Transcript Stirlinguv motor. - U3V na FJFI CVUT

Termodynamika Stirlingova
cyklu
Přednáška pro U3V
Obsah přednášky
•
•
•
•
Entropie, termodynamika a tepelné stroje
Strilingův cyklus a motor
Demonstrace
Historie, výhody a nedostatky Stirlingova
cyklu
Obecní princip fungování Vesmíru
• Entropie uzavřeného systému může jenom
narůstat:
dS ≥ 0
• Důsledky – termodynamické zákony,
časová šipka, neexistence perpetta
mobile, samovolné proudění tepla jenom z
teplejší lázně do chladnější, chladná
(entropická) „smrt“ Vesmíru, …
Snižování entropie v otevřeném
systému
• Obzvlášť u živých
bytostí
• Přijetím živin získají
chemický potenciál
• Ten se spotřebuje na
udržování „známek
života“, které sami o
sobě jsou v rozporu s
přirozenou tendencí
vesmíru
Tepelný stroj/cyklus
• Zařízení, které se „připojí“
na tok tepla, tj. na
probíhající nárůst
entropie
• Část protékající energie
se sklidí v podobě
mechanické práce
• Tu možno proměnit na
jiné formy energie a
použít na lokální snížení
entropie tam, kde
uznáme za vhodné
Konkrétní aplikace tep. cyklů
Fyzikální princip tep. stroje
• 1. princip termodynamiky:
dU = T dS – p dV
• Změna vnitřních energií lázní se děje tou částí
protékající entropie, která se neodebere strojem
• Tep. stroje pracují běžně v cyklech. Celková
práce je pak dána celým cyklem:
W = ∫ p(V) dV
• Abychom mohli spočíst práci stroje, musíme ale
znát závislost tlaku na objemu
Fyzikální princip tep. stroje
• Díky pánu Clausiovi a Kronigovi víme:
pV=NkT
• Tep. cykly jsou většinou tvořeny 4 ději. Pro
Stirlingův cyklus máme:
• Práce 1 cyklu se rovná
ploše (integrálu) tyhle
křivky
Stirlingův cyklus – 1
• Teplo proudí z
ohřívače do
pracovního plynu
• Místo ohřátí se plyn
rozepne a vykoná
práci (zvedne píst)
• Stroj odebírá práci z
ohřívače
• Kdybychom měli stroj
na jedno použití, tohle
by stačilo
Stirlingův cyklus – 2
• Jelikož druhý píst ke
stěnám nedoléhá,
jeho pohybem se
objem prac. plynu
nemění
• Jak plyn proudí kolem
něj, předává mu svoje
teplo a ochlazuje se
Stirlingův cyklus – 3
• Ochlazený plyn má
menší objem a tak
začne táhnout píst do
počáteční polohy
• Při tom se musí
chladičem odebírat
teplo
• Stroj tedy
spotřebovává práci z
chladiče, aby se
dostal do původního
stavu
Stirlingův cyklus – 4
• Pohybem
nedoléhajícího pístu
se plyn žene zpátky
do ohřívače
• Při tom se mu vrací
teplo, které pístu
propůjčil při pohybu
opačným směrem
Stirlingův cyklus
• Celková práce stroje je tedy rozdíl
tepla/práce odebrané z ohřívače a
předané chladiči aby se stroj vrátil do
původního stavu
• Tj. integrál PV křivky
• Při prvním entropie roste a jedná se o
samovolný děj, u druhého entropie stroje
klesá a proto musí růst někde jinde (konat
se práce)
Stirlingův cyklus
• Účinnost stroje =
podíl celkové práce
stroje ke všemu teplu
dodanému ohřívačem
• Dosazením rovnice
ideálního plynu a
integrací se získá:
η = 1 – Tc/Th
• Chceme-li zvyšovat
účinnost, musíme
zvýšit teplotní rozdíl,
tj. tok entropie strojem
Demonstrace
•
•
•
•
Chod Strilingova motoru
Změna otáček se změnami teplot
PV diagram a jeho diskuze
Přidaní zátěže a přeměna mech. práce na
jiné formy energie – minielektrárna
• Deformace PV křivky vlivem zátěže
• Reverzibilita chodu samovolných
termodynamických dějů přes růst entropie
na jiném místě – chladnička
Vznik Stirlingova motoru
• Patent Roberta
Stirlinga z roku 1816
• Zpočátku používán
na čerpání vody v
kamenolomu
• Po tom co bratří Stirlingové zvýšili jeho výkon,
už od r. 1843 poháněl všechny stroje v
Dundeenské huti (jižní Skotsko)
• Souběžně s ním se vyvíjel i parní stroj, jako další
z řady motorů s vnějším spalováním
Stroj Stirlingův a parní
• Zpočátku Stirling nabízel palivově
výhodnější a bezpečnější alternativu k
parním strojům
• Ty totiž neměli velkou účinnost cyklu a
jejich bojlery měli tendenci k explozím
Stroj Stirlingův a parní
• Stirlingův stroj také nebyl bez nehod (i
když při nich nikdo neumíral)
• Aby se zajistila jeho účinnost, musel se
pracovní plyn zahřívat na takové teploty
na jaké to tehdejší materiály dovolovali
• To mělo za následek velké náklady na
konstrukci ohřívače a jeho rychlé
opotřebení
Stroj Stirlingův a parní
• Postupným zvyšováním své účinnosti a
bezpečnosti nakonec parní stroj vytlačil
své konkurenty ze scény
• „19. století je stoletím páry“ – převzato z
filmu Marečku, podejte mi pero
• Stirling – čerpání vody a hnání vzduchu do
varhan
Moderní a kompaktní Stirling
meziválečné doby
• 30. léta 20. století – firma Phillips chtěla
rozšířit svou nabídku rádií i do zemí kde
bylo slabé pokrytí el. sítí a nedostatek
baterií
• Za použití tehdejších technologií vyvinuli
kompaktní Stirlingův motor poháněn
lampovým olejem na velký výkon
Moderní a kompaktní Stirling
meziválečné doby
• R. 1951 byl už nový
model vyráběn
• Objev tranzistoru,
značně snížil
energetickou
spotřebu rádií
• Od projektu se
nakonec upustilo a
Phillips prodávali
Stirlinga v 70. letech
jako kryochladič
Moderní doba tep. strojů
• Dopravě a běžným potřebám generace
malého výkonu dnes dominují motory s
vnitřním spalováním
• Na parním stroji je postavena celá
energetika lidstva
• Stirlingův stroj mj. prožívá renesanci –
důvod plyne z jeho specifických vlastností
které vyhovují naší značně specifické
době
Výhody Stirlingova motoru
• Jako palivo se může použít jakýkoliv zdroj
tepla libovolného charakteru
• Konstrukce nevyžaduje žádné ventily,
ohřívač může být primitivní a součásti
nepotřebují mazat olejem
- staví si je spousta
domácích kutilů po celém
světě
Výhody Stirlingova motoru
• Ze všech existujících motorů jsou snad
nejbezpečnější
• Možno je postavit aby měli tichý chod a
běželi bez přísunu vzduchu – ve
Švédských a Japonských ponorkách se
místo jad. reaktoru
používá Strilingův
motor
Výhody Stirlingova motoru
• Chladné prostředí jim prospívá (na rozdíl
od motorů s vnitřním spalováním) – použití
v astronautice
• Reverzibilní – ta samá konstrukce se
může použít i jako tepelné čerpadlo – v
zimě se používají na generaci energie, v
létě na chlazení
• Mohou běžet i na malých teplotních
rozdílech
Nedostatky Stirlingova motoru
• Ohřívač je nejvíce namáhanou součástí a
ohříván až po metalurgický limit. Stejně chladič
bývá značně rozměrný
• Vnitřní spalovací motory jsou impulzní z hlediska
teplot a tedy mohou pracovat s většími
teplotními rozdíly
• Mají tendenci mít konstantní výkon (nebo
přinejmenším velkou setrvačnost)
• Do automobilů tedy ne, ale když cena/kWh je
důležitější než cena/kW tak jsou jasná volba
Shrnutí
• Ve Vesmíru děje probíhají samovolně
pouze když při tom roste entropie
• Tepelný stroj – zařízení které propojí místo
velkého růstu entropie s jiným místem tak,
aby v něm mohl nastat lokální pokles
entropie (v náš prospěch)
• Účinnost je tím větší, čím je větší teplotní
rozdíl lázní
Shrnutí
• Demonstrovali jsme si dnešní aplikace tep.
strojů – otáčení kola, elektrárna a lednička
• Historie Stirlingova motoru od století páry
až po dnešní dobu
• Specifika Stirlinga – jednoduchost,
konstantní výkon, flexibilita, nízká
náročnost na palivo ale i nízká hustota
výkonu