§ 18. Парова турбіна. Теплові двигуни і охорона навколишнього середовища

Яке перетворення енергії відбувається в тепловому двигуні?

Парова турбіна — інший тин теплового двигуна, який широко застосовують на сучасних теплових електростанціях.

Парова турбіна являє собою насаджений на вал 1 (рис. 40) масивний диск 2, на якому закріплені лопаті 3. На лопаті надходить пара із сопла 4.

Працює турбіна наступним чином. Пара, отримана в паровому котлі, має температуру, близьку до 600 °С. Вона прямує в сопло і в ньому розширюється. При розширенні пари відбувається перетворення її внутрішньої енергії в кінетичну енергію спрямованого руху струменя пари.

Струмінь пари, що має велику кінетичну енергію, надходить із сопла на лопаті турбіни і передає їм частину своєї енергії, приводячи турбіну в обертання.

Вал і диск з лопатями утворюють ротор турбіни, який поміщається в корпусі. По всій поверхні корпусу встановлюються сопла. Зазвичай турбіни мають кілька дисків, кожен з яких отримує частину енергії пари. Завдяки цьому вал з насадженими дисками здійснює швидке обертання,

яке передається генератору електричного струму (турбогенератору). На рисунку 41 показаний ротор парової турбіни.

Турбіни мають ряд переваг у порівнянні з іншими тепловими двигунами. Вони вигідні й економічні, оскільки використовують як робоче тіло водяну пару, а для її отримання можливе застосування будь-якого, в тому числі і досить дешевого, палива. Крім того, турбіни дозволяють отримувати досить BejuiKi потужності, а їхній KKД становить ЗО ... 40%.

При роботі теплових двигунів продукти згоряння палива йдуть в атмосферу. Двигунами автомобілів за добу в атмосферу викидається велика кількість шкідливих речовин; концентрація окису вуглецю та оксиду азоту поблизу основних транспортних магістралей перевищує норму в декілька разів. Ця ситуація ускладнюється тим, що в двигунах автомобілів часто використовують неякісне пальне, самі двигуни автомобілів часом е несправними. Зрозуміло, що все це справляє негативний вплив на здоров’я людей, на навколишнє природне середовище.

Викиди продуктів згоряння IiajmBa супроводжуються виділенням в атмосферу енергії. Це призводить до зміни теплового балансу Землі. Тепловий баланс передбачає, що енергія, яку отримує поверхня Землі від Сонця, дорівнює енергії, яку Земля втрачає при випромінюванні, випаровуванні, таненні льоду і снігу тощо. Викид енергії в атмосферу порушує існуючий баланс, і результатом цього е зміна клімату. Великий вплив на клімат роблять коливання в атмосфері концентрації вуглекислого газу (CO₂), підвищення якої призводить до парникового ефекту. Парниковий ефект проявляється в тому, що вуглекислий газ затримує енергію випромінювання Землі. Відповідно температура нижнього шару атмосфери підвищується. Передбачається, що до 2030 р. середня температура на Землі підвищиться на 2,6 °С.

Великої шкоди навколишньому середовищу завдають теплові електростанції. При їхній експлуатації відбуваються значні викиди твердих, рідких і газоподібних речовин, що забруднюють атмосферу.

На фізико-хімічний склад атмосфери впливає робота електростанцій, які споживають буре вугілля. Вони викидають в атмосферу сірку, яка випадає на землю у вигляді опадів. Окрім сірчаних опадів, теплові електростанції разом із димом викидають радіоактивний ізотоп вуглецю.

У глобальну проблему перетворилося випадання кислотних опадів, що містять велику кількість двоокису сірки та оксидів азоту. Ці опади знижують урожай, гублять рослинність, знищують життя у водоймах, руйнують будівлі. В результаті, для прикладу, зелений покрив нашої планети щорічно скорочується на 1%.

Розглянуті екологічні проблеми ставлять перед людством завдання розробки таких технологій, створення таких машин і механізмів, використання яких не спричиняло б згубного впливу на навколишнє середовище.

Так, багато автомобілів переводять на використання в двигунах газового палива. Воно має цілий ряд переваг перед бензином. Зокрема, ви-

и

добуток газу вимагає менших трудових і матеріальних витрат. Його використання збільшує термін служби двигуна, скорочує витрату палива і, найголовніше, суттєво зменшує шкідливий вплив відпрацьованих газів.

Перспективними є двигуни, що працюють на водні. Висока питома теплота згоряння водню робить двигуни більш економічними. При горінні водню утворюється водяна пара, тому відсутні шкідливі викиди. Такі двигуни є екологічно чистими.

Ведеться боротьба і з шкідливими викидами теплових електростанцій. Для їх зниження встановлюють спеціальне обладнання з уловлювання окису сірки, що виходить з димарів. Це дозволяє знизити викиди шкідливих речовин в атмосферу на третину.

Таким чином, науково-технічний прогрес, з одного боку, полегшує працю і життя людини, з іншого — призводить до погіршення екологічної обстановки на планеті. Темпи його в даний час такі, що природа сама відновлюватися і тилі самим підтримувати необхідні для всього живого, в тому числі і для людини, умови життя не може. Тому найважливішим завданням людства є охорона навколишнього середовища.

Запитання для самоперевірки

1. З яких частин складається турбіна? Як вона працює?

Q. Які перетворення енергії відбуваються при роботі турбіни?

3.    Що є нагрівачем, робочим тілом і холодильником турбіни?

4.    Які переваги має турбіна в порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння?

5.    У чому причина забруднення навколишнього середовища при роботі теплових двигунів?

6.    Що таке парниковий ефект? Як він утворюється і до яких наслідків призводить? Які напрямки вдосконалення автомобільних двигунів?

Завдання 18

1. Чи змінюється тиск пари при її русі в соплах парової турбіни?

Q. Чому температура відпрацьованої пари в турбіні менша від температури пари, що падає на її лопаті?

3. В одній паровій турбіні використовується 1/6 енергії, що виділяється при згорянні палива, а в іншій —1/4. ККД якої турбіни більший? Визначте ККД кожної турбіни. 4*. В одну з парових турбін надходить пара за температури 250 ⁰C₁ в іншу — за температури 500 °С. Яка турбіна має більший ККД, якщо температура відпрацьованої пари у них однакова?

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропонований в електронному додатку підсумковий тест для самоперевірки знань за розділом І.

Навчальний проект №1

Використовуючи набуті знання та отриманий досвід при виконанні лабораторних робіт та завдань, виконайте навчальний проект на одну із запропонованих тем: 1. «Екологічні проблеми теплоенергетики та теплокористування».

Q. «Енергозбережувальні технології».

3.    «Унікальні фізичні властивості води».

4.    «Рідки кристали та їх використання».

5.    «Полімери».

6.    «Наноматеріали».

7.    «Холодильні машини. Кондиціонер, теплові насоси».

Основне у розділі І «Теплові явища»

1. Основні властивості і будова твердих тіл, рідин та газів.

2. Основні величини, які характеризують теплові явища.

3. Способи зміни внутрішньої енергії.

4. Основні величини, що характеризують теплові властивості речовин.

Величина	Позначення	Визначення	Одиниця	Зв’язок з іншими величинами (формула)
Питома тепло ємність		Фізична величина, яка дорівнює кількості теплоти, яку необхідно надати тілу з масою 1 кг для нагрівання його на 1 °С.
Питома теплота плавлення		Фізична величина, яка дорівнює кількості теплоти, необхідної для перетворення 1 кг кристалічної речовини при температурі плавлення в рідину тієї ж температури.
Питома теплота паро утворення		Фізична величина, що дорівнює кількості теплоти, яку потрібно надати речовині з масою 1 кг для перетворення її з рідкого стану в газоподібний за температури кипіння.

5.    Рівняння теплового балансу.

У теплоізольованій системі тіл при теплообміні кількість теплоти Q_r яку віддають всі тіла, що охолоджуються, дорівнює кількості теплоти Q₂, яку одержують всі тіла, що нагріваються:

Q₁ = Q_r

6.    Теплові двигуни — це пристрої, які здійснюють механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії палива.

Принцип дії теплового двигуна:

7. Величини, що характеризують паливо, теплові двигуни.

Величина	Позначення	Визначення	Одиниця	Зв'язок з іншими величинами (формула)
Питома теплота згоряння палива		Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні палива з масою 1 кг
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна (ККД)		Відношення виконаної двигуном роботи Адо кількості теплоти Q1, OT-риманої ним від нагрівана

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун