Závěrečná práce kursu U3V Fyzika přátelsky/Aplikované přírodní vědy STIRLINGŮV STROJ Závěrečná práce kursu U3V Fyzika přátelsky/Aplikované přírodní vědy 2015 - 2017 Alena Bílá, Přemysl Červenka, Karel Král, Miroslav Prágl

ÚVODEM Stirlingův stroj patří mezi tepelné motory. Tyto motory využívají přeměny tepelné energie na energii mechanickou. Podle místa vývinu tepla je můžeme rozdělit na dvě skupiny: Motory s vnitřním spalováním U těchto motorů probíhá spalování přímo v pracovním prostoru motoru. Patří sem např. spalovací motory, spalovací turbíny a raketové motory. Motory s vnějším spalováním U těchto motorů probíhá spalování mimo pracovní prostor motoru. Sem patří parní stroje, parní turbíny a Stirlingovy stroje.

NEJZNÁMĚJŠÍ TEPELNÉ STROJE - parní stroj - Stirlingův stroj - parní turbína - spalovací motor

Historie

VZNIK STIRLINGOVA MOTORU Stirlingův motor byl vynalezen a patentován Robertem Stir- lingem r. 1816. První stroj byl používán na čerpání vody v kamenolomu. Když bratři Stirlingové motor vylepšili a zvýšili jeho výkon, poháněl už od r. 1843 všechny stroje ve slévárně v Dundee ve Skotsku. 5

Obecně se předpokládá, že Robert Stirling byl při vynalézání stroje veden jednak snahou ušetřit palivo, ale především snahou vytvořit motor, který by byl bezpečnější než parní stroje. Kotle parních strojů používaných v té době totiž často vybuchovaly a zranily nebo zabily mnoho lidí. 6

Aby měl Stirlingův motor maximální výkon a účinnost, musí pracovat při vysoké teplotě. To znamenalo, že materiály používané v té době byly namáhány až za hranice jejich možností. To vedlo k nepřiměřeně častým poruchám (i když s daleko menšími následky než při výbuchu parních kotlů). Proto byly postupně nahrazovány parními stroji, které se již staly bezpečnější a účinější. 7

Ačkoli Stirlingův motor již nemohl soutěžit s parním strojem ve využití v průmyslu, přesto byly asi od r. 1860 vyráběny menší motory pro aplikace, kdy byl třeba zdroj malého nebo středního výkonu, např. čerpání vody nebo stlačování vzduchu pro varhany. Účinnost při těchto účelech nebyla rozhodujícím hlediskem, proto tyto motory pracovaly při nižší teplotě, a tedy nebyly náročné na materiály. Ale především, na rozdíl od parních strojů, nevyžadovaly žádnou kvalifikovanou obsluhu a mohly se snadno používat. 8

PŘÍKLADY FUNGUJÍCÍCH MOTORŮ

20. STOLETÍ Na začátku 20. století byly tyto menší Stirlingovy motory nahrazeny elektromory či spalovacími motory a byly téměř zapomenuty. Ve 30. létech firma Phillips hledala způsob, jak se svými přijímači proniknout i do těch zemí, kde nebyl zaveden elektrický proud a také dostupnost baterií byla nejistá. Bylo rozhodnuto vyrobit přenosný generátor proudu. Pro jeho pohon byl vybrán Stirlingův motor, zejména pro zvláště tichý chod, nízké rušení rádiových frekvencí a schopnost pracovat s různými zdroji tepla. (Preferován byl obyčejný olej do lamp, který byl levný a kdekoli dostupný.) 10

Generátory se začaly sériově vyrábět v r. 1951 Generátory se začaly sériově vyrábět v r. 1951. V té době už ale nastoupily tranzisto-rové přijímače, které měly minimální spotřebu energie, a tím zanikl původní důvod pro výrobu těchto generáto-rů. Přesto se vyráběly dál, i když pro jiné účely.

Souběžně s těmito generátory vyvinula fa Philips také experimentální Stirlingův motor pro mnoho různých účelů a ve vývoji pokračovala až do 70. let. Získala mnoho patentů a shromáždila mnoho poznatků, které byly základem mnoha vývojových prací. Jedním z nich je např. objev, že při mechanickém roztočení pracuje Stirlingův stroj jako tepelné čerpadlo a je možno jej využít k chlazení (bylo dosaženo pouhých 12°K (-231°C). Na základě tohoto poznatku fa vyvinula a úspěšně prodávala tzv. “reverzní Stirlingův stroj“ – kryogenický chladicí stroj.

Od 70. let dvacátého století dochází k renesanci myšlenky a dalšímu vývoji s přispěním moderních materiálů a technologií. Je použito zejména pracovních plynů s malými molekulami a tedy s nízkým vnitřním třením, např. vodíku nebo hélia, a stroje pracují za vysokých provozních tlaků (až 20 MPa) a teplot přes 1000°C, což vyžaduje speciální žáruvzdorné materiály válce. Za těchto podmínek Stirlingův stroj dosahuje až 5 000 ot/min při účinnosti více než 45% - největší ze všech tepelných strojů.

SOUČASNOST Pro vysokou provozní bezpečnost, spolehlivost, extrémně dlouhou životnost a nezávislost na způsobu ohřevu je s použitím Stirlingova stroje počítáno v kosmickém výzkumu (NASA uvažuje o využití Stirlingova motoru ohřívaného radioaktivním rozpadem pro generování elektrické energie na kosmických sondách, které budou zkoumat vnější oblasti sluneční soustavy), dále pak v kryogenní technice, kogeneraci elektrické energie při výrobě tepla, vážné pokusy jsou prováděny také v automobilní technice, stálý zájem má armáda.

BUDOUCNOST

NEJEN UŽITEČNÝ, ALE TAKÉ KRÁSNÝ Stirlingův motor v luxusním provedení jako dekorace do domácnosti aneb romantika století páry ve století jedenadvacátém

Popis a funkce

STIRLINGŮV STROJ Stirlingův motor je tepelný stroj pracující s cyklickým stlačováním a expanzí vzduchu nebo jiného pracovního plynu. Při tom převádí tepelnou energii na mechanickou práci. Jde o motor s uzavřeným oběhem, při němž se s okolím nevyměňuje pracovní plyn, ale jen tepelná energie. Tato výměna probíhá v tepelných výměnících ohřívače a chladiče. Tepelná energie v době mezi expanzí a kompresí pracovního plynu je uchovávána v regenerátoru, čímž se značně zvyšuje účinnost motoru.

SCHÉMA STIRLINGOVA STROJE

FYZIKÁLNÍ PRINCIP Ve Stirlingově motoru probíhá uzavřený tepelný oběh, který je složen ze čtyř dějů, při nichž se mění stavové veličiny pracovního plynu (viz p-V diagram): 1. izotermická expanze 2. izochorické ochlazení 3. izotermická komprese 4. izochorické ohřívání

PRACOVNÍ FÁZE STIRLINGOVA MOTORU 1) izotermická expanze 2) izochorické chlazení 3) izotermická komprese 4) izochorický ohřev

FÁZE 1 – IZOTERMICKÁ EXPANZE Expanzní prostor a připojený výměník tepla (ohřívač) je udržován na vysoké teplotě. Plyn přijímá energii z tepelného zdroje a rozpíná se, takže odtlačuje přeháněč a pohybuje klikovým mechanismem. Koná tak mechanickou práci zdvižením pracovního pístu.

FÁZE 2 – IZOCHORICKÉ CHLAZENÍ Klikový mechanismus odtlačuje píst přeháněče zpět do ohřívače. Přeháněč ke stěnám nedoléhá, a tak kolem něj pracovní plyn může proudit. Při obtékání mu předává teplo a ochlazuje se.

FÁZE 3 – IZOTERMICKÁ KOMPRESE Pracovní plyn je stlačován pracovním pístem, který je poháněn setrvačníkem. Ke stlačení je potřeba méně energie, protože tlak v ochlazeném plynu je nižší.

FÁZE 4 – IZOCHORICKÝ OHŘEV Pohybem přeháněče je pracovní plyn hnán zpátky do ohřívače. Při tomto pohybu plyn je ohříván teplem, které přeháněči odevzdal při pohybu opačným směrem.

ÚČINNOST STIRLINGOVA STROJE Teoretická účinnost Stirlingova cyklu je rovna teoretické účinnosti Carnotova cyklu, který určuje nejvyšší dosažitelnou účinnost jakéhokoli tepelného stroje. Ovšem účinnost skutečných strojů je nižší z mnoha důvodů. Především jde o ztráty při přenosu tepla přes stěny výměníků a tlakové ztráty při proudění pracovního plynu v potrubí. Kromě toho existují omezení daná konstrukčními materiály, např. druhem pracovního plynu, tepelnou vodivostí, pevností v tahu a ohybu a teplotou tání materiálu. Zacni zahrievat motor na chod bez zataze. 26

KONFIGURACE ALFA Existují dva hlavní typy Stirlingových strojů. Liší se způsobem, kterým přesunují pracovní plyn. Stroj s dvěma pracovními písty se nazývá alfa konfigurace. Má teplý a studený válec, každý se svým pístem. Pracovní plyn je přesouván z teplého válce do studeného a naopak.

KONFIGURACE BETA Stroj s přeháněčem se nazývá beta konfigurace. Používá oddělený mechanický přeháněč pro přesunování pracovního plynu z teplého prostoru do studeného a zpět. Konfigurace gama se od konfigurace beta liší pouze tím, že přeháněč je ve vlastním válci. V praxi se nepoužívá, ale je to nejběžnější konfigurace modelů.

VÝHODY STIRLINGOVA STROJE jednoduchá konstrukce - nemá žádné ventily, ohřívač může být primitivní, součásti nemusí být mazány olejem, není třeba doplňovat a hlídat množství pracovního média možnost použití libovolného zdroje neregulovaného tepla absence kotle - odpadá nebezpečí výbuchu a není třeba revizí zařízení ani zkoušek obsluhy, a také rozměry stroje jsou menší vyšší účinnost než soustava kotel - parní stroj (v 19. stol. typicky 7-10%)

rychlý start bez zdlouhavého předehřívání páry možnost práce i při malých teplotních rozdílech univerzálnost - táž konstrukce může sloužit v zimě pro výrobu elektřiny a tepla a v létě ke chlazení nízké mechanické opotřebení, vysoká provozní spolehlivost tichý provoz (používají je např. švédské a japonské ponorky) nízké výrobní náklady

NEVÝHODY STIRLINGOVA STROJE vyšší tepelné namáhání materiálu válce (hlavní limitující faktor) vyšší hmotnost samotného motoru srovnatelného výkonu obtížná regulace otáček resp. výkonu (motor nemá ovládací prvky)

LIDSKÉ TEPLO JAKO HNACÍ SÍLA Ruka podaná budoucnosti – stačí rozdíl 4°C (a 379 $) 

Měření na Stirlingově stroji

PRACOVNÍ ÚKOLY Spočítejte celkový výkon lihového vařiče. Změřte a zakreslete do grafu závislost elektrického výkonu Pe na počtu otáček N. Určete, při jakých otáčkách má stroj největší výkon. Alespoň pro tři body grafu zaznamenejte příslušný p-V diagram. Sestavte Stirlingův stroj jako chladničku a zaznamenejte p-V diagram ve chvíli, kdy delta T < 0

SCHÉMA ZAPOJENÍ Stirlingův stroj V R A

MĚŘENÍ VÝKONU LIHOVÉHO VAŘIČE Pro určení účinnosti stroje je třeba znát výkon lihového hořáku. Ten stanovíme výpočtem ze vzorce PL = H.(m1 – m2) / t, kde H = výhřevnost lihu, m1 = počáteční hmotnost lihu, m2 = koncová hmotnost lihu a t = doba hoření. m1 [g] m2 [g] t [s] H [J/g] PL [W] 134,7 120,48 3 327 28 865 123,37

KALIBRACE Kalibrace měřicí jednotky pVNT 1) teplota ΔT = 0 drátky pro měření ponořit do vody 2) objem V = Vmin pracovní píst do spodní úvrati Kalibrace osciloskopu Osa x napětí ≈ objem ΔV/ΔU = 2,439 cm3 / V Osa y napětí ≈ tlak Δp/ΔU = 334 hPa / V

ELEKTRICKÝ VÝKON Změnou odporu jsme měnili počet otáček Stirlingova stroje. Ze změřeného proudu a napětí jsme vypočetli elektrický výkon. Graf zobrazuje závislost elektrického výkonu na počtu otáček. Maximální výkon byl dosažen při cca 400 ot/min. Pro hodnoty odporu 2 MΩ, 3 MΩ a 10 kΩ jsme zaznamenali p-V diagramy.

p-V diagram 1 R = 2 MΩ

p-V diagram 2 R = 3 MΩ

p-V diagram 3 R = 10 kΩ

CHLADNIČKA Pokud do Stirlingova stroje dodáváme elektrickou energii, začne se chovat jako chladnička. Koncová část se začne ochlazovat a odebírá teplo z okolí. Výsledný p-V diagram by měl mít tvar osmičky. Diagram, který jsme získali, tomuto předpokladu neodpovídá. Pravděpodobnou příčinou je, že dochází k druhotnému zahřívání, patrně třením pístu.

A TO JE PRO DNEŠEK VŠECHNO Už zbývá jen jediné...

Půjdem spolu do Betléma...