§ 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. З 1775 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. У цьому параграфі ви дізнаєтеся, як працюють деякі з них.

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 (I)₉ спрямовуються на лопаті (2), закріплені на диску (3), який, 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.

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 Ommo(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.

Двигун внутрішнього згоряння (рис. 17.5) складається із циліндра (I)₉ 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.

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: 7 — циліндр; 2 — поршень; 3 — шатун;

4    — колінчастий вал;

5    — клапани; 6 — свічка

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. Крім клапанів у верхній частині циліндра деяких двигунів розміщено свічку (6) — пристрій для запалювання пальної суміші за допомогою електричної іскри.

Розглядаємо роботу чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння

Робочий цикл чотиритактного двигуна складається відповідно з чотирьох тактів (рис. 17.6).

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). 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.

Рис. 17.7. Рудольф Дізель (1858-1913), німецький інженер. Творець двигуна внутрішнього згоряння із запалюванням від стиснення пальної суміші

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 свічок запалювання, вони можуть бути й двотактними, їхній ККД більш високий. У двигунів, описаних вище, ККД становить 20-25 %, у дизельних — 40 %.

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 є досить досконалими, адже продукти реакції є «звичайними» сполуками. Дійсно, вуглекислий газ (CO₂) входить до складу повітря, а вода (H₂O) 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 Сульфуру, який з 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 (CO).

І це далеко не вичерпний перелік шкідливих чинників!

Забруднення атмосфери — проблема для всього людства. Як боротися з негативними наслідками використання теплових двигунів?

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 та 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 шкідливо впливають на довкілля, і запропонуйте способи розв’язання цієї проблеми.

Вправа № 17

1.    Які перетворення енергії відбуваються під час роботи парової турбіни?

2.    KKД 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, що надходить на лопаті турбіни?

5.    Незважаючи на багато недоліків, теплові двигуні є найпоширенішими. Чому, на вашу думку, люди надають перевагу саме їм?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар