Descripción del ciclo de Piot de dos cilindros

 

Para empezar modifiquemos el pof pof elemental, lo doblaremos con forma de L , le pondremos en sus extremos dos cilindros perpendiculares al tubo, y las bielas de los pistones estarán conectadas a un mismo vástago excéntrico unido a un volante.

El cilindro de la izquierda y una pequeña porción de tubo es la caldera (zona caliente), la porción de tubo entre la caldera y el estanque es el regenerador (zona de transición) y la porción sumergida en el estanque es la zona fría.

En esta máquina al igual que en un motor  Stirling de dos cilindros (tipo alfa), hay dos cilindros uno caliente y otro frío con un ángulo de desfase de 90 grados.

Como la variación de volumen entre agua y vapor es del orden de 1000 veces, el cilindro frío se podría hacer muy pequeño pues su función es deformar la burbuja de vapor para que su limite se encuentre en la zona caliente (vaporización) o en la zona fría (condensación) en el momento adecuado.

Veamos la secuencia de funcionamiento

Asumamos la convención de llamar carrera de salida a aquella en que el pistón sale del cilindro y de entrada cuando entra.

Un razonamiento muy simplificado nos permite entender la base del funcionamiento:

Recordemos que en el esquema, el sentido de rotación es antihorario.

1)Durante la carrera de salida del cilindro caliente, el cilindro frío empuja la superficie del agua hacia la zona caliente generando vapor y aumentando la presión. El valor máximo de la presión depende de la cantidad de agua que ingresa a la caldera.

2) Durante la carrera de entrada del cilindro caliente, el cilindro frío aleja el agua de la caldera haciendo ingresar la burbuja en la zona fría donde el vapor se condensa bajando la presión produciendo un vacío que dependerá de la temperatura de la zona fría.

La construcción de esta máquina es por lo menos muy difícil, porque el cilindro frío debe ser lo suficientemente grande para desplazar la burbuja a lo largo de toda la zona de transición, y por otro lado la superficie del agua debe entrar en contacto con la zona caliente donde debe llegar una cantidad ínfima y lo más exacta posible.

Dosificar la cantidad justa de agua en el circuito es muy difícil, y si tenemos en cuenta las perdidas de vapor y agua mantenerla un tiempo razonable es aún más difícil.

Pero este problema se resuelve fácilmente colocando un elemento elástico en la zona fría.

Esquemáticamente pensemos en colocar un pistón sujeto a un resorte.

 

El resorte funciona limitando la cantidad de agua que ingresa en la zona caliente, pues si la presión en la caldera supera a la presión ejercida por el resorte, el agua se aleja de la zona caliente y se corta la producción de vapor.

Ahora las presiones máxima y mínima dependen de la dureza del resorte, y variándola  se puede regular la potencia que desarrolla la máquina.

Para completar el análisis digamos que tanto el proceso de vaporización como el de condensación no son instantáneos, por lo que la presión no esta exactamente en fase con el cilindro frío. La presión media en la carrera de entrada será algo menor que la de la carrera de salida del cilindro frío por lo que este también contribuye al par motriz.

Esta máquina es factible y funcionará sin problemas siempre que el agua del circuito esté perfectamente desgasificada y el sellado de los  cilindros sea perfecto. En una máquina de este tipo deberían reemplazarse los cilindros por fuelles de forma que el ciclo transcurra en una unidad perfectamente sellada. Podría diseñarse de forma que no existan articulaciones en la zona caliente (como un fuelle de fragua, o los pedales de un armonio), y al no producirse sobrepresiones como en los motores de explosión se podrían usar rodamientos sellados eliminando la necesidad de lubricación. Sería prácticamente libre de mantenimiento e inmune a las condiciones climáticas. Además al ser una unidad sellada se puede utilizar cualquier fluido y diseñarla para el polo o el ecuador (o Marte si fuera necesario, siendo de combustión externa la fuente de calor puede ser cualquiera). Un hermoso proyecto que está muy lejos de mis posibilidades.

El problema principal es conseguir fuelles adecuados, especialmente los de alta temperatura. Busqué y hasta ahora no he encontrado nada que pueda servir.

El mismo concepto puede aplicarse a un ciclo Stirling, sería una máquina, por fuera, muy parecida y, dada la experiencia que existe sobre este ciclo, de buen rendimiento.

Sigamos con el ciclo de Piot, al agregar el pistón y el resorte, hemos incluido un sistema que tiene una frecuencia de resonancia y la curva de par/velocidad de nuestra máquina tendrá la presencia de picos y valles según la resonancia del sistema favorezca o no el funcionamiento. 

Como ya dijimos el elemento elástico puede colocarse en cualquier parte de la zona fría. La primera solución que ensayé fue reemplazar la biela del pistón de baja temperatura, por un resorte (en realidad un alambre curvado), y con este esquema hice mi primera máquina exitosa que funcionó 45 segundos el 6 de enero de 2008 (ya soy un poco grande para eso, pero recibí un lindo regalo de Reyes) y con algunas modificaciones  1 minuto 45 al día siguiente. Pero resultaba bastante complicado regular la tensión del resorte y dosificar la cantidad de agua para que funcione correctamente. Además en esta máquina se acumulaba el aire en el circuito y después de algunas pruebas era necesario purgar todo el sistema. Resultaba muy poco fiable y difícil de arrancar, la menciono por que fue la primera que funcionó.

De la experiencia con esta primera máquina se vio la necesidad de colocar una trampa de aire cerca del cilindro de alta temperatura, que consiste en un recipiente cerrado donde pueda acumularse el aire formando una burbuja. Es inevitable pensar en usar la burbuja como resorte cumpliendo la doble función de trampa de aire y resorte de regulación. Quedando por ahora un esquema como el de la figura.

 


Este es el esquema de mis últimas máquinas, su funcionamiento es aproximadamente el que se ilustra en la siguiente animación:

(esta animación ha sido hecha modificando el archivo  "Alpha Stirling.gif" cargado por Richard Wheeler en Wikipedia)



La máquina implementa una versión límite del ciclo de Piot, en la que se podría considerar que  todo el fluido involucrado evoluciona entre las temperaturas extremas.

Esto permite estudiar  su comportamiento basandose en un ciclo simplificado semejante al ciclo Stirling.  Lo cual es lógico pues el ciclo Stirling no es otra cosa que una versión extrema del ciclo que cumplen los generadores termoacústicos.

Para terminar digamos que si bien hasta el momento no he construido ninguna, se pueden hacer máquinas que implementen el ciclo de Piot usando un desplazador como en los tipo beta y gama del ciclo Stirling.

En todo este razonamiento se ha supuesto que resulta posible vaporizar y condensar el agua en forma casi instantánea, veamos como se hace.