Ciclo Ericsson
O Ciclo Ericsson é assim nomeado em homenagem à John Ericsson, que projetou e construiu máquinas de calor baseadas em vários ciclos termodinâmicos. J. Ericsson inventou duas máquinas cíclicas de calor e desenvolveu maquinas práticas baseadas nestes ciclos. Seu primeiro ciclo é conhecido como “Ciclo fechado de Brayton”, enquanto seu segundo ciclo é chamado de “Ciclo Ericsson”.
O Ciclo Ericsson é um ciclo termodinâmico ideal composto por quatro processos reversíveis, sendo duas transformações isotérmicas e duas transformações isobáricas. Esse ciclo descreve o funcionamento teórico de um tipo de máquina térmica chamada de motor Ericsson. O Ciclo Ericsson possui similaridades com outros ciclos importantes, como o Ciclo Stirling e o Ciclo Brayton. Os processos que ocorrem no Ciclo Ericsson Ideal estão listados a seguir O Ciclo Ericsson é o ciclo-limite, onde há um número infinito de estágios de reaquecimento e inter-resfriamento. Nesse processo, toda a adição de calor ocorre quando o fluido de trabalho estiver na temperatura mais alta e toda a remoção de calor ocorre quando ele estiver na temperatura mais baixa. Em aplicações reais, o limite econômico de estágios usados nas fases de reaquecimento e inter-resfriamento é dois ou três. Cada inter-resfriador retorna o fluido de trabalho para a temperatura mais baixa, da entrada do primeiro estágio de compressão, e cada reaquecedor retorna o fluido de trabalho para a temperatura mais alta, da entrada do primeiro estágio de expansão. O regenerador faz com que o calor recebido na transformação isobárica a alta pressão seja obtido do calor rejeitado na transformação isobárica a baixa pressão.
Comparação com o Ciclo Brayton
O primeiro ciclo desenvolvido por Ericsson é chamado atualmente de "ciclo Brayton", comumente aplicado aos motores a jato rotativo para aviões. A modificação no Ciclo Brayton que faz com que seu comportamento se aproxime do Ciclo Ericsson é a utilização de múltiplos estágios de compressão e expansão. Diferentemente do Ciclo Brayton, que utiliza compressões e expansões adiabáticas, o Ciclo Ericsson usa compressões e expansões isotérmicas. O Ciclo Ericsson, assim como o Ciclo Stirling, utiliza um regenerador. Os dois ciclos possuem eficiências térmicas iguais a do Ciclo de Carnot.
Antes de Ericsson, em 1791, John Barber propôs um mecanismo similar. O motor de Barber usava um compressor de fole e um expansor de turbina, mas faltava um regenerador/recuperador, mas não há registros do motor de Barber trabalhando. Em em 1833, Ericsson inventou e patenteou seu primeiro motor (número 6409/1833 britânico). Isso foi 18 anos antes de Joule e 43 anos antes de Brayton. Os motores de Brayton eram todos motores com pistão e, em sua maioria, versões da combustão interna do motor de Ericsson refeitos. O "ciclo Brayton" é agora conhecido como o ciclo da turbina a gás, que difere do "ciclo Brayton" original no uso de um compressor e expansor de turbina. O ciclo da turbina a gás é usado para todos os motores modernos de turbina a gás e motores de turbo a jato, entretanto, as turbinas de ciclo a gás simples são muitas vezes refeitas para melhorar a eficiência e as mesmas se parecem mais com o trabalho de Ericsson.
O navio com o motor de Ericsson
Em 1851, o motor do ciclo de Ericsson (o segundo dos dois discutidos aqui) foi usado para alimentar um navio de 2.000 toneladas. O navio de Ericsson funcionou perfeitamente durante 73 horas. O motor combinado forneceu cerca de 300 cavalos de potência (220 kW). Ele possuía uma combinação de quatro motores de pistão duplo, o pistão/cilindro de expansão, com 14 pés (4,3 m) de diâmetro, e foi, talvez o maior pistão já construído. Há rumores de que as mesas de jantar foram colocadas em cima desses pistões (obviamente na câmara de compressão fria, não a câmara de calor) e o jantar foi servido e comido, enquanto o motor estava funcionando a toda a potência. A 6,5 RPM a pressão foi limitada para 55 kPa. De acordo com o relatório oficial, o navio só consumiu 4200 kg de carvão por 24 horas (a estimativa original era de 8000 kg, o que ainda é melhor do que as máquinas a vapor contemporâneas). O teste no mar mostrou que, mesmo que o motor funcionasse bem, o navio estava fraco. Algum tempo após os testes, o Ericsson afundou. Quando foi levantado, o motor de Ericsson foi removido e uma máquina de vapor tomou seu lugar. O navio foi destruído quando ficou encalhado em novembro de 1892 na entrada de Barkley Sound, British Columbia, Canadá.
Imagem: Universidad de Navarra · BY-ND · Openverse
A eficiência térmica do Ciclo Ericsson é a mesma de qualquer ciclo que opere adicionando calor a temperatura alta e liberando calor a temperatura baixa, já que se trata de um processo reversível e todo o calor é fornecido e retirado em transformações isotérmicas. Segundo Beck e Wilson (1996), para encontrar a eficiência do Ciclo Ericsson, deriva-se a expressão para a entrada de calor nos combustores. O poder de entrada nos combustores, e o poder de saída das turbinas. Então obtém-se o número de estágios dos compressores, estágios das turbinas, e que os combustores se aproximam do infinito e mostrar que a eficiência térmica se aproxima da eficiência de Carnot. A eficiência térmica pode ser calculada como a proporção da potência específica do ciclo para a taxa de entrada de calor específico no ciclo. η T H = W ′ Q ′ {\displaystyle \eta _{TH}={\frac {W'}{Q'}}} η T H {\displaystyle \eta _{TH}} = Eficiência térmica;
Sistema de Armazenamento de Energia Térmica (STES)
O STES consiste em armazenar calor utilizando energia solar concentrada, um gerador de corrente elétrica e um motor térmico e, algumas vezes, um sistema de armazenamento de energia. O concentrador solar proporciona obtenção de alta temperatura. Dois tipos de motores de calor são muito usados em STES, o Ericsson Cycle Heat Engine (ECHE), e as turbinas a vapor de motores Stirling.
