Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 21 Теплові двигуни

Ви дізнаєтесь

- Про різні види теплових двигунів

Пригадайте

- Принцип дії теплової машини

Двигуни внутрішнього згорання. До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та ін. Одним із найпоширеніших видів теплової машини є двигун внутрішнього згорання (ДВЗ), який нині широко використовується в різних транспортних засобах, зокрема в автомобілях.

Залежно від виду палива, що використовується у двигуні внутрішнього згорання, і способу його запалення розрізняють бензинові та дизельні (названі на честь їх винахідника, німецького інженера Рудольфа Дізеля) двигуни.

Розглянемо принцип дії таких двигунів внутрішнього згорання (мал. 66). Основним елементом двигуна є циліндр із поршнем, де відбувається згорання палива. (Як правило, їх кілька. Тому кажуть про дво-, чотири- чи восьмициліндрові двигуни).

Циліндр має два отвори з клапанами — впускним і випускним. Робота ДВЗ ґрунтується на чотирьох послідовних процесах — тактах, які весь час повторюються.

Мал. 66. Схема роботи чотиритактного ДВЗ

Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається вниз. Після того як поршень досягне нижньої точки, всмоктування палива припиняється. Обидва клапани закриті. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, унаслідок чого її температура підвищується. У верхній точці поршня суміш запалюється іскрою від електричної свічки (у бензинових двигунах) або від високої температури сильно стиснутого газу (в дизельних двигунах). Суміш спалахує. Унаслідок значного нагрівання газ розширюється й тисне на поршень. Сила тиску штовхає поршень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомогою спеціального з’єднання рух поршня передається колінчастому валу, який з’єднано з колесами автомобіля. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої точки відкривається випускний клапан, і під час руху поршня вгору відбувається четвертий такт — випуск відпрацьованих газів. Таким чином, робочий цикл чотиритактного двигуна завершується, і знову все починається з першого такту.

Різні види двигунів внутрішнього згорання мають широке застосування (мал. 67). У своєму житті ви обов’язково матимете можливість користуватись технікою, що працює за допомогою двигуна внутрішнього згорання. Вивчити конструктивні особливості, переваги і недоліки таких двигунів ви можете вже сьогодні.

Ніколаус Август Отто (1832-1891)

Німецький інженер та підприємець, винахідник-самоучка, конструктор двигуна внутрішнього згорання

Рудольф Дізель (1858-1913)

Німецький інженер, винахідник, створив двигун внутрішнього згорання, названий на його честь — дизельний двигун

Мал. 67 Застосування двигунів внутрішнього згорання

Парова та газова турбіни. Для перетворення теплової енергії в механічну на теплових й атомних електростанціях використовують турбіни. Турбіни як основний рушійний елемент застосовують також у газотурбінних двигунах, що широко використовуються в авіації. Залежно від робочого тіла (пари або газу) розрізняють парові й газові турбіни.

В основу дії турбін покладено обертання дисків із лопатками під тиском водяної пари або газу.

Основною робочою частиною парової турбіни є вал 1, на якому закріплено диски 3 з лопатями 4 (мал. 68). Через паропровід 2 струмини пари з великою швидкістю спрямовуються на лопаті й обертають ротор турбіни. Через вихідний паропровід 5 відпрацьована пара виводиться з турбіни. При цьому відбувається перетворення внутрішньої енергії пари в механічну енергію обертання її ротора. Принцип дії парової турбіни ґрунтується на явищі, за якого гарячий газ (пара) розширюється при виході із сопла та, виконуючи механічну роботу, охолоджується.

Конструкції парових турбін постійно вдосконалюються, але незважаючи на це їх ККД не перевищує 40 %. Основні втрати енергії в паровій турбіні виникають через неповне використання внутрішньої енергії пари. Пара, яка залишає парову турбіну, є досить гарячою. Її внутрішня енергія менша, ніж на вході в турбіну, але цієї енергії достатньо, щоб використати її, наприклад, для обігріву приміщень.

Втрати енергії в паровій турбіні будуть меншими за умови збільшення різниці температур пари, що входить до сопла, та пари, що виходить із турбіни.

Для зменшення температури пари на виході з турбіни на її роторі розміщують систему дисків з лопатями — утворюється багатоступінчата турбіна. Виконавши роботу з обертання одного диска, пара дещо охолоджується і спрямовується на лопаті наступних дисків. Цей процес повторюється доти, доки пара охолодиться до температури близько 100 °C.

Промислові парові турбіни є тепловими двигунами великої потужності й використовуються на теплових та атомних електростанціях.

Крім електростанцій, парові турбіни можуть приводити в рух гвинти великих надводних морських суден та підводних човнів.

На відміну від парових, у газових турбінах ротор обертається під тиском гарячої газової суміші, яка утворюється внаслідок згорання рідкого палива в самій турбіні. Її конструкція є простішою, оскільки відбувається спрощений процес перетворення внутрішньої енергії газу в механічну енергію рухомого ротора турбіни. Це дає змогу не використовувати котел, в якому утворюється пара високої температури при нагріванні води.

Сучасні газові турбіни розвивають потужність близько 150 МВт.

Мал. 68. Схема дії парової турбіни

Мал. 69. Потужна промислова багатоступінчата турбіна виробництва «Турбоатом»

Мал. 70. Пам’ятник паровій турбіні в м. Харкові

Вони використовуються в газотурбінних силових генераторах теплових електростанцій, двигунах, що встановлюються на літаках.

Одне з найбільших у світі турбінобудівних підприємств «Турбоатом» розташоване в м. Харкові (мал. 69). Підприємство спеціалізується на виробництві парових турбін для теплових й атомних електростанцій, гідравлічних турбін для гідроелектростанцій і гідроакумулюючих електростанцій, газових турбін для теплових електростанцій.

Підбиваємо підсумки

- До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та ін.

1. Які види двигунів внутрішнього згорання ви знаєте?

2. Назвіть процеси, що відбуваються в чотиритактному двигуні внутрішнього згорання.

3. Які бувають турбіни? Що покладено в основу дії парової турбіни? Де використовують турбіни?

4. Які переваги мають газові турбіни порівняно з паровими?

ПОЯСНІТЬ

1. У потужних двигунах внутрішнього згорання використовують водяне охолодження, а не повітряне. Чому?

2. Чому промислові парові турбіни роблять багатоступінчатими?


Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити