i i “4-1-Jerman” — 2010/4/28 — 16:26 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 4 (1976/1977) Številka 1 Strani 17–23 Riko Jerman: STROJI NA VROČI ZRAK Ključne besede: fizika. Elektronska verzija: http://www.presek.si/4/4-1-Jerman.pdf c© 1976 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2010 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno. FIZIKA STROJI NA VRO č ZRAK \el Najbolj vsakdanji toplotni s t ro j i so stroji na notranje iz- gorevanje, kakr šna s t a bencin s ki in diz elski st roj. Ta stroja sta zelo hrupna in one sn ažujeta zr ak. Zato si v zadnjem ča su prizadev ajo, da bi izdel ali t op lo tne stroje, ki ne bi bili pre- več hrupni in ne bi v toli kšni mer i one s naževali zraka . O naj- bolj obetavnih strojih - s t ro j ih na v ro č zrak ali St i r l i n go v i h stro j i h - pripoveduje sestavek. Najprej si bežno oglejmo del fizike, ki po j a-snj u j e delovanje toplotnih strojev . Po e nergi j s kem z a k o nu v obliki, ki jo navad- no uporabimo v te rmo d i nami ki , po ve čam o opaz ovanemu telesu not r a - njo energijo, če mu dovedemo t opl oto al i delo . Notranja energija je tisti del energije telesa, ki ga določa stanje telesa - tlak, temperatura, prostornina, kemijski sestav. Zakon dopušča, da 0- pazovano telo odda delo ali toploto in s e mu pri tem zmanjša no- tranja energija. To vključu je na primer tudi možnost, da bi se kame n dvignil zaradi t oplote, ki smo mu j o dovedli. Dobro vemo, da ta kšni in podobni pojavi nis o možni. Velja namreč še entro - pijski z akon , ki pravi, da l ah ko le del dovedene toplote spreme- nimo v delo, drugi del pa moramo v obli ki toplote odvesti. Zato moramo telesu - delo v ni snovi - dovajat i toploto pri višji tem- peraturi in jo odvajati pri nižji temperaturi, če že l imo od nje- ga dobivati delo. Razliko med dovedeno i n odvedeno toploto stroj odda v obliki dela. Pomemben podate k o toplotnem stroju je i z - kori stek , to je delež toplote, ki j o stroj odda kot delo: izkori stek = (dovedena toplota - odvedena t opl , ) /dovedena toplo = oprav ljeno delo / dovedena toplota Preden op išemo delovanje stroja na vroč zrak, pog lejmo bežno njegovo zgodov ino. Prvi brezhibno delujoči stroj je že 1807 preizkušal George Cayley . 1816 pa je Robert Stirling (duhovni k 17 pri Church of Scotland) patentira l prvi stroj na vroč zra k. Z njegov im strojem s o črpa li vodo iz nekega kamnoloma. Moč s t r oj a je z doda ja njem gor iva nadzira l kurjač . V naslednji h l e ti h je šve dski i zumit e l j John Er i c s on v Anglij i izpopolnjeval malo dru- gačen stroj na v r o č zrak . V njegovem stroj u so preta kanje plina krmilili venti li, zato je l a hko dosegel veli ke m o č i . Stir lingov i stroj i so i mel i l e nekaj konj sk i h moči, Eri cson ov stroj iz 1853 . 1 . pa je pr i de vetih obrati h v minuti delal s 300 konjs ki mi m o č­ mi . Sesta vlja li so ga š t i r j e va lji , bati so imeli pr eme r 4, 2 m in gib 1,5 m. Vgradili so ga v l a dj o "The Erics on ", ki s e je po- topi l a v vi ha r j u pred l u ko New York . Od sre de devetnajs tega sto letja so parne stroj e in s t r oj e na vroč zrak zače li us peš no n a d o m e š č ati stroj i z notranj im izgore- va njem. 1914 so v Angliji napravi l i zadnj i i ndus t ri j s ki stroj na vroč zrak . Zanimanj e za te s tro je j e upadlo, čeprav so bil i bolj va rni kot pa r n i s tro ji i n s troji na not r a nj e izgore vanje. Teh so s e l judje s pr va ze lo bali, sa j j e parn i m strojem dosti kr at r az - nes lo kote l, st r oj em na not r a nj e izg or ev a nj e pa se j e v e čkra t vžga lo l a hko vne t lj i vo gori vo. Ve ndar za nes ljivo s t i n var nost s t r oj a na vr o č zrak nista odtehta l i njegove glavne poma nj k1ji vo- "--_o- d ) c ( o b ) a 51. l Potek krožn e spremembe pr i s troju na \ Č z r ak , (a,b) . og r evanj e zraka; (e,d ) - oh la janje z raka . 18 sti - premaj hne spec ifičn e moči , ka kor imenuj emo na 1 kp teže stroja preračunano mo č. S St i r l i ngovi m strojem so se z a če l i ponovno ukvarjati šele 1930 v raziskovalnih ust anovah dr už be Phi l i ps . Potrebovali so zan esljiv in tih stroj za pogon pr enos nih ele ktr ičnih generator - j ev z močj o 200 W, ki bi nap aj a l i e l ek t ron sk e ap arate . Odločili so se za stroj na v r oč zr ak i n ga z a č e li i zpo polnj evati. Do 1948 so napravili ne kaj sto ta kih napr av in ji h poslali š ol am kot uč­ ni pr ipomo ček . Ze med iz popoln j evanjem s troja j e namreč potreba po generatorjih odpadla zarad i i zp opol nitve galvanskih elementov in predvsem z odkritjem tranzi storja. Klj ub temu je dotedanji razvoj opozoril na ze l o dob re la s tn os t i strojev na ~roč zr a k. Sl . 1 na zorno poj asni pr in c ip del ovanja . Med vrhom valja in batom je zap rt z r ak . Ko zrak ogrevamo (a ,b) , se plin razpenja, odr i va ba t in pri tem opravlja delo . Na to ohlajamo zrak (c ,d), ki se za čne kr č i t i in t ak o ne ovira bata na poti v najvi šjo le- go . Vidimo , da st roj na vr oč zrak delu j e podobno kot stroj na notranje izgoreva nje, le da pr i prvem odvzemamo in dovajamo to- plote s kozi stene valja in je de l ovni pli n vedno isti . če si že- limo m o čan stroj , se mor a krož na sprememba hitro ponavlj ati . V naš em pr i mer u bi mor al i hit ro ogr eva t i i n ohlajati plin i n seve- da še valj, v katerem je pl in. Valj mnogo počasneje sledi sp re- membam temperature kot plin , ki je v njem zaprt . To precej pove- ča čas, v katerem se krožna sprememba ponovi . Da ni treb a izme- noma ogrevati in hladit i s te n valja , na pravimo raje del valja vroč in drugi del hlade n. Med obema de l oma valja premikamo pl i n z dodatnim izmenjal nim batom (sl. 2). Tega se je prvi domislil Robert Stirling. Najprej premesti (a ) i zm en j al ni ba t (1) plin iz hladnega de- la valja (HO) pre ko hladilnik a (H), regeneratorja (R) in grelca (G) v vroči del (VO) valja . Nato s e (med b in c) vroč zra k raz- pne in opravi delo na delovnem ba tu (B) . Izmenjalni bat premesti plin v hladni del valja . Pr i t em gre pl in s kozi grelec v regene- rator. V r egene r a t or j u odda nek aj to plote, prede n se v hladilni- ku dokončno ohladi in vstopi v hla dni de l valja . Pri ohlajanju se tlak plina zmanj ša in delovn i bat ga stisne (a) . Tako opisana krožna sprememba poteka mnogo hi tr eje kot prvotna (sl. 1) . Zdaj omejuje hitrost krožne spremem be upor pr i pretakanju plina skozi grelec , regenerator in hladil ni k. 19 a b c d Sl . 2 Po tek krož ne spremembe v St i r l i ngovem stroj u. I - iz- menja l ni bat; B - del ovni bat ; VD - v roč i de l val j a; HD - hladni del valja ; G - gre lec; R - reg enerato r; H - hl adi Ini k. Sl. 3 St roj z dvojnim de lovanj em. Vsak del ovni bat (na prim e r bat 2) opravlja hkrat i na logo i zmenj a l - nega bata so sednj ega va lj a (valj a A) . Ostal e oz nake kot na s l. 2 . Pol eg hitrega teka je za veliko mo č potreben velik t lak de- l ovne ga plina. To je tež ko dos e či, ke r pl in uha ja med bat om in s te nami valj a . Pri Philip su s o se tej te žavi de l no izog nil i z novi m izumom - s stro jem z dvojnim delovanjem . Novi stroj s esta - vl j a j o š t i r j e bati i n št irje med s e boj po veza ni val j i (s l. 3) . Vsak delovni bat oprav lja hkr ati nal ogo i zmen j a l nega bata so ~e d ­ njega valj a . Predsta vo o del ovanju da s l: 3 , če s i mislimo , da se na ri s a na s i nus na kr i vulja p očas i pr emi ka v smer i p uščice . O- pa z i mo , da giba nje dve h sose dnj i h ba to v zdaj us t re z a giba nj u ba- ta i n izmenj a ln ega ba t a pr ej (sl. 2). Nov i stroji so bi l i l ah ki in maj hni . Vendar je plin tudi pri njih hitr o uha j al, s aj je bi l tlak plina od 50 do 200 kp/c m2 . Te s nil a ( TE) pri to likšn i t la č ni r a z l ik i ni s o bila za nes lj i va . Zar adi tega so s e pri Phil ip su vrnili k s t r oj em z e nim val j em i n z dv oj i co domi s e l nih re šit ev ugnali t e žave s tesn je njem . Bata so poveza l i z r ombskim prenosom (1953 ) . Ko vinske pal i ce, ki po vezu - jejo bata z zobn ikoma, s estavlj ajo romb (s lo 5) . Dvoje di ametral- nih og l išč (1 , 3 ) j e pr itrje ni h e ks ce n trič n o na zobn i ka , ki ima t a obenem vl ogo vz tr ajni kov. Drug i par ( 2 , 4 ) pa se stavl j a dvo j e p r i t r d išč za r o či c o ba ta in r oč i c o i zme nj al nega ba t a . Z do lžin o p rečk je mogoče uravnav a ti ni hanj e bat a g l ed e na drugi bat in gi b ba to v . Med vrte nj em se s pre mi nj a kot med pa l ica mi t ak o, da se ro č ic i bat ov gib l je ta pr emo . 20 B SI.4 Sodoben dvojno de lujoč Stir- 1ingov stroj. S - valujoča plošča; O - enakomerno vrteča se os; B - vložki na ročici ba ta, ki polze po valujoči plošči. Gretje de lovnega plina je posredno. V pro- storu -H- pri vrhu izpareva na trij in se kondenzira na cevkah, ki se- stavljajo grelec. Tekoči natrij se nato dviga po kapilarni snovi (čr­ tkano označena) i n ponovno izpari na va loviti og revani površi ni. nilo uporabljajo sloviti Phi- lipsovi hladilni stroji, ki izkoriščajo obratno Stir lin- govo krožno spremembo. Omenjeni rešitvi sta obu- dili zanimanje za dvojno de- lujoče stroje. V modernem stroju te vrste (sl. 4) se premo gibanje batov preko va- lujoče plošče prenaša na ena- komerno vrtečo se os. Stirje bati polzijo po plošči v toč ~ kah, ki so razmaknjene za če­ trtino oboda (valji so razpo - rejeni kot oglišča kvadrata) . Tako se bati g ibljejo prav tako kot pri prvih dvojno de- lujočih strojih (s1. 3) . Od naklona plošče je odvisen gib bata, ki določa navor in moč stroja. Pri strojih, ki jih sedaj šele preizkušajo, je možno hidravlično nastaviti naklon valujoče plošče in 90- Prostor s plinom so še zaprli s tesn ilom, ki se gib lje kot dokolenka med slačenjem in oblačenjem (1960) (s1. .6 ) . Sama gumi- jasta nogavica ne bi prene sla velikih tlačnih razlik. Zato je v prostoru pod njo olje pri malo manjšem tlaku tako, da je nogavica vedno napeta . Obe rešitvi sta se v praksi dobro obnesli . Omejitev je še vedno gumijasta nogavica, ki prenese okoli dve milijardi pregibov. Zamenjati jo je treba po enem letu delovanja stroja z 1500 obrati v minu- ti. To domala hermetično tes- 21 Sl. 5 Rombski prenos. P - palice, ki povezujejo bata z zobniko- ma; Z - zobnik; K - protiutež; 1,3 - pritrdišči na zobnikih; 2 - pritrdišče na ročici de lovnega ba- ta; 4 - pritrdišče na ročici izme- njalnega bata . Sl. 6 Tesnilo z gumijasto nogavico. N - gumijasta nogavica; P - prostor z delovnim pI inom; O - olje; R - vent il. ki uravnava tlak olja. seči izbrani navor. Dodatna naprava bo pos krbela, da bo produkt kotne hitrosti in navora konstanten. Ta kšen stroj bo pri različnih kotnih hitrostih obratoval s stalno močjo. Avtomobili s tem motorjem ne bodo potrebovali menjalni ka . Za konec si oglejmo še nekaj uporab Stirlingovega stroja. Pri Philipsu so napravili nekaj strojev (s1. 4) z močjo 150 kW in e- nega vgradili v avtomobil. Z isto količino goriva je avtomobil prevozill,35-krat tolikšno pot kot tekmec s klasičnim motorjem. Ceprav Stirlingov stroj v mnogočem ne zaostaja za stroji z not- ranjim izgorevanjem, omejuje njegovo širšo uporabo visoka cena. Manjše stroje z enim valjem uporabljajo zaradi velike zaneslji- vosti pri izotopskih električnih generatorjih na osamljenih sve- tilnikih in odročnih merilnih postajah . Potrebno toploto za po- ganjanje stroja daje radioaktivni razpad kobalta 60. Ena polni- tev zadostuje za približno triletno obratovanje. 22 Y . Baale z univerze v a h i u 9a napravfl nenavadsln S t i r l i n g o v stroj n pruetim ba*om (1853). Terak bat I n iztuenjalni b a t s t a neprodwSno zapr ta f a prosto g l b l j i v a v valju. Ko valj na enem koneu grejemo, na drugem pa hladiao, se taEne t r e s t f v vzdoISnf smert r 10 do 20 n iha91 v sekundl. TabPen straj z rad iaakt ivn3a jzvfrorn toplote bo morda Te kmalu paganjal srEno Erpalko, k i bo nadome5Eala Elovefko srcc. t e psed S t l r l m i let1 so napravili us- pegen poskus na E i v a l f . f a Cloveka j e naprava 3e neprimerna, ker bi b i l o traba prepagostokrat ~amendst i rabfoaktivnf I z v i r .