§ 25. Парові та газові турбіни

У поршневих двигунах поступальний рух поршня перетворюється на обертальний рух вала двигуна за допомогою кривошипно-шатунного механізму. Тому такі двигуни працюють поштовхами, частина енергії, набутої поршнем, витрачається на подолання сил тертя між поршнем і циліндром та у кривошипно-шатунному механізмі. Потужність і швидкість обертання поршневих двигунів теж є обмеженими. Навіть у сучасних автомобільних двигунах частота обертання вала, як правило, не перевищує 6500 об/хв.

Розвиток промислового виробництва у кінці XIX ст. зумовив створення швидкісних потужних двигунів.

Парові турбіни. Шведський винахідник Густав де Лаваль (1845—1913 рр.) працював над конструкцією молочного сепаратора. Для забезпечення його роботи потрібен був новий швидкісний двигун. Подолавши багато труднощів, Лаваль створив першу парову турбіну. Як робоче тіло він обрав пару, яка широко використовувалася на той час у парових машинах. Пара, яку одержували в котлі, мала високі температуру та тиск. Проте парові машини не могли забезпечити потрібну швидкість обертання. Турбіна Лаваля (мал. 1.68) являла собою легке колесо 1 з особливо зігнутими лопатками — лопатями 2, до яких трубками 3, встановленими під кутом, від котла за допомогою паропроводу підводилася пара. На кінцях трубок були звуження — так звані сопла 4. На виході із сопла утворювався струмінь пари, швидкість якого більша за швидкість звуку.

Потенціальна енергія стисненої пари при виході з сопла перетворювалася на кінетичну енергію її струменя. Цей струмінь, потрапляючи на лопаті турбіни, спричинював їй обертання. Робоче колесо турбіни оберталося і виконувало механічну роботу. Колесо турбіни знаходилося в закритому корпусі.

Робоче колесо сучасних турбін — ротор — складається з кількох дисків із лопатями, між якими розміщують нерухомі

направляючі лопаті (мал. 1.69). Всередині турбіни пара розширюється, охолоджується і надходить по широкій трубі у конденсатор. У конденсаторі вона конденсується, і вода, яка утворилася з неї, перекачується в котел, де знову перетворюється на пару.

Під час роботи турбіни відсутні поштовхи, характерні для теплових двигунів, коли поршень рухається то в один, то в інший бік. Потужність турбін, які встановлюють на теплових і атомних електричних станціях, становить сотні тисяч кіловат, а коефіцієнт корисної дії — приблизно 40 %. Переріз потужної парової турбіни показано на мал. 1.70.

Парові турбіни успішно працюють там, де потрібні великі потужності, а розміри установок не мають особливого значення: на теплових і атомних електростанціях, кораблях, у тому числі з атомними енергетичними установками.

Робочим тілом у парових турбінах є пара, яка утворюється в парових котлах за рахунок спалювання палива або за допомогою атомних реакторів і по трубах надходить до турбіни. Тому парові турбіни є двигунами зовнішнього згоряння. Такі двигуни неможливо розмістити на літаку або невеликому швидкісному судні.

Українське підприємство “Турбоатом” — одна з провідних турбобудівних фірм світу. Воно спеціалізується на створенні та виробництві парових турбін для теплових електростанцій (ТЕС), атомних станцій (АЕС), гідравлічних турбін для гідроелектростанцій (ГЕС) і гідроакумулюючих електростанцій (ГАЕС), газових турбін для ТЕС і парогазових установок (ПГУ) та іншого енергетичного устаткування.

Газові турбіни. Газова турбіна працює подібно до парової, проте робочим тілом у ній є гази, які утворюються при згорянні палива в камері згоряння самої турбіни. Температура продуктів згоряння перевищує 1000 °С і у них високий тиск. З камери згоряння вони надходять до сопел турбіни. У соплах внутрішня енергія продуктів згоряння перетворюється на кінетичну енергію струменів газу, які діють на робочі лопаті дисків турбіни, надаючи їм обертання.

Газові турбіни широко використовують у сучасній авіації та інших швидкісних видах транспорту. Вони можуть розвивати значні потужності, маючи порівняно невеликі розміри і масу. Будову газотурбінного двигуна наведено на мал. 1.71. У передній частині двигуна розташовано вентилятор 1 і компресор 2, які встановлено на одному валу 3 з турбіною 4. За допомогою

вентилятора повітря засмоктується в двигун, стискається компресором і надходить у камеру згоряння 5. Одночасно в камеру згоряння за допомогою форсунок розпилюється паливо (гас).

У продуктів згоряння палива високі температура і тиск. Прискорюючись у соплах, вони набувають великої кінетичної енергії і надають обертання турбіні. Витікаючи з великою швидкістю крізь спеціальний отвір двигуна — сопло 6, продукти згоряння створюють тягу (турбореактивні двигуни). Турбіна може приводити в рух гвинти або вентилятори у турбогвинтових і турбовентиляторних двигунах, які встановлюють на літаки, та обертати гвинти швидкісних суден.

Архип Михайлович Люлька (1908—1984)народився в с. Саварка, Богуславсько-го району Київської області. Український конструктор авіаційних двигунів. Розробив конструкцію першого у світі двоконтурного турбореактивного двигуна. Дослідив нові енергетичні речовини. Під його керівництвом створені потужні турбореактивні двигуни нового типу.

Архип Михайлович — піонер розробки турбореактивних двигунів для надзвукової авіації, перші

кроки у цьому напрямі він зробив ще в 1930-ті роки. 28 травня 1947 року літак СУ-11 з двигуном ТР-1 конструкції Люльки розвинув швидкість 900 км/год.

Українське підприємство “Мотор Січ” (місто Запоріжжя) — одне з найбільших у світі виробників сучасних, надійних авіаційних двигунів для літаків і вертольотів. Виготовлені на підприємстві двигуни експлуатуються більш ніж у ста двадцяти країнах світу. Посідає одне з провідних місць у світовому співтоваристві виробників авіаційної техніки. У 2007 році підприємство відзначило 100-річний ювілей з дня заснування заводу.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Яку будову має парова турбіна?

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

3.    Чим відрізняється дія парової турбіни від поршневого двигуна?

4.    Чому парові турбіни вважають двигунами зовнішнього згоряння?

5.    Які турбіни називають газовими?

6.    Як побудована і як працює газова турбіна?

ХОЛОДИЛЬНІ МАШИНИ.

КОНДИЦІОНЕР. ТЕПЛОВІ НАСОСИ

Теплові машини, в яких унаслідок зміни агрегатного стану речовини і завдяки виконанню роботи відбувається нагрівання й охолодження робочого тіла, відомі нам як холодильники, кондиціонери, теплові насоси.

Холодильник. У компресійних холодильниках, які широко застосовують для зберігання продуктів, використовують охолодження рідини внаслідок її випаровування і швидкого розширення. Принцип дії такого холодильника та його будова показані на мал. 1.72. Холодильник складається з трьох основних частин: компресора А, конденсатора В і випарника С. У змійовику-конденсаторі за допомогою компре-сора А стискають яку-небудь речовину, що легко переходить з газоподібного стану в рідкий, а з рідкого — в газоподібний. Такими речовинами (у техніці їх називають холодильними агентами) є аміак, фреони, сірчистий ангідрид та інші.

У компресорі внаслідок виконання роботи зі стиснення газів холодильний агент нагрівається і витискається в конденсатор (у побутових холодильниках це змійовик, який знаходиться зовні на задній стінці холодильника). Охолоджуючись у конденсаторі, він конденсується: переходить з газоподібного стану в рідкий. Одночасно з цим компресор створює в змійовику-випарнику C (розташований всередині холодильної камери) розрідження. Через регулювальний клапан і тонку трубку K (капіляр) у випарник із конденсатора просочується рідкий холодильний агент. Там він швидко випаровується й розширюється.

Випаровування і виконання роботи з розширення зумовлюють охолодження холодильного агента і поглинання енергії від стінок змійовика C, від повітря, що з ним контактує, й від продуктів, які є у холодильній камері. Тому в холодильній камері температура знижується і продукти охолоджуються. Компресор приводиться в дію електродвигуном.

Кондиціонер. Принцип роботи кондиціонера не відрізняється від принципу роботи холодильника (див. мал. 1.72). Проте найпоширеніші кондиціонери складаються з двох блоків — внутрішнього і зовнішнього

(мал. 1.73) — і вентиляторів. Останні створюють потоки повітря, що обдувають випарник C і конденсатор В, а також забезпечують інтенсивніший теплообмін із навколишнім повітрям. Як і в холодильнику, компресор А стискає фреон і підтримує його рух по холодильному контуру. В конденсаторі В, розташованому в зовнішньому блоці (на вулиці), фреон конденсується з виділенням теплоти. Випарник C знаходиться у внутрішньому блоці. У випарнику фреон випаровується і поглинає теплоту. Терморегулювальний вентиль K знижує тиск фреону перед випарником.

Компресор, конденсатор, терморегулювальний вентиль і випарник з’єднані мідними трубками й утворять холодильний контур, усередині якого циркулює суміш фреону і незначної кількості компресорного масла.

У “теплих” кондиціонерах у холодильний контур додатково встановлюється спеціальний клапан, який дає змогу змінювати напрямок руху фреону. Тоді випарник стає конденсатором, а конденсатор — випарником, і внутрішній блок кондиціонера нагріває повітря в приміщенні.

Тепловий насос. Прикладом теплового насоса є звичайний побутовий холодильник. У ньому тепло з внутрішньої камери переноситься на радіатор. Ми користуємося холодом усередині холодильника, а його радіатор на його задній стінці завжди теплий. Тепловий насос — це холодильник “навпаки”. Так само “теплий” кондиціонер — теж тепловий насос. Він переносить тепло з навколишнього середовища в будинок. Але кондиціонери за низьких температур узимку стають неефективними і перестають працювати.

Практичну теплонасосну систему під назвою “помножувач тепла” запропонував лорд Кельвін у 1852 р.

Тепловий насос бере тепло в одному місці, наприклад тепло землі, помножує його й переносить до будинку (мал. 1.74). (Взимку температура ґрунту на глибині кілька метрів, навіть за сильних морозів, завжди вища як 0 °С.) Теплові насоси дають змогу значно економити на опаленні, одержувати гарячу воду та ін.

Головне в темі

“Згоряння палива. Теплові двигуни”

Процес горіння — це хімічна реакція окислення, внаслідок якої продукти згоряння мають значно більшу внутрішню енергію, ніж речовини, що вступали в цю реакцію.

Енергія, якої набувають продукти згоряння палива, визначається кількістю теплоти, що виділяється під час згоряння палива.

Питома теплота згоряння палива чисельно дорівнює кількості теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива.

Щоб визначити кількість теплоти, яка виділиться внаслідок спалювання будь-якої маси палива, необхідно питому теплоту згоряння палива помножити на його масу:

В ізольованій системі енергія може перетворюватися з однієї форми в іншу, але загальна її кількість не змінюється.

Теплові машини, які перетворюють теплову енергію на механічну роботу, називають тепловими двигунами.

Щоб знайти ККД теплового двигуна, необхідно корисну роботу, виконану двигуном, поділити на кількість теплоти, яка виділилася під час згоряння палива, і помножити на 100 %:

ПЕРЕВІР СЕБЕ

1.    За якою формулою можна визначити кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні деякої маси палива?

A)    Q = rm;

Б) Q = λm;

B)    Q = Cm;

Г) Q = qm.

2.    Які величини визначають кількість теплоти, що виділяється під час згоряння палива?

A)    маса палива;

Б) теплоємність палива;

B)    питома теплота згоряння палива;

Г) усі три, наведені вище, величини.

3.    Одиницею питомої теплоти згоряння палива є™

A)    Дж;

Б) Дж · кг;

B)    Дж/кг;

Г) Дж/К.

4.    Яка кількість теплоти виділиться унаслідок повного згоряння 1 л гасу?

A) 34,4 МДж;

Б) 43,0 МДж;

В) 52,6 МДж;

Г) 86,0 МДж.

5.    У випадку спалювання однакової маси соснових дров, чи деревного вугілля можна одержати більшу кількість теплоти й у скільки разів?

A)    соснових дров — майже у 3 рази;

Б) деревного вугілля — майже в 3 рази;

B) однакову;

Г) деревного вугілля — у 2 рази.

6.    Яке з формулювань закону збереження і перетворення енергії в механічних і теплових процесах є найбільш повним?

A)    механічна енергія може перетворюватися на внутрішню (теплову) енергію;

Б) внутрішня енергія може перетворюватися на механічну енергію;

B)    механічна робота може перетворюватися на теплоту;

Г) в ізольованій системі енергія може перетворюватися з однієї форми в іншу, але загальна її кількість не змінюється.

7.    Сталева куля у момент зіткнення з бетонною стіною мала швидкість 500 м/с. На скільки нагріється куля унаслідок удару? Вважати, що вся кінетична енергія кулі перетворилася на її внутрішню енергію.

А) 100 °С;

Б) 250 °С; в) 500 °С;

Г) 1000 °С.

8.    Який з наведених пристроїв не може бути тепловим двигуном?

A)    парова турбіна;

Б) дизельний двигун;

B)    карбюратор;

Г) реактивний двигун.

9.    Тепловий двигун не може працювати за відсутності ...

A)    нагрівника;

Б) охолодника (холодильника);

B)    кривошипно-шатунного механізму;

Г) сопла.

10.    ККД теплового двигуна можна визначити, знаючи кількість теплоти, виділену нагрівником, і корисну роботу, за формулою ...

^A)    л = (<2 - Асор >00%;

Q

Б) η =    100 %;

^кор

B)    η = ^Акор100 %;

^Q

^Г) η = (Акор - Q )100%.

11.    Двигун бензопили розвиває потужність 3 кВт. Яку масу бензину витрачає бензопила за 5 хв роботи? Вважати, що ККД бензопили становить 20 %.

А) 100 г;

Б) 200 г; в) 300 г;

Г) 400 г.

12.    Який такт у чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння є робочим?

A)    перший;

Б)другий;

B)    третій;

Г) четвертий.

ЕЛЕКТРИЧНІ ЗАРЯДИ.

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

Нині складно уявити своє життя без електричної енергії. Вже звично, тільки-но зайде Сонце за горизонт, ми натискаємо на вимикач і кімнату заливає світло електричної лампочки. Завдяки електроенергії ми можемо слухати радіо й дивитися телепередачі. Енергія електричного струму приводить у рух потяги метрополітену, трамваї і тролейбуси. Вона допомагає нам прибирати в кімнаті та прасувати білизну. Та хіба можна перелічити все, де сьогодні використовується електрична енергія?

Проте минуло багато часу, перш ніж люди навчилися отримувати електроенергію в достатній кількості й змусили її працювати на свою користь. Адже спочатку потрібно було з’ясувати природу електричних явищ. Тут ви докладніше ознайомитеся з електричними явищами, їхніми проявами в природі, використанням у техніці та повсякденному житті.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко