¿Se ve afectada la eficiencia de un motor stirling por los volúmenes muertos?

Question

Consideremos los diagramas p-V de un ciclo stirling ideal y real, como se encuentra aquí El artículo sugiere que los volúmenes muertos reducen la eficiencia de un motor stirling. Por otro lado, un simple experimento mental que compara un motor stirling ideal A con un motor stirling real más grande B, en el que B tiene volúmenes muertos por lo que la cantidad de fluido que funciona realmente en ambos es la misma, sugiere que la eficiencia termodinámica debería ser la misma. Sólo la potencia por ciclo debería verse afectada por el volumen muerto.

Para aclarar, el volumen muerto significa el volumen (en la cámara caliente o fría o en el regenerador) que no es barrido por los pistones.

Answer 1

Creo que la cuestión es que el volumen muerto actúa como una forma de depósito de calor. Consideremos un motor Stirling ideal conectado a un volumen muerto mediante una tubería. Durante la parte de mayor presión del ciclo, el aire caliente del motor se mezcla con el aire más frío del volumen muerto, lo que evidentemente provocará una pérdida de eficiencia. Durante la parte de menor presión del ciclo, el aire caliente se mezcla en el motor.

Lo mismo se aplicaría a un volumen muerto práctico, como los de la cámara del desplazador.

edit: Para aclarar. Mezclar aire más frío y más caliente aumenta la entropía sin extraer ningún trabajo de ella. Ese proceso es irreversible. Esa mezcla ocurre dentro del volumen muerto.

Answer 2

(¿Por qué no puedo comentar? Voy a publicar este comentario a dmytry como una respuesta. No, no estoy seguro de que esto sea correcto, es un intento de invitar a una crítica más rigurosa)

El rendimiento termodinámico de un motor stirling con volúmenes muertos es el mismo que el de un motor stirling ideal con la misma temperatura inferior/superior. Consideremos un motor stirling ideal que funciona entre las temperaturas alta y baja $T_h$ y $T_l$ Ahora, considere un motor stirling real con el menor efectivo $T_h$ ' y superior $T_l$ Supongo que la eficiencia será la misma que la de un motor stirling ideal que trabaje a esas temperaturas.

Los volúmenes muertos sólo hacen que los desafíos de ingeniería (conseguir calor a través de las paredes de la cámara caliente, almacenar el calor en el regenerador, conseguir calor a través de las paredes de la cámara fría) sean más, um, desafiantes.

Considerando un motor stirling ideal con un volumen muerto adosado. El volumen muerto actúa como almacenamiento temporal de energía, pero no proporciona ninguna vía para que el calor salga del sistema. En el volumen muerto no se realiza ningún trabajo.

Answer 3

Estaría bien que el autor explicara qué es exactamente el volumen muerto. Si alguna vez hubiera visto una máquina Strirling real, vería que tiene dos cilindros y dos pistones. Un pistón mueve el aire del depósito caliente al frío y viceversa, mientras que el pistón de potencia es donde el gas se expande y donde realiza un trabajo útil. Parte de este trabajo se transfiere al movimiento del primer pistón. Obviamente, parte del gas en el pistón de potencia, así como en el tubo entre los dos cilindros no participa en el intercambio de calor, o lo hace sólo parcialmente.

Answer 4

Déjame intentarlo una vez más. Ahora, después de confirmar que el volumen muerto significa el volumen que no está siendo barrido por los pistones, podría explicar su pregunta de las siguientes maneras:

1. Vía computacional: El motor Stirling se refiere a ciclos termodinámicos análogos al ciclo Otto: dos procesos isocóricos y dos adiabáticos. La diferencia es que en la máquina Otto tiene interno combustión y en el caso de la máquina Stirling tiene externo de combustión. Debido a estas especificidades, el diseño efectivo de ambas máquinas es totalmente diferente. Aun así, como los ciclos termodinámicos son los mismos, puedo anotar el conocido rendimiento del motor Otto ideal: $$\eta = 1 - \frac{1}{r^{\gamma-1}} $$ donde $$r = \frac{V_1}{V_2}$$ es la compresibilidad. Veremos que la eficiencia es mayor para las compresiones más grandes.
   El problema es que en el caso de la máquina Stirling tienes algún volumen que no está incluido en el proceso, por lo que tienes que añadir algún volumen $V'$ a ambos volúmenes, por lo que la compresibilidad se reduce a $$r = \frac{V_1+V'}{V_2+V'}.$$ Una menor compresibilidad significa una menor eficiencia.

2. De forma intuitiva: Como una parte del gas no participa en el intercambio de calor, su eficiencia es nula. Cuando se calcula la eficiencia se tiene en cuenta todo el gas, por lo que la eficiencia media es menor que la eficiencia de la parte activa del gas.