O ciclo Ericsson foi ideado polo inventor John Ericsson, que proxectou e construíu varios motores de aire quente baseados en diferentes ciclos termodinámicos. É considerado o autor de dous ciclos para motores térmicos de combustión externa e construtor de motores reais baseados nos ciclos mencionados.
O seu primeiro ciclo era moi parecido ao actualmente chamado ciclo Brayton (que é no que se basean as turbinas de gas), pero con combustión externa.
O presente artigo trata máis ben do segundo dos seus ciclos, coñecido como ciclo Ericsson.
Ciclo Ericsson ideal
Ciclo Ericsson ideal
Suponse que o que realiza o ciclo é un gas. Consta de 4 fases:
Compresión isotérmica
Calor engadida a presión constante (quecemento isobárico)
Expansión isotérmica
Arrefriamento a presión constante (arrefriamento isobárico)
Comparación cos ciclos de Carnot e Stirling
Tanto o ciclo de Ericsson como o de Stirling son usados en motores de combustión externa. O motor de Ericsson parécese moito ao motor Stirling de dobre acción, no que o pistón desprazador actúa como pistón motriz. En teoría, ambos ciclos teñen un rendemento ideal, que, de acordo coa segunda lei da termodinámica, é o máximo rendemento posible. Lémbrese que o ciclo ideal por antonomasia é o ciclo de Carnot e que non hai ningún motor construído que siga o ciclo de Carnot.
Comparación co ciclo de Brayton
O primeiro ciclo ideado por Ericsson é chamado actualmente ciclo Brayton, é usado nos motores de turbina de gas dos avións.
O segundo ciclo inventado por Ericsson é o propiamente denominado "Ciclo Ericsson". Pode imaxinarse como un ciclo Brayton ideal, cunha turbina de gas levada ao límite: cunha fase de compresión de moitas etapas con arrefriamento (equivalentes a unha compresión refrixerada), e unha expansión con moitas etapas, incluíndo requecemento do aire de entrada cun intercambiador-recuperador. Comparándoo cun ciclo Brayton normal (con compresión adiabática e expansión adiabática), o ciclo Ericsson (con compresión e expansión isotérmicas) proporciona máis traballo limpo por revolución. O uso dun intercambiador-rexenerador aumenta o rendemento ao reducir as necesidades de achega de calor.
Esquema dun motor Ericsson: aire frío en azul, aire quente en roxo, calor exterior en vermello e pistón dobre-función en negro
Os motores Ericsson baséanse no ciclo Ericsson. Son de combustión externa polo que o gas motriz quéntase desde o exterior. Para mellorar o rendemento (térmico e total), o motor Ericsson dispón dun rexenerador ou recuperador de calor. Pode funcionar en ciclo aberto ou cerrado. A expansión e a compresión prodúcense simultaneamente, nas caras opostas do pistón.
Explicación do motor da figura:
Na posición actual (o pistón na posición máis baixa) o aire da cámara inferior quéntase mediante calor achegada exteriormente (cor roxa). O aire da cámara superior aspirouse ao baixar o pistón e encóntrase a presión atmosférica (cor azul).
O pistón comeza a subir pola presión do aire quentado. Prodúcense simultaneamente a expansión do aire quente e a compresión do aire da cámara superior (aspirado na fase previa). O aire pasa á esquerda obrigado pola válvula antirretorno da admisión e outra válvula antirretorno permítelle o paso ao depósito acumulador de aire frío.
No punto morto superior pasa ao depósito frío a máxima cantidade de aire aspirado posible. A válvula de paso (no debuxo abaixo á esquerda) ábrese e permite o paso do aire frío a través do recuperador até a cámara inferior.
Un volante de inercia fai que o pistón dobre-función (compresión-expansión) empece a baixar, empuxando o aire prequecido a través do recuperador e introducindo aire atmosférico na cámara superior.
Na cámara inferior, o aire prequecido acábase de quentar mentres se comprime. Na fase final, o pistón chega á posición inferior e o proceso repítese.
O rexenerador
Ericsson deseñou e construíu un intercambiador de calor de fluxo mesturado e en contracorrente, que denominou "rexenerador" (en inglés "regenerator"), aínda que Robert Stirling inventara un dispositivo similar, antes que Ericsson, que denominou "economizador" (en inglés "economiser" ou "economizar") debido a que aforraba combustible.
O sistema de recuperar a calor dos gases "de escape" ou "de saída" pode facerse de diversas maneiras, con válvulas ou sen elas, ou co auxilio de dispositivos rotativos ou móbiles. Cando a calor dos gases de escape serve para quentar o aire de combustión, a denominación de recuperador é máis correcta, desde o punto de vista de que os fluxos (de escape e de aire de combustión) están separados.
Historia
En 1791, John Barber propuxo un motor de aire quente similar aos de Ericsson e Brayton. Dispoñía dun compresor do tipo fol (como un fol dunha antiga fundición de ferreiros) e unha turbina expansora. Non tiña ningún recuperador ou rexenerador. Ericsson patentou o seu primeiro motor, baseado no ciclo Brayton de combustión externa, no ano 1833 en Inglaterra (No. 6409/1833 British), dezaoito anos antes que Joule e 43 anos antes que Brayton. Os motores de Brayton eran de pistóns, case todos de combustión interna e sen recuperador. Actualmente o ciclo Brayton coñécese como o ciclo da turbina de gas, que utiliza compresores e expansores de turbina (as turbinas substitúen aos pistóns). O ciclo de turbina de gas é o que seguen as propias turbinas a gas e os turborreactores. Algúns tipos de turbinas dispoñen de recuperadores de calor.
Finalmente, Ericsson abandonou o ciclo aberto e adoptou o ciclo cerrado do motor Stirling tradicional.
O motor Ericsson pode transformarse facilmente nun motor de ciclo cerrado usando un segundo depósito frío a baixa presión entre os condutos orixinais de entrada e escape.
Nun ciclo cerrado, a baixa presión pode ser máis alta que a presión atmosférica e o gas motriz pode ser hidróxeno ou helio. Ao dispor de válvulas, a diferenza de presións de gas (presión motriz e presión de compresión) dun motor Ericsson dá que a potencia específica pode ser maior que a dun motor Stirling sen válvulas. Está claro que as válvulas engaden custo e complexidade ao motor, mais as perdas mecánicas son menores nun motor Ericsson, pois, a potencia de compresión requirida é menor, ao aplicarse directamente sen ter que pasar por un cegoñal. O motor Ericsson de pistóns é, potencialmente, o que podería ter o maior rendemento de todos os motores, aínda que na práctica ninguén demostrou iso aínda.
Un motor Ericsson seguindo o segundo ciclo foi construído como propulsor dun barco de 2000 toneladas: o Ericsson. Funcionou perfectamente durante 73 horas.
A potencia era duns 300 CV (220 KW). Dispoñía de 4 pistóns de dobre función (compresión e expansión). O diámetro na parte máis grande era de 4,3 m. Tratábase dun motor moi lento, a 6,5 rpm, e unha presión de 55 kPa. O consumo de carbón era máis baixo que os dos motores de vapor da época: a cifra documentada era de 4200 kg/24 h.
As probas en mar foron moi satisfactorias, aínda que demostraron que a potencia era insuficiente para as necesidades do buque. Logo o Ericsson afundiuse e, cando foi reflotado, substituíse o motor Ericsson por un motor de vapor.
Ericsson proxectou e construíu moitos motores, de tipos diferentes e seguindo ciclos diversos. Tamén utilizou moitos tipos de combustible, como o carbón ou a enerxía solar.
Potencial actual
As posibilidades teóricas do ciclo Ericsson son o suficientemente grandes e fano interesante en aplicacións de recuperación da enerxía dos gases de escape, enerxía solar e outras.
Un aspecto importante é que o volume do recuperador non inflúe sobre o rendemento do motor (a diferenza dos motores Stirling). A necesidade de válvulas e o maior custo poden compensarse cun rendemento e unha potencia específica máis grandes.
