Stirlingův stroj

Pokus číslo: 1875

  • Cíl pokusu

    Ukážeme fungování Stirlingova stroje jak v konfiguraci tepelného motoru, tak v konfiguraci tepelného čerpadla (chladicího stroje).

  • Teorie

    Stirlingův stroj patří do rodiny cyklických tepelných strojů, které pracují se stálou pracovní látkou. V době svého vzniku v roce 1816 byl jedním z přímých konkurentů parního stroje, který převyšoval zejména poměrně vysokou účinností a tichým chodem. Účinnost dnešních modelů může dosahovat až úctyhodných 40 % a časté využití nacházejí při pohonu nízkovýkonových zařízení.

    Dvě základní konstrukční varianty stroje nesou označení alfa a beta.

    • Alfa Stirling se skládá ze dvou oddělených válců (studeného a teplého), přičemž v každém je umístěn pracovní píst, který roztáčí setrvačník. Pracuje-li stroj jako motor, je teplý válec umístěn ve vysoké teplotě ohřívače a studený válec v nízké teplotě chladiče. Animace popisující fungování tohoto modelu je dostupná například na Wikipedii.

    • Beta Stirling je tvořen jediným válcem a pracuje-li jako tepelný motor, je tento válec na jednom konci zahříván a na druhém chlazen (např. okolním vzduchem). V jediném válci beta modelu je kromě pracovního pístu, který roztáčí setrvačník, umístěn ještě tzv. přehaněč – píst, který těsně nedoléhá ke stěnám válce a jeho úkolem je přemisťovat pracovní látku z teplého konce válce do studeného a naopak. Protože model beta využijeme ve vzorovém experimentu, je níže přiložen obr. 1, který ukazuje jeho vzhled; po kliknutí se spustí animace chodu stroje (zdroj: Wikipedie).

    Obr. 1: Fungování beta Stirlingu

    Existuje také konstrukční verze gama, tou se zde již podrobně zabývat nebudeme. Obecně se Stirlingovým strojům věnuje poměrně mnoho publikační pozornosti, doporučit lze například přehledovou bakalářskou práci Milana Omasty Mechanismus Stirlingova motoru dokončenou v r. 2007 na VUT v Brně či obsáhlou disertační práci Jana Macháčka Stirlingův termodynamický cyklus publikovanou v r. 2009 tamtéž.

    Jako motor tedy Stirlingův stroj přeměňuje tepelnou energii na energii mechanickou. Stejně tak jej ale můžeme využít jako tepelné čerpadlo (chladicí stroj), které naopak mechanickou energii přeměňuje na energii tepelnou. Pokud chod motoru obrátíme, tj. budeme jej roztáčet dodáváním mechanické energie, vznikne mezi konci válce teplotní rozdíl, aniž bychom konce jinak zahřívali či chladili – jeden konec svoji teplotu zvýší, druhý sníží.

  • Pomůcky

    Stirlingův stroj (ve vzorovém experimentu typu beta); plynový hořák nebo kahan; zápalky; elektromotor, který je Stirlingův stroj roztáčen při demonstraci tepelného čerpadla; termovizní kamera.

  • Postup

    První část experimentu: Stirlingův stroj jako tepelný motor

    1. Upevníme Stirlingův stroj do nosné konstrukce a pod kovový vývod válce umístíme plynový hořák.

    2. Hořák zapálíme (obr. 2) a necháme kov přibližně 10 sekund prohřívat (vhodný čas samozřejmě závisí na konkrétním požívaném modelu stroje).

    3. Pokud se motor sám neroztočí, sami udáme počáteční impuls tím, že setrvačníkem motoru pootočíme rukou.

    4. Pozorujeme pracující motor a změnou intenzity plamenu zkoušíme regulovat jeho otáčky.

    Obr. 2: Uchycení Stirlingova stroje typu beta nad plamenem plynového hořáku

    Druhá část experimentu: Stirlingův stroj jako tepelné čerpadlo

    1. Stirlingův stroj připojíme řemenem k elektromotoru, který jej bude roztáčet (obr. 3).

    2. Spustíme elektromotor a jeho prostřednictvím roztočíme setrvačník Stirlingova stroje.

    3. Kovový vývod pracovního válce stroje (na obr. 3 zcela vlevo) pozorujeme termovizní kamerou.

    Obr. 3: Spojení Stirlingova stroje typu beta s elektromotorem, který jej bude roztáčet
  • Vzorový výsledek

    První část experimentu: Stirlingův stroj jako tepelný motor

    Funkci Stirlingova stroje jako tepelného motoru ukazuje video č. 1.:

    Video č. 1:

    Druhá část experimentu: Stirlingův stroj jako tepelné čerpadlo

    Na videu č. 2 je znázorněna funkce Stirlingova stroje coby tepelného čerpadla. Sekvence nabízí celkový pohled na uspořádání experimentu a následně ukazuje kovový vývod válce snímaný jak ve viditelném oboru (vlevo), tak v oboru infračerveném (vpravo). Je patrné, že po roztočení setrvačníku stroje připojeným elektromotorem se začne kovový vývod válce zahřívat. Naopak, na opačném konci válce (chladiči) lze pozorovat postupný pokles teploty (tento efekt video nezachycuje).

    Video č. 2:

  • Technické poznámky

    • Stirlingův stroj se někdy prodává primárně jako vzdělávací hračka či dárkový předmět, který ale může posloužit ve výuce minimálně při první části experimentu.

    • Bezpečnostní upozornění: Během první části experimentu dbejte zásad bezpečné práce s plynovým hořákem.

  • Metodické poznámky

    • Pochopitelně je možné předvést pouze první část experimentu, tedy fungování Stirlingova stroje jako tepelného motoru; tím se při experimentování výrazně sníží naše nároky na pomůcky, protože se obejdeme bez elektromotoru a termovizní kamery.

    • Každoročně probíhá v ČR soutěž v konstrukci Stirlingových motorů, kterou pořádá SPŠS Betlémská v Praze, což může být zajímavá informace zejména pro technicky orientované a manuálně zdatné studenty.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od střední školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Pokus je zachycen na videu
Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na
středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální
fakulta UK, Praha.
×Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha.