Ciclo Ericsson

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

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 aporte de calor.

	Ciclo/Proceso	Compresión	Calor engadida	Expansión
Ericsson (Primeiro, 1833)	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico
Ericsson (Segundo, 1853)	isotérmico	isobárico	isotérmico	isobárico
Brayton (Turbina)	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico

Motor Ericsson

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 aportada exteriormente (color roxa). O aire da cámara superior aspirouse ao baixar o pistón e encóntrase a presión atmosférica (color 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 custe poden compensarse cun rendemento e unha potencia específica máis grandes.

Notas

• Ericsson's patentes. 1833 British and 1851 USA
• The evolution of the heat engine, by: Ivo Kolin Published Moriya Press, 1972 by Longman
• Hot Air calórico and Stirling Engines, by Robert Siero. Published 1999, by L A Mair.
• New York Times 1853-03-01 The calórico Ship Ericsson - Official Report and Correspondence
• RAND Report "Ericsson Cycle Gas Turbine Powerplant" (1979)