Upload
alia
View
50
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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: - PowerPoint PPT Presentation
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)
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