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: p V = N k T 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) Zacni zahrievat motor na chod bez zataze.

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 Demonstrovat chod motora a PV diagram

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