Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 17. Деякі види теплових двигунів
Історія промислового застосування теплових двигунів починається з парової машини, яку створив англійський учений Джеймс Ватт у 1768 р. (рис. 17.1). Протягом декількох років Ватт удосконалював її конструкцію. Від 1776 р. машини Ватта почали широко застосовувати в шахтах і на металургійних заводах Англії. У XX ст. на зміну першим паровим машинам прийшли сучасні двигуни внутрішнього згоряння, парові й газові турбіни, реактивні двигуни. Із цього параграфа ви дізнаєтесь, як працюють деякі з них.
1. Вивчаємо будову та принцип дії парової турбіни
Парова турбіна (від латин. turbo — вихор, швидке обертання) — один із прикладів парових теплових двигунів.
У парових двигунах енергія, яка виділяється під час згоряння палива, йде на утворення водяної пари та її нагрівання, а вже потім нагріта пара, розширюючись, виконує механічну роботу.
Отже, робочим тілом парової турбіни є пара, яка утворюється з води й у спеціальних парових котлах нагрівається до температури близько 600 °С. Із котла пара під високим тиском надходить до турбіни.
Що, на вашу думку, слугує холодильником під час роботи турбіни?
Розглянемо принцип дії найпростішої парової турбіни (рис. 17.2). Струмені пари, вихоплюючись через сопла (1), спрямовуються на лопаті (2), закріплені на диску (3). Диск, у свою чергу, нерухомо закріплений на валу (4) турбіни. Під дією пари диск турбіни, а отже, і вал обертаються, тобто пара виконує роботу (рис. 17.3).
Парові турбіни широко використовують на електростанціях, де механічна енергія обертання турбіни перетворюється на електричну. На транспорті парові турбіни не набули широкого застосування в основному через великі габарити.
Рис. 17.1. Парова машина Ватта
Рис. 17.2. Схема будови найпростішої парової турбіни: 1 — сопла; 2 — лопаті; 3 — диск; 4 — вал.
Стрілками позначено напрямок руху пари
Рис. 17.3. У сучасних турбінах для максимального використання енергії пари застосовують кілька дисків з лопатями, які насаджено на один спільний вал
2. Знайомимося з будовою двигуна внутрішнього згоряння
Одним із найпоширеніших видів теплових двигунів, що використовують у транспортних засобах, є двигун внутрішнього згоряння, який сконструював німецький винахідник Ніколаус Отто (рис. 17.4).
У процесі роботи двигуна внутрішнього згоряння паливо згоряє безпосередньо всередині його циліндрів, звідси й походження назви двигуна. Двигуни внутрішнього згоряння працюють на рідкому паливі або газі.
Рис. 17.4. Ніколаус Август Отто (1832-1891), німецький конструктор і підприємець, винахідник чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з електричним запалюванням
Рис. 17.5. Схема будови найпростішого двигуна внутрішнього згоряння: 1 — циліндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — колінчастий вал; 5 — клапани; б — запальна свічка. Стрілкою позначено напрямок обертання колінчастого вала
Двигун внутрішнього згоряння (рис. 17.5) складається із циліндра (1), в якому пересувається поршень (2). Усередині поршня шарнірно закріплений шатун (3). Шатун, у свою чергу, з’єднаний із колінчастим валом (4), обертання якого забезпечує обертання тягових коліс транспортного засобу.
У верхній частині циліндра є два канали, закриті клапанами (5). Через впускний клапан пальна суміш (суміш повітря з бензином або газом) надходить до циліндра; через випускний клапан викидаються відпрацьовані гази. У деяких двигунів у верхній частині циліндра розміщено також запальну свічку (6) — пристрій для запалювання пальної суміші за допомогою електричної іскри.
3. Розглядаємо роботу чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння
Робочий цикл чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з електричним запалюванням складається відповідно із чотирьох тактів (рис. 17.6).
Рис. 17.6. Робота чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння: а — усмоктування; б — стиснення; в — робочий хід; г — випускання
I такт — усмоктування (рис. 17.6, а). Поршень рухається вниз, у циліндрі падає тиск. У цей час відкривається впускний клапан і пальна суміш усмоктується в циліндр. Наприкінці І такту впускний клапан закривається.
II такт — стиснення (рис. 17.6, б). Поршень рухається вгору і стискає пальну суміш. Коли поршень доходить до крайнього верхнього положення, проскакує іскра і пальна суміш займається. Обидва клапани закриті.
III такт — робочий хід (рис. 17.6, в). Паливо горить, і розжарені гази штовхають поршень униз. Рух поршня передається шатуну, який штовхає колінчастий вал і примушує його обертатися, — двигун виконує корисну роботу. Наприкінці III такту відкривається випускний клапан.
IV такт — випускання (рис. 17.6, г). Поршень рухається вгору і через випускну трубу виштовхує продукти згоряння в атмосферу. Наприкінці IV такту випускний клапан закривається. Випускання відпрацьованих газів супроводжується передачею деякої кількості теплоти довкіллю.
Як і в будь-якому тепловому двигуні, у двигуні внутрішнього згоряння є нагрівник (повітряна суміш, що горить), робоче тіло (розжарені гази), холодильник (довкілля).
За цикл гази штовхають поршень тільки один раз, тому для рівномірної роботи двигунів ставлять чотири, шість і більше циліндрів.
Останнім часом дедалі ширше застосовують дизельні двигуни, названі на честь німецького інженера Рудольфа Дізеля (рис. 17.7). Ці двигуни, зокрема, не мають запальних свічок, вони можуть бути й двотактними, їхній ККД більш високий. У двигунів, описаних вище, ККД становить 20-25 %, у дизельних — 40 %.
Рис. 17.7. Рудольф Дізель (1858-1913), німецький інженер. Творець двигуна внутрішнього згоряння із запалюванням від стиснення пальної суміші
4. Розмірковуємо про плюси та мінуси використання теплових двигунів
З огляду на сполуки, які утворюються в результаті хімічних реакцій горіння палива (див., наприклад, рис. 15.1), складається враження, що теплові машини близькі до досконалості, адже продукти реакції є «звичайними» сполуками. Дійсно, вуглекислий газ (СО2) входить до складу повітря, а вода (Н2О) наявна всюди навколо нас. Ці речовини є екологічно чистими, тобто не забруднюють природу. Проте не слід робити занадто квапливих висновків.
По-перше, практично всі види палива містять невелику кількість сірки, яка із часом перетворюється на шкідливу сульфатну кислоту.
По-друге, на більшості теплових станцій вугілля подається в топки в подрібненому вигляді. Ці частинки, згоряючи, перетворюються на попіл, і певна його кількість розлітається на місцевості, забруднюючи її.
По-третє, в автомобільному двигуні паливо не завжди згоряє повністю, тому у вихлопних газах міститься значна частка отруйного чадного газу (СО).
І це далеко не вичерпний перелік шкідливих чинників!
Забруднення атмосфери — проблема для всього людства. Як боротися з негативними наслідками використання теплових двигунів?
Існує кілька основних напрямів:
- 1) зменшення (або принаймні збереження на стабільному рівні) сумарної потужності теплових машин. Іншими словами, споживачі енергії (телевізори, холодильники, лампи тощо) мають використовувати менше енергії:
- 2) зменшення шкідливих викидів теплових електростанцій. Для цього застосовують, зокрема, спеціальні фільтри;
- 3) використання альтернативних джерел енергії.
Підбиваємо підсумки
Найдавнішим із теплових двигунів, що застосовують у сучасній техніці, є парова турбіна. Роботу в ній виконує нагріта пара, яка за допомогою сопел спрямовується на лопаті турбіни й обертає її.
Ще одним прикладом теплового двигуна є двигун внутрішнього згоряння. У ньому паливо згоряє всередині циліндрів, а нагріте повітря, розширюючись, виконує роботу. Робочий цикл чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння має відповідно чотири такти: усмоктування, стиснення, робочий хід, випускання.
Останнім часом дуже гостро стоїть проблема забруднення навколишнього середовища через шкідливі вияви роботи теплових машин.
Контрольні запитання
1. Які двигуни називають паровими? 2. Назвіть основні частини парової турбіни. 3. Опишіть, як працює парова турбіна. 4. Що в паровій турбіні слугує нагрівником? холодильником? робочим тілом? 5. Звідки походить назва двигуна внутрішнього згоряння? 6. Назвіть основні частини двигуна внутрішнього згоряння та їхнє призначення. 7. Які процеси відбуваються в чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння під час кожного з чотирьох тактів? 8. Доведіть, що теплові двигуни завдають шкідливого впливу на довкілля, і запропонуйте способи розв’язання цієї проблеми.
Вправа № 17
1. Які перетворення енергії відбуваються під час роботи парової турбіни?
2. ККД найкращих дизельних двигунів із системою турбонадуву з проміжним охолодженням сягає 54,5 %. Яка частина енергії, «запасеної» в паливі, що споживають ці двигуни, витрачається марно?
3. Чому температура пальної суміші в циліндрі дизельного двигуна під час стискання збільшується?
4. Чому в паровій турбіні температура відпрацьованої пари нижча від температури пари, яка надходить на лопаті турбіни?
5. Незважаючи на багато недоліків, теплові двигуні є найпоширенішими. Чому, на вашу думку, люди надають перевагу саме їм?