octavavariante
Octava variante
Un ciclo de Piot de dos cilindros
Introducción
Cuando empecé a estudiar estas máquinas me propuse el objetivo de hacer un motor pof pof que moviera un pistón, y los correspondientes cigüeñal y volante.
Esta página se originó en esta búsqueda, salvo las dos primeras variantes de las que surge esta idea y la séptima que simplemente sirve para redondear el trabajo, las restantes son ensayos pensando en la forma de hacerlo.
Esta variante es la que más se acerca al objetivo, pero al no ser una máquina resonante no la podemos considerar estrictamente como un motor pof pof.
El ciclo del vapor es exactamente el mismo pero la oscilación de la columna de agua es forzada por un pistón acoplado al eje y no por la inercia de la columna de agua como en un verdadero motor pof pof..
Ciclo de Piot
Existen estudios sobre este ciclo pero lo describiré a mi manera, esperando no cometer errores de importancia.
Recordemos el pof pof elemental, este era un tubo cerrado en un extremo y abierto en el otro, lleno de agua y al que se le aplica una llama sobre el extremo cerrado mientras que el abierto se sumerge en un estanque.
En esta máquina podemos distinguir tres zonas:
1)la que está en contacto con la llama (caldera o zona caliente)
2)una zona donde no hay intercambio de calor con el medio (regenerador o zona de transición)
3)y finalmente, el tubo sumergido que es la zona fría.
Si tomáramos una rodaja de fluido y observáramos su movimiento veremos que oscila entre dos posiciones límites bien definidas. Como el tubo tiene una longitud mucho mayor que su diámetro esto es una aproximación válida aún si el movimiento es turbulento.
Se puede ver que la temperatura de una rodaja y las vecinas son aproximadamente iguales por lo que podemos suponer que no hay intercambio de calor entre ellas.
No ocurre lo mismo con las paredes, como a lo largo del tubo hay un gradiente de temperatura (concentrado en la zona de transición) y las rodajas oscilan, las temperaturas de la rodaja y la pared serán normalmente distintas produciéndose el intercambio de calor.
Como la temperatura de la rodaja tiende a igualarse a la del tubo, podemos suponer que la temperatura de la rodaja variará entre las temperaturas que tiene el tubo en las posiciones extremas de la oscilación.
Vemos que cada rodaja describe un ciclo térmico cuyas temperaturas limites dependen de su ubicación en la máquina y que se encadena a los ciclos de las otras a través del intercambio de calor con la pared del tubo.
Observemos que sucede con la primera rodaja de la caldera, vemos que no se desplaza, su temperatura es constante (caso ideal) y su volumen cambia por las variaciones de presión durante el ciclo. Su ciclo térmico consiste en una expansión y una compresión isotérmica. El mismo comportamiento tendrán todas aquellas cuyo desplazamiento no las lleve fuera de la zona caliente.
Pasemos a la zona de transición que se caracteriza por un gradiente térmico desde la temperatura de la caldera a la del estanque.
Las rodajas de esta zona cambian su temperatura al desplazarse. Pero hay dos categorías, por un lado están aquellas que se desplazan en una zona donde la temperatura es mayor que la de ebullición y cumplen un ciclo de vapor sobrecalentado y por otro lado las que llegan a una zona donde se produce la condensación, en este ultimo caso la variación de volumen es dramática ya que la densidad del agua respecto de su vapor es del orden de 10 al cubo.
Por último hay rodajas que permanecen siempre líquidas y cuya temperatura varía al desplazarse por el tubo con un cambio de volumen despreciable.
Podemos comparar el funcionamiento térmico de un motor pof pof a un grupo de albañiles (rodajas) descargando un camión (llama) de ladrillos (calor), los ladrillos son pasados de uno a otro y se desplazan entre el camión y el lugar donde se depositan (estanque) pero los albañiles no se desplazan, sus brazos oscilan pasándose los ladrillos.
Como hemos dicho, cada rodaja puede considerarse como una máquina térmica simple encadenada a través de las paredes del tubo a las demás, lo que nos indica que el ciclo global de motor es la combinación de todos los ciclos elementales, y como a los ciclos encadenados (por ejemplo turbina de gas + turbina de vapor) se los llama ciclos combinados, este también será un ciclo combinado.
Veamos que el ciclo global se puede modificar cambiando las proporciones de las zonas de la máquina. Este ciclo depende de la geometría del motor.
El ciclo tiene algunas semejanzas con el de Stirling por lo que las máquinas que los implementan también son semejantes.
Esta aclaración es importante porque la máquina que he construido es muy parecida a un ciclo Stirling de dos cilindros y esto genera la tentación de decir que es un “ciclo Stirling de vapor” y no es así, es un ciclo de Piot de dos cilindros.
1)Descripción del ciclo de Piot de dos cilindros.