§ 15. Теплові двигуни. Принцип дії теплових двигунів

Парова турбіна

Парові турбіни використовуються на теплових (ТЕС) і атомних електростанціях (АЕС). Паросилова установка складається з парового котла, турбіни і конденсатора. На

масивному валу турбіни знаходяться диски з лопатками, що вигнуті спеціальним чином (мол. 15.1). Пара під великим тиском вдаряє по лопатках і обертає турбіну. Турбіна, у свою чергу, обертає електрогенератор, який виробляє електричний струм. Відпрацьована пара низького тиску подається в теплообмін-ник-конденсатор, а гаряча вода, яка отримується з неї, перекачується в котел для повторного нагрівання або використовується для обігрівання будівель, теплиць, ставків з рибою, тощо. На теплових електростанціях для обігрівання котлів використовують вугілля, на атомних - теплову енергію, яка виділяється в результаті ядерних реакцій розпаду урану чи плутонію.

Маса парової турбіни може досягати 200 т і обертається вона з частотою 3000 об/хв. Незважаючи на такі розміри, точність установки вала турбіни і центрування деталей складають тисячні частини міліметра. Тиск пари в котлі трохи менший за 200 атм, температура пари приблизно 600. Маса води, яка охолоджується в конденсаторі до температури 30°С за одну годину, дорівнює 350 т. Харківське об'єднання Турбоатом виготовляє одні з найбільших у світі турбін.

Газова турбіна

Розглянемо будову та принцип дії газової турбіни, яка найчастіше використовується в авіаційних двигунах.

Газові турбіни мають невеликі розміри і велику потужність - це їх головна перевага. їм не потрібний громіздкий паровий котел. Газова турбіна працює при дуже високих температурах, а частота її обертання в десять разів більша, ніж у парової турбіни (цим і пояснюється неприємний свист авіаційних двигунів). Лопатки і диски газової турбіни необхідно робити з тугоплавких і дуже міцних матеріалів.

На малюнку 15.2 зображена будова турбореактивного двигуна. Газова турбіна знаходиться на одному валу з компресором. Компресор - це своєрідний

вентилятор, який нагнітає повітря в камеру згоряння, де у струмінь повітря через спеціальні трубки, які називаються форсунками, впорскується і тут же запалюється паливо (гас). Від різкого розігрівання гази, що утворюються при згорянні, сильно розширюються і з великою силою тиснуть на лопатки турбіни, приводячи її в рух. Турбіна і компресор знаходяться в трубі певного профілю, в задній частині труби є форсажна (від слова force - сила) камера. В камеру впорскується і згоряє додаткова порція палива. При цьому виникає реактивна тяга, яка штовхає літак уперед. Спеціальний двигун-стартер повинен розпочати обертання турбіни, щоб створити початковий тиск у камері згоряння. Потім його вимикають.Турбореактивні двигуни використовують яку цивільній (мол. 15.3), так і у військовій авіації.

Якщо в передній частині двигуна на валу турбіни закріплено гвинт, то це турбогвинтовий двигун. У такому двигуні форсажна камера відсутня. Використовуються також досить економічні турбовентиляторні двигуни, в яких повітря нагнітається великим вентилятором не тільки всередину труби, а й навколо неї ззовні по так званому другому контуру. Це створює додаткову тягу. Такі двигуни встановлюють на пасажирських літаках, оскільки вони відносно «тихохідні». Швидкості пасажирських літаків становлять приблизно 900 км/год. Військові винищувачі літають зі швидкостями, що в декілька разів перевищують швидкість звуку, яка становить приблизно 1200 км/год.

ДОСЛІД 15.1

Наповніть повітрям повітряну кульку, найкраще «ковбаску», тобто вузьку та довгу, і затисніть пальцями отвір. Потім відпустіть її. Струмінь повітря вирветься з отвору, і кулька полетить по складній траєкторії. Зауважте, що вона летить у напрямі, протилежному до напряму витікання повітря.

Ракетні двигуни

Ракети літають, як правило, за межами атмосфери, тому вони повинні мати запас кисню, який потрібний для згоряння палива. Конструкція ракетного двигуна зображена на малюнку Ί5.4. Паливо А і окислювач Б впорскуються в камеру згоряння C за допомогою стисненого повітря Д, і їх суміш запалюється. Гази, які утворюються при згорянні, різко розширюються і з великою швидкістю викидаються назовні, штовхаючи ракету в протилежному напрямі.

* Принцип дії теплових машин. ККД теплового двигуна

Ватт постійно працював над удосконаленням своєї машини, ККД якої дуже малий.

Він придумав спосіб (який зберігав у таємниці) зображати процеси, які проходять у паровій машині, у вигляді малюнків. Французький учений Еміль Клапейрон також винайшов подібний метод діаграм для наочного зображення ідей свого співвітчизника Саді Карно.

Карно першим здогадався, від чого залежить ефективність роботи теплової машини, описавши свою теорію в книзі «Про рухому силу вогню». Він уявляв собі теплоту як невидиму теплову рідину - флогістон, як це було прийнято в той час. Для того щоб флогістон щось рухав чи крутив, необхідно було, на думку Карно, організувати потік теплоти від нагрітого тіла до холодного подібно до того, як падаюча вода крутить колесо млина. Незважаючи на те, що теорія виявилася невірною, Карно зумів побудувати теорію теплових машин і знайти їх граничний ККД, який дорівнює:

де T₁ - абсолютна температура нагрівника, a T₂ - абсолютна температура холодильника. Ні одна реальна машина не може досягти такого ККД, але інженерам ця формула допомагає зрозуміти як досягти максимальної ефективності, працюючи з конкретним двигуном.

Принцип дії більшості теплових машин один і той самий, незважаючи на різну конструкцію. Спалюючи паливо, в тепловій машині нагрівають газ чи пару, які при розширенні рухають поршень, крутять турбіну чи створюють реактивну

тягу.

Будь-яка теплова машина складається з трьох частин: нагрівника, робочої частини і холодильника (так називають ту частину машини, в якій від робочого тіла забирається теплота, не плутайте з домашнім холодильником). Робоче тіло (пара, газова пальна суміш і т. д.) отримує теплоту Q₁ від нагрівника, нагрівається і, розширюючись у робочій частині машини, виконує роботу А. Далі робоче тіло охолоджується, віддаючи теплоту Q₂ холодильнику (мал. 15.5). Один такий цикл, який називають робочим, багатократно повторюється.

Робоча частина. У паровій машині і ДВЗ - це циліндр із поршнем, у паровій і газовій турбінах - сама турбіна. У робочій частині робоче тіло виконує роботу.

Нагрівник. У паровій машині і паровій турбіні - це паровий котел. У ДВЗ, турбореактивних і реактивних двигунах нагрівник об'єднаний із робочою частиною.

Холодильник. У паровій машині і паровій турбіні - це конденсатор, в інших двигунах охолодження робочого тіла відбувається в атмосфері.

У теплових машинах при передачі теплоти від нагрівника до холодильника внутрішню енергію нагрітого газу (чи пари) вдається частково перетворити в механічну енергію. Чим більшу частину теплоти, отриманої газом від нагрівника, вдається перетворити в механічну роботу, тим ефективніше працює машина і тим більший її ККД. Очевидно, що корисна робота, яку виконує теплова машина, дорівнює: А= Q_i- \Q₂\ (Q₂ - тепло, віддане холодильнику - від'ємне, тому його взято по модулю, щоб не було непорозумінь). Коефіцієнт корисної дії, відповідно, обчислюють за формулою:

тобто ККД, як і завжди, дорівнює відношенню корисної роботи (Q₁ - 1(2,1) до всієї отриманої енергії (теплоти (>,)/ помноженому на 100%.

Як обчислюють роботу, яку виконує газ при розширенні

Розглянемо робочу частину поршневої машини (мал. 15.6). Газ в закритій частині циліндра має початковий об'єм V_l = Vi тиск р та підігрівається, отри-

муючи кількість тепла Q. На поршень, площа перерізу якого S з боку газу діє сила F = p-S, в результаті чого поршень переміщується на відстань І. Об'єм газу при цьому збільшується на величину AV і стає рівним V₂ = V + AV. Вважатимемо, що тиск газу в результаті переміщення поршня не змінювався. Тоді робота по переміщенню поршня дорівнюватиме А = F S = р S ·/. Оскільки S I = AV, то остаточно отримуємо:

В автомобільних двигунів AV називають робочим об'ємом і часто вказують поряд з маркою автомобіля Наприклад, BMW-1,6 означає, що робочий об'єм усіх циліндрів становить 1,6 л. Формула (15.3) дозволяє зрозуміти, що величина роботи двигуна тим більша, чим більший тиск в циліндрах і чим більший їх робочий об'єм.

І ЦІКАВО ЗНАТИ

І На два роки пізніше за Ватта (запатентовано у 1816 році) інший англієць - Роберт Стірлінг створив першу поршневу машину «зовнішнього згорання», на яку отримав патент у 181 б році. Порівняно недавно, у зв'язку з появою нових технологій і матеріалів, цей двигун отримав нове життя (мал. 15.7). Він має надзвичайно високий ККД, невибагливий до виду палива, оскільки циліндр нагрівається ззовні, не шумний і менше забруднює навколишнє середовище. Для підігріву можна використовувати дрова, газ, вугілля та інші джерела тепла, а також енергію сонця. Наприклад, підводні човни ВМС Швеції типу «Готланд» оснащені двигунами Стірлінга.

. ПРИКЛАД 15.1

Теплова машина отримує від нагрівника, температура якого 527°С кількість теплоти 400 кДж і передає холодильнику, температура якого 27°С, кількість

теплоти 200 кДж. Визначте: а) корисну роботу, яку виконав двигун, б) ККД машини і в) найбільший теоретичний ККД машини.

Розв'язання.

б)    За формулою (15.2) обчислимо ККД:

а)    Роботу машини обчислюємо за формулою A_m = Q₁ -Ig₂I, звідки Л = 200 кДж.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Будь-яка теплова машина складається з трьох частин: нагрівника, робочої частини і холодильника.

Максимальний коефіцієнт корисної дії теплової машини обчислюється

неможливо, але він показує межу, до якої інженерам можна наблизити якості реального двигуна.

Робота газу при розширенні пропорційна добутку тиску газу на робочий об'єм циліндра: А = p-AV. Формула справедлива, якщо тиск в процесі розширення сталий.

ВПРАВА № 15_

1.    Що є робочим тілом: а) у паровій машині і паровій турбіні; б) у ДВЗ; в) у реактивних двигунах?

2.    Чому в теплових машинах найчастіше використовують газ?

3.    Яка будова а) парової та б) газової турбіни? в) Що спільного і в чому відмінність цих машин?

4.    За якою формулою обчислюють ККД а) реальної, б)* ідеальної теплової машини?

5.    Яку роботу (в кДж) виконує чотирициліндровий автомобільний двигун з робочим об'ємом 2 літри за один робочий хід, якщо середній тиск робочої суміші дорівнює а) 8 атм в бензиновому двигуні, б) 12 атм в дизельному двигуні? 1 атм = 105 Па.

6.    За 1 с в нагрівнику парової машини робочому тілу передається 1200 Дж теплоти. У робочій частині машини за той самий час виконується робота 200 Дж. а) Яка кількість теплоти (в кДж) передається холодильнику (кон-

денсатору, повітрю)? б) Чому дорівнює ККД машини? Втрати, пов'язані з тертям, можна не враховувати.

ДОСЛІД 15.2. Виготовлення моделі турбіни

1.    Диск турбіни можна виготовити з

круглої кришки від консервної банки.

2.    У центрі диска (це треба зробити якнайточніше) зробіть отвір, що дорівнює діаметру пластикової трубки від кулькової ручки (вона стане валом турбіни).

3.    По кругу диска зробіть надрізи на глибину 1 см вздовж радіусів, розкресливши попередньо диск на рівні сектори. Ширина лопатки може бути близько 0,5 см.

4.    Зігніть усі лопатки, повернувши їх на кут приблизно 30° (мал. 15.8).

5.    Насадіть диск на вал і закріпіть його за допомогою шайб, наприклад, із корка. Ширина шайб 3-5 мм, діаметр значення не має. Шайби повинні туго насаджуватися на трубку, а отвори в них зроблені точно по центру.

6.    Вал насадіть на металевий стержень (товсту голку, дріт відповідного діаметра, спицю) і закріпіть на підставці.

7.    Правильно виготовлена турбіна повинна легко обертатися, якщо на неї подути в напрямі, перпендикулярному до диска.

ЕКСПЕРИМЕНТИ

1.    Проведіть експерименти, змінюючи кут згину і профіль лопаток, добиваючись найбільшого ефекту обертання.

2.    Подуйте через трубочку на лопатки турбіни, вона повинна обертатися. Визначте кут, під яким треба направити трубочку на турбіну, щоб вона оберталася найкраще.

3. Якщо закріпити диск на валу електродвигуна від будь-якої іграшки, то можна отримати модель електростанції.

ВИСНОВКИ

1.    Опишіть параметри виготовленої вами турбіни (діаметр диска, розміри лопаток, їх кількість, масу турбіни).

2.    Оцініть частоту обертання турбіни і опишіть, як ви це зробили.

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка