Sbírka fyzikálních pokusů

Stirlingův stroj (varianta beta)

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, existuje také varianta gama.

  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). Ve válci 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. Po kliknutí na obr. 1 se spustí animace chodu stroje (zdroj: Wikipedie).

  

  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 variantě 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.

  

  Druhá část experimentu: Stirlingův stroj jako tepelné čerpadlo

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

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

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

  

• 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:

• Bezpečnostní upozornění

  Během první části experimentu dbejte zásad bezpečné práce s plynovým hořákem.

• Metodická poznámka

  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.

• Další zdroje

  Obecně se Stirlingovým strojům věnuje poměrně mnoho publikační pozornosti, doporučit lze například disertační práci Jana Macháčka Stirlingův termodynamický cyklus publikovanou v r. 2009 na VUT v Brně.