Народна Освіта » Фізика » § 14. Теплові двигуни. екологічні проблеми використання теплових двигунів

НАРОДНА ОСВІТА

§ 14. Теплові двигуни. екологічні проблеми використання теплових двигунів

Теплові машини було створено на початку XYIII ст., у період бурхливого розвитку текстильної та металургійної галузей промисловості. Парову водопідйомну установку побудували англійці Томас Ньюкомен і Джон Коулі в 1712 р. У Росії паровий двигун створив Іван Ползунов у 1765р., ав 1784 р. в Англії Джеймс Ватт одержав патент на універсальний паровий двигун. Створення парових машин, двигунів внутрішнього згоряння започаткувало розвиток автомобільного транспорту і літакобудування. Газова турбіна дала поштовх перебудові в авіації, літаки з поршневими двигунами було замінено реактивними та турбореактивними лайнерами, швидкість яких наближалася або була більша за швидкість звуку (330 м/с = 1188 км/год). За допомогою реактивних двигунів здійснено одвічну мрію людства - вихід у космічний простір. На електростанціях парові турбіни надають руху електричним генераторам, які виробляють електричний струм.

Усі теплові машини, незалежно від їхньої будови й призначення, поділяють на два види; теплові двигуни та холодильні установки.

Дослід. Наллємо в пробірку трохи води, потім щільно закриємо її корком (мал. 89) і нагріємо воду до кипіння. Під тиском пари корок вилетить і злетить угору. У цьому разі енергія палива перейшла у внутрішню енергію пари, а пара, розширюючись, виконала роботу - підняла корок. Внутрішня енергія пари перетворилася на кінетичну енергію корка.

Якщо замінити пробірку міцним металевим циліндром, а корок - припасованим поршнем, який може рухатися в циліндрі (мал. 90), то отримаємо найпростіший тепловий двигун, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну енергію поршня.

Тепловими двигунами називають машини, у яких внутрішня енергія палива перетворюється на механічну енергію.

До теплових двигунів належать: парова машина, двигун внутрішнього згоряння (карбюраторний, дизельний), парова та газова турбіни, реактивний двигун.

В усіх цих двигунах внутрішня енергія палива спочатку переходить у внутрішню енергію газу або пари. Розширюючись, газ виконує роботу й при цьому охолоджується - частина його внутрішньої енергії перетворюється на механічну енергію.

Двигун внутрішнього згоряння. Така назва походить від того, що паливо згоряє в циліндрі, усередині самого двигуна.

Перший поршневий двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) створив у 1860 р. французький інженер Етьен Ленуар. На той час, порівняно з іншими тепловими двигунами, він мав менші розміри та масу. Це дало змогу використовувати його на транспорті (автомобіль, трактор, тепловоз), в авіації, на кораблях (дизель-електрохід, катер, підводний човен).

Двигуни внутрішнього згоряння працюють на рідкому паливі (бензині, гасі, нафті) або на горючому газі.

На малюнку 91 показано розріз найпростішого ДВЗ. Двигун складається із циліндра, у якому переміщується поршень 3, з’єднаний за допомогою шатуна 4 з колінчастим валом 5. На валу закріплено важкий маховик 6, який призначений для зменшення нерівномірності обертання вала.

У верхній частині циліндра є два клапани 1 і 2, які під час роботи двигуна автоматично відкриваються і закриваються в потрібні моменти. Через клапан І у циліндр надходить суміш, яка запалюється за допомогою свічки 7, а через клапан 2 виходять відпрацьовані гази.

Кожний хід поршня вгору або вниз називають тактом. Розглянемо процеси, які відбуваються протягом кожного такту.

Нехай поршень рухається вниз із крайнього верхнього положення (мал. 92, а) та впускний клалан / відкритий. Під час опускання поршня через цей клапан у камеру згоряння всмоктується горюча суміш - пара бензину з повітрям. У кінці такту клалан 1 закривається. Такий такт називають впуском.

Поршень починає підніматися вгору, стискаючи горючу суміш (мал. 92, б). Цей такт називають стиском. Незадовго до того як поршень дійде до верхнього крайнього положення, у свічці 7 проскакує іскра, горюча суміш спалахує.

Третій такт двигуна (мал. 92, в) називають робочим ходом. Під час згоряння суміші температура газів у циліндрі сягає 1600-1800 cC, а тиск - 10 000 000 Па. Ці гази з великою силою тиснуть на поршень, який опускається вниз і за допомогою шатуна 4 і кривошипного механізму надають руху колінчастому валу.

У кінці робочого ходу, коли поршень приходить у крайнє нижнє положення, відкривається випускний клапан 2 (мал. 92, г). Починається четвертий такт - випуск. Поршень, піднімаючись угору, виштовхує відпрацьовані гази в атмосферу.

Отже, робота чотиритактного двигуна складається із чотирьох процесів (тактів): впуску, стиску, робочого ходу і випуску.

В автомобілях найчастіше використовують чотирициліндрові двигуни внутрішнього згоряння. Робота циліндрів у ньому узгоджується так, що в кожному з них по черзі здійснюється робочий хід і колінчастий вал весь час одержує енергію від кожного з поршнів. Є також і восьмициліндрові двигуни. Вони краще забезпечують рівномірність обертання вала й мають велику потужність.

Парова турбіна. Це тепловий двигун, у якому пара, нагріта до високої температури, перебуває під високим тиском і обертає його вал без допомоги поршня, шатуна і колінчастого вала.

На малюнку 93 наведено схему' найпростішої парової турбіни. На вал 1 насаджено диск 2. по ободу якого закріплено лопатки 3. Біля лопаток розміщено труби, які називають соплами 4. Пара, яка утворюється в котлі, надходить до сопел, виривається струменями, які з великою силою тиснуть на лопатки і надають обертального руху диску турбіни.

У сучасних парових турбінах застосовують не один, а багато дисків, насаджених на спільний вал (мал. 94). Пара послідовно проходить через лопатки всіх дисків, віддаючи кожному з них частину своєї енергії.

Парові турбіни є незамінними тепловими двигунами на теплових та атомних електростанціях.

Першу парову турбіну практичного застосування виготовив у 1889 р. шведський інженер та винахідник Карл Лаваль.

Газова турбіна та реактивні двигуни. Переваги парової турбіни та двигуна внутрішнього згоряння поєднано в газовій турбіні, у якій внутрішня енергія газу перетворюється на кінетичну енергію вала.

У камеру згоряння 4 (мал. 95) газової турбіни за допомогою компресора 2 подається стиснене повітря, температура якого приблизно 200 cC, і впорскується рідке паливо (гас) під високим тиском. Шд час горіння палива повітря і продукти згоряння нагріваються до температури 1500-2200 cC. Газ, який рухається з великою швидкістю, направляється на лопатки

турбіни 3. Переходячи від одного диска турбіни до іншого, газ віддає свою внутрішню енергію, приводячи турбіну в рух. Отримувана механічна енергія використовується для обертання, наприклад, гвинта літака 1 або електричного генератора.

У ракетах паливо згоряє в камері згоряння (мал. 96). Утворені гази з великою силою тиснуть на стінки камери. З одного боку камери є сопло, через яке продукти згоряння вириваються в навколишнє середовище. Ракета, відштовхуючись від струменя газу, що витікає, набуває руху в протилежному напрямку. Такі двигуни називають реактивними. У реактивному двигуні внутрішня енергія палива перетворюється на кінетичну енергію рухомої ракети.

Уперше можливість і необхідність використовувати ракетні двигуни для запуску літальних апаратів у космічний простір обґрунтував у 1903 р. Костянтин Ціолковський.

У своєму житті ви постійно маєте справу з різноманітними двигунами. Вони надають руху автомобілям і літакам, тракторам, кораблям і залізничним локомотивам. За допомогою теплових машин на електростанціях виробляється електричний струм.

Робота теплових машин пов’язана з використанням різних видів палива. Топки теплових електростанцій, двигуни внутрішнього згоряння автомобілів (мал. 97), літаків та інших машин викидають в атмосферу шкідливі для людини, тварин і рослин речовини (чадний газ, вуглекислий газ, оксиди Штрогену, Сульфуру тощо). Ці речовини сполучаються з атмосферною вологою й утворюють кислоти. Це стає причиною випадання кислотних дощів, у результаті чого знищуються хвойні ліси, гине риба, знижується врожайність зернових культур і цукрового буряку.

Збільшення кількості автомашин, особливо в містах, призводить до надмірного забруднення атмосфери вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння. Щоб зменшити ці викиди, проводять регулювання двигунів для повного згоряння палива та зменшення вмісту чадного газу, впроваджують двигуни, у яких використовується чистіше паливо.

Застосування парових турбін на електростанціях вимагає багато води та великих площ, які займають водойми для охолодження відпрацьованої пари. Для економії площі та водних ресурсів доцільно будувати комплекси електростанцій, які мають замкнену систему водопостачання.

Найефективніший спосіб боротьби із забрудненням середовища -заміна двигунів внутрішнього згоряння електричними двигунами, використання енергії Землі, Сонця, вітру.

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

•    Думка про використання пари для потреб транспорту виникла ще в XVII ст. Конструктори спочатку намагалися прилаштувати парові двигуни до звичайних візків. У 1763 р. французький інженер Жорж Конйо сконструював перший паровий візок. Ця машина працювала всього 12-15 хв. Пізніше він сконструював досконаліший візок, але коли той пустили вулицями Парижа, то виявилося, що ним неможливо керувати. У 1787 році американець Олівер Еванс сконструював паровий візок, що також був непридатний до практичного використання. У кінці 80-х років XVIII ст. Вільям Мердок, учень та помічник Джеймса Ватта, створив паровий візок із двигуном конструкції свого вчителя. Він сконструював ряд цікавих моделей візків, але створити практичну транспортну машину він також не зміг.

Проблема створення парового автомобіля так і не була розв'язана, це вдалося зробити тільки на базі двигуна внутрішнього згоряння.

•    Багато винахідників у ті часи намагалися сконструювати локомотив, який рухався б рейками. Першим до ідеї застосування парових локомотивів на спеціальних рейкових шляхах дійшов шотландський інженер та механік Річард Тревітік 2

У 1736 р. англієць Джонатан Кольз безуспішно намагався застосувати на суднах більш досконалу парову машину Томаса Ньюкомена.

•    Удаліші спроби розпочалися, коли Джеймс Ватт винайшов двигун. Так, у 1781 р. француз Д’аббан Жоффруа сконструював пароплав, який за допомогою парового двигуна міг годину пливти проти течії. Через чотири роки американець Джон Фітч побудував човен, у якому паровий двигун надавав руху веслу. Однак випробування цього пароплава не виправдали сподівань.

•    Перший практично придатний для плавання пароплав сконструював ірландський інженер та механік Роберт Фултон, випробувавши його у 1803 році на р. Сені в Парижі. Дослід удався: судно протягом 1,5 год пливло Сеною, розвиваючи швидкість 5 км/год за течією. У 1807 р. Фултон сконструював колісний пароплав «Клермонт», на якому встановив парову машину Ватта подвійної дії. Довжина цього пароплава сягала 43 м, потужність двигуна - 20 кінських сил, тоннаж - 15 т (мал. 99).

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Що таке тепловий двигун?

2.    Які види теплових двигунів ви знаєте?

3.    Який двигун називають двигуном внутрішнього згоряння?

4.    Які процеси відбуваються протягом чотирьох тактів роботи двигуна внутрішнього згоряння?

5.    Яка будова парової турбіни? Як вона працює? Яке її призначення?

6.    Поясніть, як працюють газова турбіна та реактивний двигун.

7.    Які шкідливі речовини викидають в атмосферу теплові машини? До яких наслідків це призводить?

 

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 12-08-2016, 10:46, посмотрело: 3297