’ TH -regeneración (TH- TC) Vmáx nRT4’ /V4’

)V

V·ln(·VPQ

1’

2

1’1’1’2=

)V

V·ln(·VPQ

3’

43’3’3’4 =



13/76



14/76

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

isotérmico

adiabático

R e n

d i m i e n t o ( % )

Relación de compresión

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

isotérmico

adiabático

T r a b

a j o ( J )




15/76

)()( >

máx

mín1

−== η η



16/76

1compresióndeRelación

CilindradaVmín −

=



17/76

máx

mínmáx

T·R

·VPn =

1 TC Vmá x nR T1 /V1

2 TC Vmí n nR T2 /V2

2’ TC +regeneración (TH- T C) Vmí n nR T2’ /V2’

3 TH Vmí n nR T3 /V3

4 TH Vmá x nR T4 /V4

4’ TH -regeneración (TH- T C) Vmá x nR T4’ /V4’

)V

V·ln(·VPQ

1

2

1112 =

)V

V·ln(·VPQ

3

4

3334 =



18/76



19/76

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

helio

helio (ADIAB)

0

100

200

300

400

500

600

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

helio

helio (ADIAB)



20/76

)()(

>

máx

mín

1

−==η η



21/76



22/76

1compresiódeRelación

CilindradaVmín −

=

2’

mínmáx

T·R

·VPn =

1 TC Vmáx nRT 1 /V1

2 TC Vmín nRT 2 /V2

2’ TC +regeneración (TH- TC) Vmín nRT 2’ /V2’

3’ TH nRT 3’ /P3’ P2’

4 TH Vmáx nRT 4 /V4

4’ TH -regeneración (TH- TC) Vmáx nRT 4’ /V4’

)V

V·ln(·VPQ

1

2

1112=



23/76

)V

V·ln(·VPQ

3’

4

3’3’3’4 =



24/76

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

helio

helio (ADIAB)


R e n

d i m i e n t o ( % )



25/76


T r a b a j o ( J )

0

20

40

60

80

100

120

140

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

helio

helio (ADIAB)



26/76

P

Pmax

Tc Tn

V / nmin V / nmax V/n

ciclo Stirling

ciclo mixto Stirling-Rallis

ciclo Rallis



27/76

R e n d i m i e n t o ( % )



T r a b a j o ( J )



28/76

Salto térmico

R e n d i i e n t o



29/76

T r a b a j o ( J )

Salto térmico

Salto térmico

R

e n d i m i e n t o ( % )



30/76

Temperatura fría (K)

T r a b a j o ( J )

T r a b a j o ( J )

Temperatura fría (K)



31/76

Variable

↑ Pmáx

↑ Cilindrada

↑ Régimen de giro

↑ Rel. Compresión

↑ Cap. Ca lorífica molar

↓ TH

↑ TC



32/76

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Volumen

frío

Volumen

caliente

VolumenTotal



33/76

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 50 100 150 200 250 300 350 400

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

caliente

fría

Diferencia

Porcentaje

=



34/76



35/76

1·Cvm

·Cm

TT·Cvm

·Cm

T

f f

RR

HR1

f f

RR

R2

+

+=



36/76

∆

∆

100xTT

TT

ónRegeneraci CH

EH

−

−

=



37/76



38/76



39/76

Pistón Gran ∆P Pequeño ∆Τ

Desplazador Pequño ∆P Gran ∆Τ

Mixto Gran ∆P Gran ∆Τ



40/76



41/76



42/76

°



43/76



44/76



45/76

desplazador

pistón

muelles de gas

desplazador

pistón

muelles de gas



46/76

∆



47/76

Calentador Enfriador Absorvidor Absorve calor del exterior y la cede alfluido de trabajo. Es la salida de la

cámara de expansión

Enfriador Disipador Calentador Absorve calor del fluido de trabajo y la

cede al exterior. Es la salida de la cámarade compresión

Regenerador Regenerador Regenerador Absorve calor del fluido de trabajocuando lo atraviesa e un sentido y lo

guarda para devolvérselo cuando pasa en

sentido contrario

Precalentador Precalentador Precalentador En motores calentados por combustión,

calienta, con los humos, el airecomburente. En bombas de calor,

calienta o enfría el aire entrante medianteel aire residual



48/76

Humos

Aire

Aire

pre-calentado

Combustible

Agua

refrigerada

Aguacaliente

Humos

Aire

Aire

pre-calentado

Combustible

Agua

refrigerada

Aguacaliente



49/76

Aire de entrada 280K

Aire precalentado 1500K

Productos de la combustión 2500K

Humos antes del precalentador 1600K

Humos a la salida 500K

Gas de trabajo al salir del calentador 900K

Gas de trabajo al salir del enfriador 330K

Circuito de agua de refrigeración (T media) 295K



50/76

Humos Pérdidas térmicas

Energía de

combustión

Pre-

calentador

Calentador

Pérdidas mecán icas Refrige ració

Trabajo

mecánico

Enfriador

R e g e n e r a d o r

Humos Pérdidas térmicas

Energía de

combustión

Pre-

calentador

Calentador

Pérdidas mecán icas Refrige ració

Trabajo

mecánico

Enfriador

R e g e n e r a d o r



51/76

∆

∆

aletas

exteriores

aletas

interiores

cabecera

tubos

aletas

quemador

tubo

aletas

exteriores

aletas

interiores

cabecera

tubos

aletas

quemador

tubo



52/76



53/76

∆



54/76



55/76

mono-

componenteMono-fase gas H, He, Ar, CO2, H2O(v), ...

líquidoH

2O, Hg, aceites, alcoholes,

CO2 (l), gasolina, ...

Multi-fase fluido condensante H2O(l) + H2O(v), ...

mezcla de gases Aire, ...

multi-

componente

Mono-fase líquido multi-

componentH2O + solutos, mezclas, ...

[gas portador] + gas

disociante

multi-fase

gas portador + fluido

condensante Aire + H2O(l) + H2O(v), ...

[gas portador] + fluido

condensante-

disociante

[Helio] + N2O4 (l)] N2O4 (v) ] NO

] NO ] O2, ...

mono-

componenteMono-fase gas H, He, Ar, CO2, H2O(v), ...

líquidoH

2O, Hg, aceites, alcoholes,

CO2 (l), gasolina, ...

Multi-fase fluido condensante H2O(l) + H2O(v), ...

mezcla de gases Aire, ...

multi-

componente

Mono-fase líquido multi-

componentH2O + solutos, mezclas, ...

[gas portador] + gas

disociante

multi-fase

gas portador + fluido

condensante Aire + H2O(l) + H2O(v), ...

[gas portador] + fluido

condensante-

disociante

[Helio] + N2O4 (l)] N2O4 (v) ] NO

] NO ] O2, ...

η η η



56/76


57/76


R e n d i i e n t o

(

)



58/76


T r a b a j o ( J )


R e n d i

i e n t o (

)

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

hidrogen

heli

argó

aire

hidrogen (ADIAB)

heli (ADIAB)argó (ADIAB)

aire (ADIAB)



59/76

T r a b a j o ( J )


0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

hidrogen

heli

argó

aire

hidrogen (ADIAB)

heli (ADIAB)

argó (ADIAB)

aire (ADIAB)



60/76

R e n d i m i e

n t o ( % )


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

hidrogen

heli

argó

aire

hidrogen (ADIAB)

heli (ADIAB)

argó (ADIAB)

aire (ADIAB)

T r a

b a j o ( J )




61/76



62/76

β

β β

β β

β

β



63/76

β

β

β

∆

R e l a c i ó n d e p o t e n c i a s

Relación de masas



64/76

β

β

β



65/76

Temperatura del

calentador600 K 800 K 1000 K 1200 K

NºBeale (motor bien

diseñado)0'008 0'017 0'025 0'030

NºBeale(motor poco

optimizado)0'002 0'006 0'009 0'010

η

÷ η

÷

η

η

η

η η

η

η

η



66/76

η

η

Tmax y Tmin

constantes

Tmax y Tmin

constantes

Velocidad, n Presión media, ̄p

Temperatua

de calentamiento

Temperatua

de refrigeración

Tmax y Tmin

constantes

Tmax y Tmin

constantes

Velocidad, n Presión media, ̄p

Temperatua

de calentamiento

Temperatua

de refrigeración



67/76

α α α

τ

τ τ

α



68/76

Velocidad del motor, n (r.p.m.)

P a r T ( N * m )



69/76

η,

Potencia

Velocidad o Presión Velocidad o Presión

RendimientoPotencia

Velocidad o Presión Velocidad o Presión

Rendimiento



70/76

: reduce la amplitud

de la excursión de la presión del cicloProporcional Nulo

: el

movimiento continuo (senoidal) de los

pistones y las inercias del fluido hacen

que la distribución ya no sea la ideal.

Proporcional NuloPérdidas del ciclo

modificado

: La elevada velocidad

con la que se repite el ciclo no permite

intercambios de calor isotérmicos.

Proporcional Constante

: a través y a lo largo de las

paredes.

Constante Regresivo

: hacia el

ambiente.

": los émbolos en

movimiento absorben calor por el

extremo caliente de los cilindros y la

pierden por el extremo frío.

: cuando la fuente de calor es por

combustión, parte de la energía se

pierde por el escape.Proporcional Constante

Pérdidas

térmicas

: debido a la

diferencia de temperatura entre

extremos de los intercambiadores



71/76



72/76

Velocidad, n (r.p.m.)

Par, T (N.m)

Tresistente

Velocidad, n (r.p.m.)

Par, T (N.m)

Tresistente



73/76



74/76



75/76



76/76

ángulode fase

P o t e n c i a

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