Analysis and comparison of thermodynamic behavior for Stirling and Ericsson cycles

Abstract

Stirling and Ericsson engines are external heat engines that offer the ability to use many different heat sources to provide reliable and sustainable power. In this thesis, we compare the Stirling and Ericsson cycles in order to determine in which situations one engine produces more net work output than the other. The net work output equations are derived and are analyzed for three different scenarios: (i) equal mass and temperature limits, (ii) equal mass and pressure or volume, and (iii) equal temperature and pressure or volume limits. The comparison is performed by calculating when both cycles produce the same net work output and then analyzing which one produces more net work output based on how the parameters are varied. In general, the results demonstrate that Stirling engines produce more net work output at higher pressures and lower volumes, and Ericsson engines produce more net work output at lower pressures and higher volumes. For certain scenarios threshold values are calculated to illustrate precisely when one cycle produces more net work output than the other. This thesis can be used to inform the design of the engines and particularly to determine when either a Stirling or Ericsson should be selected for a particular application.Stirling and Ericsson engines are external heat engines that offer the ability to use many different heat sources to provide reliable and sustainable power. In this thesis, we compare the Stirling and Ericsson cycles in order to determine in which situations one engine produces more net work output than the other. The net work output equations are derived and are analyzed for three different scenarios: (i) equal mass and temperature limits, (ii) equal mass and pressure or volume, and (iii) equal temperature and pressure or volume limits. The comparison is performed by calculating when both cycles produce the same net work output and then analyzing which one produces more net work output based on how the parameters are varied. In general, the results demonstrate that Stirling engines produce more net work output at higher pressures and lower volumes, and Ericsson engines produce more net work output at lower pressures and higher volumes. For certain scenarios threshold values are calculated to illustrate precisely when one cycle produces more net work output than the other. This thesis can be used to inform the design of the engines and particularly to determine when either a Stirling or Ericsson should be selected for a particular application.

Os motores Stirling e Ericsson são motores de calor externos que oferecem a capacidade de usar muitas fontes de calor diferentes para fornecer energia confiável e sustentável. Nesta tese, comparamos os ciclos Stirling e Ericsson para determinar em quais situações um motor produz mais trabalho do que o outro. As equações de trabalho são derivadas e são analisadas para três cenários diferentes: (i) limites de massa e temperatura iguais, (ii) massa e pressão ou volume iguais, e (iii) igual temperatura e pressão ou limites de volume. A comparação é realizada calculando quando ambos os ciclos produzem o mesmo trabalho e, em seguida, analisando em que situações um produz mais trabalho baseado em como os parâmetros são variados. Em geral, os resultados demonstram que os motores Stirling produzem mais trabalho com pressões mais altas e menores volumes, e os motores Ericsson produzem mais trabalho com pressões mais baixas e volumes maiores. Para certos cenários, os valores de limiar são calculados para ilustrar precisamente quando um ciclo produz mais trabalho do que o outro. Esta tese pode ser usada para informar o design dos motores e particularmente para determinar quando um Stirling ou Ericsson devem ser selecionados para uma aplicação específica.Os motores Stirling e Ericsson são motores de calor externos que oferecem a capacidade de usar muitas fontes de calor diferentes para fornecer energia confiável e sustentável. Nesta tese, comparamos os ciclos Stirling e Ericsson para determinar em quais situações um motor produz mais trabalho do que o outro. As equações de trabalho são derivadas e são analisadas para três cenários diferentes: (i) limites de massa e temperatura iguais, (ii) massa e pressão ou volume iguais, e (iii) igual temperatura e pressão ou limites de volume. A comparação é realizada calculando quando ambos os ciclos produzem o mesmo trabalho e, em seguida, analisando em que situações um produz mais trabalho baseado em como os parâmetros são variados. Em geral, os resultados demonstram que os motores Stirling produzem mais trabalho com pressões mais altas e menores volumes, e os motores Ericsson produzem mais trabalho com pressões mais baixas e volumes maiores. Para certos cenários, os valores de limiar são calculados para ilustrar precisamente quando um ciclo produz mais trabalho do que o outro. Esta tese pode ser usada para informar o design dos motores e particularmente para determinar quando um Stirling ou Ericsson devem ser selecionados para uma aplicação específica.