Motor de aire caliente

Motor de combustión externa que utiliza aire como fluido de trabajo.

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
Sucursales Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
Leyes Zeroth Primero Segundo Tercera
Sistemas Sistema cerrado Sistema aislado Estado Ecuación de estado Gas ideal Gas real Estado de la materia Fase (materia) Equilibrio Control de volumen Instrumentos Procesos Isobárico Isocórico Isotermo Adiabático Isentrópico Isenthalpic Cuasiestático Politrópico Expansión libre Reversibilidad Irreversibilidad Endoreversibilidad Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiencia térmica
Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensas Funciones de proceso Trabajo Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad de vapor Propiedades reducidas
Propiedades materiales Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compresibilidad  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Expansión térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Ecuaciones Teorema de carnot Teorema de clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Onsager relaciones recíprocas Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
Potenciales Energía gratis Entropía libre Energía interna ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpía ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Energía libre de Helmholtz ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Energía libre de Gibbs ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
Historia Cultura Historia General Entropía Leyes de los gases Máquinas de "movimiento perpetuo" Filosofía Entropía y tiempo Entropía y vida Trinquete browniano Demonio de Maxwell Paradoja de la muerte por calor La paradoja de Loschmidt Sinergética Teorías Teoría calórica Vis viva ("fuerza viva") Equivalente mecánico del calor Poder de motivación Publicaciones clave " Una investigación experimental sobre ... el calor " " Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas " " Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego " Líneas de tiempo Termodinámica Motores térmicos Arte Educación Superficie termodinámica de Maxwell Entropía como dispersión de energía
Científicos Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson Van der Waals Waterston
Otro Nucleación Autoensamblaje Autoorganización Orden y desorden
Categoría
v t mi

Ilustración de un motor de aire caliente con diferencial de baja temperatura (LTD). 1. Pistón de potencia, 2. Extremo frío del cilindro, 3. Pistón desplazador 4. Extremo caliente del cilindro Q1. Calentar, Q2. Calentar.

Un motor de aire caliente ^[1] (históricamente llamado un motor de aire o de calorías motor ^[2] ) es cualquier motor térmico que utiliza la expansión y contracción del aire bajo la influencia de un cambio de temperatura para convertir la energía térmica en trabajo mecánico . Estos motores pueden basarse en varios ciclos termodinámicos que abarcan tanto dispositivos de ciclo abierto como los de Sir George Cayley ^[3] y John Ericsson ^[4] y el motor de ciclo cerrado de Robert Stirling . ^[5] Los motores de aire caliente son distintos de los motores de combustión interna y de vapor más conocidos.

En una implementación típica, el aire se calienta y enfría repetidamente en un cilindro y la expansión y contracción resultantes se utilizan para mover un pistón y producir un trabajo mecánico útil .

Definición

Un praxinoscope realizado por Ernst Plank, de Nuremberg , Alemania, y accionado por un motor de aire caliente en miniatura. Ahora está en la colección de Thinktank, Museo de Ciencias de Birmingham .

El término "motor de aire caliente" excluye específicamente cualquier motor que realice un ciclo termodinámico en el que el fluido de trabajo sufra una transición de fase , como el ciclo Rankine . También se excluyen los motores de combustión interna convencionales , en los que se añade calor al fluido de trabajo mediante la combustión del combustible dentro del cilindro de trabajo. Los tipos de combustión continua, como el Ready Motor de George Brayton y la turbina de gas relacionada , podrían considerarse casos límite.

Historia

La propiedad expansiva del aire caliente era conocida por los antiguos. Hero of Alexandria 's Pneumatica describe dispositivos que podrían usarse para abrir automáticamente las puertas del templo cuando se enciende un fuego en un altar de sacrificio. Dispositivos llamados motores de aire caliente, o simplemente motores de aire , se han registrado ya en 1699. En 1699, Guillaume Amontons (1663-1705) presentó a la Real Academia de Ciencias de París un informe sobre su invención: una rueda que se hizo girar por el calor. ^[6]La rueda se montó verticalmente. Alrededor del cubo de la rueda había cámaras llenas de agua. Las cámaras llenas de aire en la llanta de la rueda se calentaron con un fuego debajo de un lado de la rueda. El aire caliente se expandió y, a través de tubos, forzó el agua de una cámara a otra, desequilibrando la rueda y haciendo que girara.

Ver:

• Amontons (20 de junio de 1699) "Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines" (Medios de sustituir convenientemente la acción del fuego por la fuerza de hombres y caballos para moverse [es decir, máquinas eléctricas]), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences , páginas 112-126. Las Mémoires aparecen en la Histoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699 , que se publicó en 1732. El funcionamiento del moulin à feu (molino de fuego) de Amontons se explica en las páginas 123-126; Esta máquina se ilustra en la placa siguiente a la página 126.
• Para un relato de la rueda de fuego de Amontons en inglés, ver: Robert Stuart, Historical and Descriptive Anecdotes of Steam-engine and of Their Inventors and Improvers (Londres, Inglaterra: Wightman y Cramp, 1829), vol. 1, páginas 130-132  ; una ilustración de la máquina aparece en ^[7] alrededor de la época en que se establecieron por primera vez las leyes de los gases , y las primeras patentes incluyen las de Henry Wood , vicario de High Ercall cerca de Coalbrookdale Shropshire (patente inglesa 739 de 1759) y Thomas Mead , un ingeniero de Sculcoats Yorkshire (patente inglesa 979 de 1791), ^[8] este último en particular contiene los elementos esenciales de unmotor de tipo desplazador (Mead lo denominó transferidor). Es poco probable que cualquiera de estas patentes haya dado como resultado un motor real y el primer ejemplo viable fue probablemente el motor de gas de horno de ciclo abierto del inventor inglés Sir George Cayley c.  1807 ^{[9] [10]}

Es probable que el motor neumático de Robert Stirling de 1818, que incorporó su innovador Economizador (patentado en 1816), fuera el primer motor neumático que se puso en práctica. ^[11] El economizador, ahora conocido como regenerador , almacenaba calor de la parte caliente del motor cuando el aire pasaba al lado frío y liberaba calor al aire enfriado cuando regresaba al lado caliente. Esta innovación mejoró la eficiencia del motor Stirling y debería estar presente en cualquier motor neumático que se llame correctamente motor Stirling .

Stirling patentó un segundo motor de aire caliente, junto con su hermano James, en 1827. Invertieron el diseño para que los extremos calientes de los desplazadores estuvieran debajo de la maquinaria y agregaron una bomba de aire comprimido para que el aire interno pudiera aumentar la presión para alrededor de 20 atmósferas. Chambers afirma que no ha tenido éxito, debido a defectos mecánicos y a “la acumulación imprevista de calor, no extraído completamente por los tamices o pequeños pasajes en la parte fría del regenerador, cuya superficie externa no era lo suficientemente grande para deshacerse del calor no recuperado cuando el motor funcionaba con aire muy comprimido ".

Parkinson y Crossley, patente inglesa, 1828 crearon su propio motor de aire caliente. En este motor, la cámara de aire está parcialmente expuesta, por inmersión en agua fría, al frío externo, y su parte superior se calienta con vapor. Un recipiente interno se mueve hacia arriba y hacia abajo en esta cámara, y al hacerlo desplaza el aire, exponiéndolo alternativamente a las influencias calientes y frías del agua fría y del vapor caliente, cambiando su temperatura y condición expansiva. Las fluctuaciones provocan el movimiento alternativo de un pistón en un cilindro a cuyos extremos se conecta alternativamente la cámara de aire.

En 1829, Arnott patentó su máquina de expansión de aire donde se coloca un fuego en una rejilla cerca del fondo de un cilindro cerrado, y el cilindro está lleno de aire fresco recién admitido. Un pistón suelto se tira hacia arriba para que todo el aire del cilindro de arriba pase por un tubo a través del fuego, y reciba una elasticidad incrementada tendiente a la expansión o aumento de volumen, que el fuego es capaz de darle. .

Le sigue el año siguiente (1830) el capitán Ericsson, que patentó su segundo motor de aire caliente. La especificación lo describe más particularmente, como consistente en una “cámara circular, en la que se hace girar un cono sobre un eje o eje por medio de hojas o alas, alternativamente expuesto a la presión del vapor; estas alas u hojas se hacen trabajar a través de rendijas o aberturas de un plano circular, que gira oblicuamente y, por lo tanto, se mantiene en contacto con el lado del cono ".

Ericsson construyó su tercer motor de aire caliente (el motor calórico) en 1833 que despertó tanto interés hace unos años en Inglaterra; y que, si se pone en funcionamiento en la práctica, resultará la invención mecánica más importante jamás concebida por la mente humana, y una que conferirá mayores beneficios a la vida civilizada que cualquier otra que la haya precedido. Porque el objeto de esto es la producción de energía mecánica por la agencia del calor, con un gasto de combustible tan excesivamente pequeño, que el hombre tendrá una fuerza mecánica casi ilimitada a su disposición, en regiones donde ahora se puede decir que apenas existe combustible. .

1838 ve la patente del motor de aire caliente Franchot, sin duda el motor de aire caliente que mejor seguía los requisitos de Carnot.

Hasta ahora, todos estos motores de aire no han tenido éxito, pero la tecnología estaba madurando. En 1842, James Stirling, hermano de Robert, construyó la famosa locomotora Dundee Stirling. Éste duró al menos 2-3 años, pero luego se suspendió debido a invenciones técnicas inadecuadas. Los motores de aire caliente son una historia de pruebas y errores, y pasaron otros 20 años antes de que los motores de aire caliente pudieran usarse a escala industrial. Los primeros motores de aire caliente fiables fueron construidos por Shaw, Roper, Ericsson. Se construyeron varios miles de ellos.

Ciclos termodinámicos

Artículo principal: ciclo termodinámico

Un ciclo termodinámico de un motor de aire caliente puede (idealmente) estar formado por 3 o más procesos (típicamente 4). Los procesos pueden ser cualquiera de estos:

• proceso isotérmico (a temperatura constante, mantenido con calor añadido o retirado de una fuente de calor o disipador)
• proceso isobárico (a presión constante)
• proceso isométrico / isocórico (a volumen constante)
• proceso adiabático (no se agrega ni se elimina calor del fluido de trabajo)
  • proceso isentrópico , proceso adiabático reversible (no se agrega ni elimina calor del fluido de trabajo, y la entropía es constante)
• proceso isentálpico (la entalpía es constante)

Algunos ejemplos (no todos los ciclos de aire caliente, como se definieron anteriormente) son los siguientes:

Ciclo	Compresión, 1 → 2	Adición de calor, 2 → 3	Expansión, 3 → 4	Rechazo de calor, 4 → 1	Notas
Ciclos de energía normalmente con combustión externa o ciclos de bomba de calor:
Bell Coleman	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Un ciclo de Brayton invertido
Carnot	isentrópico	isotermo	isentrópico	isotermo	Motor térmico de Carnot
Ericsson	isotermo	isobárico	isotermo	isobárico	El segundo ciclo de Ericsson de 1853
Rankine	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Máquina de vapor
Higroscópico	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Ciclo higroscópico
Scuderi	adiabático	presión y volumen variables	adiabático	isocórico
Stirling	isotermo	isocórico	isotermo	isocórico	motor Stirling
Manson	isotermo	isocórico	isotermo	isocórica luego adiabática	Motor Manson , motor Manson-Guise
Stoddard	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico
Ciclos de potencia normalmente con combustión interna :
Brayton	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Motor a reacción . La versión de combustión externa de este ciclo se conoce como primer ciclo Ericsson de 1833.
Diesel	adiabático	isobárico	adiabático	isocórico	Motor diesel
Lenoir		isocórico	adiabático	isobárico	Chorros de pulso . Tenga en cuenta que 1 → 2 logra tanto el rechazo de calor como la compresión.
Otón	isentrópico	isocórico	isentrópico	isocórico	Motores de gasolina / gasolina

Otro ejemplo más es el ciclo de Vuilleumier .^[12]

Ver también

• motor Stirling
• Motor de aire caliente termoacústico
• Motor Manson-Guise
• Motor lamidora de llamas
• Motor térmico de Carnot
• Cronología de la tecnología de motores térmicos

Referencias

1. "Una investigación sobre los motores de aire caliente del siglo XIX" . hotairengines.org .
2. Robert Sier (1999). Motores de aire caliente calórico y stirling. Vol.1, Una historia (1ª edición (revisada) ed.). LA Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
3. "Vida de Cayley y motores de aire" . hotairengines.org .
4. "La vida de Ericsson y los motores de aire" . hotairengines.org .
5. "La vida de Stirling y los motores de aire" . hotairengines.org .
6. "Rueda de fuego de Amontons" . hotairengines.org .
7. página 351 .
8. Robert Sier (1999). Motores de aire caliente calórico y stirling. Vol.1, A history, página 56 (1ª edición (revisada) ed.). LA Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
9. "Historia del motor Stirling" . Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2009 . Consultado el 9 de julio de 2007 .
10. Contenidos detallados del libro Hot air calórico y motores stirling. Vol.1, Una historia
11. Finkelstein, T; Organ, AJ (2001). Capítulo 2.2 Motores neumáticos . Publicaciones de Ingeniería Profesional. ISBN 1-86058-338-5.
12. Wurm, Jaroslav (1991). Bombas de calor Stirling y Vuilleumier: diseño y aplicaciones . McGraw-Hill. ISBN 0-07-053567-1.

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con motores de aire caliente .

Wikisource tiene el texto del artículo Air-Engine de la Encyclopædia Britannica de 1911 .

• Introducción a las máquinas de ciclo Stirling
• Pioneros en diseños de motores de aire (seleccione la biografía deseada)
• Aparato para el método de diferenciación del calor Patente de Vuilleumier
• Investigación sobre los motores de aire caliente del siglo XIX