Termodynamika Stirlingova cyklu

1. Termodynamika Stirlingova cyklu Přednáška pro U3V

2. Obsah přednášky • Entropie, termodynamika a tepelné stroje • Strilingův cyklus a motor • Demonstrace • Historie, výhody a nedostatky Stirlingova cyklu

3. 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, …

4. 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

5. 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 Tepelný stroj/cyklus

6. Konkrétní aplikace tep. cyklů

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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)

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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