5 690 перегляд(ів)

Урок-семінар-конференція Види теплових двигунів. Екологічні проблеми використання теплових машин

Мета: ознайомити учнів з історією виникнення парової машини, з конструкцією та принципом роботи двигуна внутрішнього згорання, дизельного двигуна, парової турбіни; формувати уявлення учнів про еколо­гічні наслідки використання теплових машин та шляхи їх усунення; розвивати екологічну свідо­мість, розвивати пізнавальний інтерес учнів, уміння висловлюватися.

Основні поняття: теплова машина, тепловий двигун, двигун внутрішнього згорання, турбіна, ККД, забруд­нення навколишнього середовища.

Обладнання: пробка, спиця, пір’їни, вода, мо­дель ДВЗ, модель турбіни.

Тип уроку: засвоєння нових знань, плакати з висловленнями: «Природа — це книга, яку потрібно прочитати й правильно зрозуміти» (К. Калдебян), «Людина створює навколишнє середовище за своїм образом і подобою» (Е. Реклю), «Поганий той птах, який за­бруднює власне гніздо» (народне прислів’я).

Аэродромы, пирсы и перроны,

Леса без птиц и земли без воды.

Все меньше окружающей природы,

Все больше окружающей среды.

Р. Рождественський

Хід уроку

I. Розминка

Обговорення вислову Р. Рождественського

II. Мотивація навчальної діяльності

Проведення експерименту

Насадити корок на спицю. На корку зробити шість дірочок шилом або гострим кінцем ножиць по колу. У дірочки встромити пташині пір’їни. Найкраще взяти гусячі або качині, бо вони не про­мокають. Підставити лопаті утвореної турбіни під струмінь води з крана.

Ви побачили модель роботи турбіни. Які ви зна­єте види турбін? (Водяні, парові та газові.) Турбі­на – від слова «турбо», що означає «вихор».

Чи є парова турбіна (лопаті обертаються за рахунок не води, пари) прикладом теплового дви­гуна? Доведіть це.

На сьогоднішньому уроці ми ознайомимося з різними видами теплових двигунів та екологічними наслідками цих двигунів.

III. Основний зміст уроку

Першим механічним двигуном, що знайшов практичне застосування, була парова машина. Спочатку вона призначалася для використання в заводському виробництві, але пізніше паро­вий двигун стали встановлювати на самохідних машинах – паровозах, пароплавах, автомобілях і тракторах.

Аж до другої половини XVIII ст. люди вико­ристовували для потреб виробництва в основному водяні двигуни. Оскільки передавати механічний рух від водяного колеса, на великі відстані немож­ливо, усі фабрики доводилося будувати на берегах рік, що не завжди було зручно. Крім того, для ефективної роботи такого двигуна часто потрібні були дорогі підготовчі роботи (пристрій ставків, будівництво гребель тощо). Були у водяних коліс і інші недоліки: вони мали малу потужність, їх робота залежала від пори року. Поступово гостро постала потреба у принципово новому двигуні: могутньому, дешевому, автономному і доступному у використанні. Саме таким двигуном на ціле сто­річчя стала для людини парова машина.

Ідея парового двигуна була частково підказана його винахідникам конструкцією поршневого во­дяного насоса, що був відомий ще з часів антич­ності. Принцип його роботи був дуже простий: при підйомі поршня вгору вода засмоктувалася в циліндр через клапан у його дні. Бічний клапан, що з’єднував циліндр із водопідйомною трубою, у цей час був закритий, тому що вода з труби також прагнула ввійти всередину циліндра і тим самим закривала цей клапан. При опусканні поршня він починав тиснути на воду в циліндрі, завдяки чому закривався нижній клапан і відкривався бічний. У цей час вода з циліндра піднімалася вгору по во­допідйомній трубі. У поршневому насосі зовнішня робота витрачалася на просування рідини через циліндр насоса.

Лише на межі XVII-XVIII ст. вдалося знайти спосіб виконувати корисну роботу за допомогою пари. Пара пускала в хід насос, що качав воду в резервуар. Випливаючи з резервуара і падаючи на водяне колесо, вода змушувала його обертатися. Водяне колесо, у свою чергу, надавало руху завод­ським механізмам і машинам. Таким чином, і після винаходу парового насоса безпосереднім двигу­ном робочих машин залишалося водяне колесо. Минуло ще чимало часу, перш ніж допитливий людський розум створив надійний двигун, здат­ний безпосередньо задіяти різноманітні машини і механізми. Минуло понад два сторіччя, перш ніж з’явився двигун, що став однією з передумов появи нового виду бойових машин –танків.

Давайте послуха­ємо учнів, які підготували повідомлення до семі­нару-конференції.

1. Історія побудови теплових машин

А) Парова машина Сейвери.

Вперше спробували поставити пару на службу людині в Англії в 1698 p.: машина Сейвери була призначена для осушення шахт і перекачування води. Сам винахідник назвав її «вогненною маши­ною» і широко розрекламував як «друга шахтарів». Для отримання пари, що приводила машину в дію, був потрібний вогонь, але винахід Сейвери ще не був двигуном у повному розумінні цього слова, оскільки крім декількох клапанів, що відкривали­ся і закривалися вручну, в ньому не було рухомих частин.

Машина Сейвери працювала так: спочатку герметичний резервуар наповнювався паром, по­тім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася крижаною водою, потім пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода – наприклад, із дна шахти – засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пари викидалася назовні че­рез випускну. Потім цикл повторювався, але воду можна було піднімати тільки з глибини менш ніж 10,36 м, оскільки насправді її виштовхував атмо­сферний тиск.

Б) Парова машина Дені Попена.

Перша вдала парова машина з поршнем була побудована французом Дені Попеном, чиє ім’я частіше асоціюється з винаходом автоклава, який є сьогодні практично в кожному будинку у вигляді каструлі-скороварки.

У 1674 р. Попен побудував пороховий двигун, принцип дії якого грунтувався на запаленні в циліндрі пороху і переміщенні поршня всередині циліндра під впливом порохових газів. Коли над­лишок газів виходив із циліндра через спеціальний клапан, а газ, що залишився, охолоджувався, у ци­ліндрі створювався частковий вакуум, і поршень повертався у вихідне положення під дією атмосфер­ного тиску.

Машина була не дуже вдалою, але вона навела Попена на думку замінити порох водою. І в 1698 р. він побудував парову машину (у тому ж році свою «вогненну машину» побудував і англієць Сейвери). Вода нагрівалася всередині вертикального цилінд­ра, що містив поршень, і пара, що утворилася, штовхала поршень угору. Коли пара охолоджува­лася і конденсувалася, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. Таким чином, за допомо­гою системи блоків парова машина Попена могла пускати в хід різні механізми, наприклад, насоси.

В) Томас Ньюкомен і його парова машина.

Почувши про парову машину Попена, Томас Ньюкомен, що часто бував на шахтах у Вест Кантрі, де він працював ковалем, і краще, ніж будь-хто, розумів, як потрібні гарні насоси для запобігання затопленню шахт, об’єднав зусилля з водопровідником і склярем Джоном Каллі в спробі побудувати більш досконалу модель.

Їх перша парова машина була встановлена на вугільній шахті в Стаффордширі в 1712 р. Як і в машині Попена, поршень рухався у вертикальному циліндрі, але в цілому машина Ньюкомена була значно досконалішою. Щоб ліквідувати проміжок між циліндром і поршнем, Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск і налив на нього небагато води. Пара з казана надходила в піддон циліндра і піднімала поршень угору. Але при вприскуванні в циліндр холодної води пара конденсувалася, в циліндрі утворювався вакуум, і під дією атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з’єднаного з коромислом, що рухалося на зразок гойдалок, піднімав угору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, у циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку, чи насоса на коромислі поршень піднімався у вихідне положення. Після цього цикл повторювався.

Машина Ньюкомена виявилася вдалою і ви­користовувалася у всій Європі понад 50 років. У 1740 р. машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, що бригади з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували за тиждень.

Г) Велика машина Джона Сміта.

У 1775 р. велика машина, що була побудована Джоном Смітом (творцем Едцістоунського маяка), за два тижні осушила сухий док у Кронштадті (Росія). Раніше з використанням високих вітряків на це потрібно було затратити цілий рік. Проте ма­шина Сміта була далекою від досконалості. Вона перетворювала на механічну енергію усього лише 1 % теплової енергії і, як наслідок, використовува­ла величезну кількість палива, що, утім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах. У цілому машини Сміта зіграли величезну роль у збереженні вугільної промисло­вості: з їхньою допомогою удалося відновити ви­добуток вугілля в багатьох затоплених шахтах.

Д) Парова машина Ползунова.

Проект першої у світі парової машини, здат­ної безпосередньо запускати в роботу будь-які робочі механізми, запропонував 25 квітня 1763 р. російський винахідник І. І. Ползунов, механік на Коливано-Воскресінських гірничорудних заводах Алтаю.

Проект потрапив на стіл до керівника заводу, що схвалив його і відіслав у Петербург, відкіля не­забаром прийшла відповідь: «Цей його вимисел за новий винахід почесть повинна». Парова машина Ползунова одержала визнання. Ползунов пропо­нував побудувати спочатку невелику машину, на якій можна було б виявити й усунути всі недоліки, неминучі в новому винаході. Заводське начальство з цим не погодилося і вирішило будувати одразу величезну машину для могутньої повітродувки. Будівництво машини доручили Ползунову, на до­помогу якому були виділені «не знаючі, але тільки схильні до того» двоє місцевих майстрів та ще декілька підсобних робітників. З цим «штатом» Ползунов приступив до будівництва своєї машини. Будували вони її рік і дев’ять місяців. Коли машина вже пройшла перше випробування, винахідник за­недужав швидкоплинною сухотою і за кілька днів до завершальних іспитів помер.

Машина Ползунова мала два циліндри з порш­нями. Штоки поршнів були з’єднані ланцюгом, перекинутим через шків. Рух шківа передавався стержням, що за допомогою «долонь» пересували серпоподібний маятник.

Маятник був з’єднаний зубчастими коліщат­ками з механізмом, який керував кранами, що здійснювали змінний пуск пари і холодної води в циліндри. Коли, наприклад, у циліндр подавалася пара і поршень піднімався, то в другий циліндр впорскувалася холодна вода і другий поршень опускався. У такий спосіб машина Ползунова пра­цювала безупинно і всі дії в ній проходили авто­матично.

23 травня 1766 р. учні Ползунова Левзін і Черніцин почали останні випробування парової машини. У «Денній записці» від 4 липня було від­значено: «Справна машинна дія», а 7 серпня 1766 р. вся установка – парова машина і могутня повітро­дувка – була здана в експлуатацію.

Усього за три місяці роботи машина Ползунова не тільки виправдала усі витрати на її будівництво в сумі 7233 карбованців 55 копійок, але і дала чистий прибуток у 12640 карбованців 28 копійок. 10 листопада 1766 р. казан почав текти, і машина зупинилася. Незважаючи на те, що цю несправ­ність можна було легко усунути, заводське началь­ство, не зацікавлене в механізації, закрило витвір Ползунова. Протягом наступних тридцяти років машина не працювала, а в 1779 р. тодішні упра­вителі алтайських заводів віддали розпорядження машину розібрати і фабрику розламати.

2. Джеймс Ватт. Універсальна парова машина подвійної дії

Приблизно в цей же час в Англії над створенням парової машини працював шотландець Джеймс Ватт. Починаючи з 1763 р. він займався удоскона­ленням малоефективної пароатмосферної машини Ньюкомена, яка була придатна тільки для пере­качування води. Він розумів, що основний недолік машини Ньюкомена полягав у змінному нагріванні й охолодженні циліндра. Як же уникнути цього? Відповідь прийшла до Уатта недільним весняним днем 1765 р. Він зрозумів, що циліндр може постій­но залишатися гарячим, якщо до конденсації відво­дити пару в окремий резервуар через трубопровід із клапаном. Більш того, циліндр може залишатися гарячим, а конденсор – холодним, якщо зовні їх покрити теплоізоляційним матеріалом.

Крім того, Ватт зробив ще кілька удосконалень, які остаточно перетворили пароатмосферну ма­шину на парову. У 1768 р. він подав прохання про патент на свій винахід. Патент він одержав, але побудувати парову машину йому довго не вдава­лося. І тільки в 1776 р. парова машина Ватта була, нарешті, побудована й успішно пройшла іспит. Вона виявилася вдвічі ефективнішою, ніж машина Ньюкомена.

У 1782 р. Ватт створив нову чудову машину – першу універсальну парову машину подвійної дії. Кришку циліндра він обладнав винайденим неза­довго до того сальником, що забезпечував вільний рух штока поршня, але запобігав витоку пари з циліндра. Пара надходила в циліндр то з однієї сторони поршня, то з іншої. Тому поршень і при зворотному ході працював за рахунок пари, чого не було в колишніх машинах. Оскільки в паровій ма­шині подвійної дії шток поршня працював так, що тягне і приводить у дію, колишню приводну систе­му з ланцюгів і коромисла, що реагувала тільки на тягу, довелося переробити. Ватт розробив систему зв’язаних тяг і застосував планетарний механізм для перетворення зворотно-поступального руху штока поршня в обертальний рух, використовуючи важкий маховик, відцентровий регулятор швидкос­ті, дисковий клапан і манометр для вимірювання тиску пари.

Запатентована Ваттом «ротативна парова машина» спочатку широко застосовувалася для приведення в дію машин і верстатів прядильних і ткацьких фабрик, а пізніше й інших промислових підприємств. Таким чином, парова машина Ватта стала винаходом століття, що поклала початок про­мислової революції. У 1785 р. одна з перших машин Ватта була встановлена в Лондоні на пивоварному заводі Семюела Уітбреда для  розмелювання соло­ду. Машина виконувала роботу замість 24 коней. Діаметр її циліндра становив 63 см, робочий хід поршня складав 1,83 м, а діаметр маховика сягав 4,27 м. Машина збереглася до наших днів, і сьо­годні її можна побачити в дії в сиднейському музеї «Пауерхауз». Двигун Ватта був придатним для будь-якої машини, і цим скористалися винахідни­ки самохідних механізмів.

3. Двигун Стірлінга

Двигун Стірлінга – теплова машина, що працює не тільки від спалювання палива, а й від будь-якого джерела тепла, наприклад, сонячних променів. Відноситься до двигунів зовнішнього згоряння. Двигун Стірлінга був уперше запатен­тований шотландським священиком Робертом Стірлінгом 27 вересня 1816 р. Однак перші еле­ментарні «двигуни гарячого повітря» були відомі ще наприкінці XVII ст., задовго до Стірлінга. Досягненням Стірлінга є додавання очисника, який він назвав «економ». У сучасній науковій літературі цей очисник називається «регенератор» (теплообмінник). Він збільшує продуктивність двигуна, утримуючи тепло в теплій частині двигу­на, в той час як повітря охолоджується. Цей процес набагато підвищує ефективність системи. У 1843 р. Джеймс Стірлінг використовував цей двигун на заводі, де він працював інженером. У 1938 р. фірма «Філліпс» інвестувала в мотор Стірлінга потуж­ністю понад двохсот кінських сил і віддачею понад 30 %. Двигун Стірлінга мав багато переваг і був досить розповсюджений в епоху парових машин.

Чому двигуни Стірлінга так мало поширені?

Є декілька важливих характеристик, що роблять застосування двигунів Стірлінга не­практичним, включаючи використання в авто­мобілях. Те, що джерело тепла розташоване зов­ні, обумовлює повільне реагування двигуна на зміну теплового потоку, який підводиться до ци­ліндра. Потрібен час на те, щоб стінка циліндра нагрілася сильніше або охолола при зменшенні подачі тепла. А це означає, що двигун повинен якийсь час розігріватися перед тим, як він зможе почати робити роботу.

Потужність двигуна не може швидко змінюватися.

Ці недоліки значно ускладнюють застосування двигуна Стірлінга там, де зараз використовуються двигуни внутрішнього згоряння. Однак застосу­вання двигунів Стірлінга в гібридних автомобілях цілком можливо.

4. Двигун внутрішнього згорання

Двигун внутрішнього згорання – це тип дви­гуна, теплова машина, в якій хімічна енергія пали­ва (звичайно застосовується рідке або газоподібне вуглеводневе паливо), що згоряє в робочій зоні, перетвориться на механічну роботу.

Одним із найпоширеніших видів теплової ма­шини є двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), який нині широко використовується в різних транспорт­них засобах, зокрема в автомобілях.

Розглянемо принцип дії чотиритактного двигу­на внутрішнього згоряння. (Демонстрація моделі.) Основним його елементом є циліндр із поршнем, усередині якого відбувається згоряння палива (звідси походить назва двигуна). Як правило, їх декілька. Тому кажуть про дво-, чотири- чи восьмициліндрові двигуни. Перший такий двигун був побудований 1876 р. в Німеччині Н. Отто.

Циліндр має два отвори з клапанами – впуск­ним і випускним. Робота ДВЗ ґрунтується на чоти­рьох послідовних процесах – тактах, які весь час повторюються. Перший такт – це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається донизу.

Після того, як поршень досягне нижньої точки, всмоктування палива припиняється й обидва кла­пани закриваються. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, внаслідок чого її температура підвищу­ється. У верхній точці поршня суміш запалюється електричною іскрою від свічки. Вона миттєво спа­лахує й тисне на поршень. Сила тиску штовхає пор­шень донизу, відбувається третій такт – робочий хід, під час якого виконується робота. За допомо­гою шатунного механізму рух поршня передається колінчатому 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 згодом усе починається з пер­шого такту. Оскільки з чотирьох тактів ДВЗ лише один – робочий, двигун має інерційний меха­нізм – маховик. Він запасає енергію, за рахунок якої колінчастий вал обертається під час виконан­ня решти тактів.

5. Дизельний двигун

Дизельний двигун – другий за популярністю двигун для оснащення сучасних автомобілів. Хтось готує йому місце основного двигуна для ав­томобілів уже в недалекому майбутньому, а хтось говорить, що дизель застарів. Проте заводи продов­жують випускати дизельні двигуни мільйонами по всьому світу, а прийдешня паливна криза при­мушує швидше вирішувати проблему палива для особистого і суспільного транспорту. Подивимося, чи є її рішенням дизельний двигун.

Історичні факти

Першим, хто придумав двигун із запалюванням від стиснення, став Е. Стюарт. Йому було цікаво вивчити двигун, що може працювати без свічок за­палення. У двигуні Стюарта повітря стискалося і, стиснуте, впускалося в камеру. Там уже додавалося паливо. На жаль, Стюарт не здогадався перевірити, наскільки ефективний такий двигун.

Розвиваючи теорію «економічного теплового двигуна», в 1890 р. Рудольф Дизель запропонував двигун, значно ефективніший за рахунок високого ступеня стиснення.

У одній книзі пропонували як паливо викорис­товувати вугільний пил, але в житті це виявилося неможливим – пилу притаманні абразивні влас­тивості і його треба якось подавати в циліндри. В результаті в двигуні вирішили використовувати важкі фракції, що залишаються після перегонки нафти. Так у 1897 р. Дизель запатентував конструк­цію двигуна, яка була названа на його честь.

Ідея нового двигуна була хорошою, але треба уприскувати паливо в циліндри, а з мазутом і ін­шими важкими сортами палива звичним насосом не обійдешся. Велика вага компресора, необхідного для вприскування палива, і низькі робочі обороти обмежили застосування нового виду двигунів тими областями, де вага великого значення не мала – наземні станції і двигуни для суден.

У 20-і роки за дизельний двигун узялися сер­йозно. Роберт Бош удосконалив паливний насос високого тиску (ПНВТ), який для дизеля означав відмову від громіздкого і галасливого повітряного компресора і можливість збільшити робочі оборо­ти. З 1927 р. компанія Bosch GmbH почала випус­кати механічні ПНВТ для дизельних двигунів, але, на жаль… На батьківщині пророка так і не почули. Навіть на танки німці продовжували ставити вог­ненебезпечні і ненажерливі бензинові двигуни.

Лише в п’ятдесяті роки дизельний двигун зайняв місце під капотами вантажівок. Після кризи 1973 р. дизелем зацікавилися і виробники легковичків. У наш час головним виробником і споживачем ди­зельних машин залишається Європа. Американці все ніяк не розлучаться з думкою про дешевий бензин, тому навіть на великі пікапи і джипи про­довжують ставити багатолітрових монстрів.

Технічні подробиці

Конструкція дизельного двигуна майже не від­різняється від бензинового: і там, і там є поршні, циліндри, клапани. Але система запалення у ди­зельних двигунах відсутня у принципі. Замість звичної іскри паливна суміш спалахує від високої температури стиснутого повітря. Розглянемо робо­ту дизельного двигуна.

1-й такт. Поршень опускається вниз, до нижньої точки свого ходу, в циліндр надходить свіже пові­тря через клапан впускання.

2-й такт. Поршень піднімається вгору, і повітря в циліндрі стискається у декілька разів, нагріваю­чись при цьому до 700-800 °С.

 

3-й такт. Щойно поршень досягає верхньої точки, в циліндр уприскується паливо. Воно заго­рається. Повітряна суміш розширяється, поршень опускається донизу.

4-й такт. Поршень опускається донизу, гази ви­ходять через відкритий клапан випуску.

 

Займання палива в циліндрі супроводжується різким стрибком тиску усередині циліндра, тому робота двигуна супроводжується шумом і вібра­ціями. Також для безпеки дизельний двигун ви­готовляють набагато міцнішим, ніж бензиновий. А міцнішим, значить, важчим.

Система живлення дизельного двигуна також відмінна від системи живлення бензинового. Перш за все, вона набагато складніша. Паливо до каме­ри згорання треба подавати під великим тиском, при чому дуже невелику кількість. Управління двигуном здійснюється електронним блоком, який управляє паливним насосом, форсунками, керу­ючись даними датчиків. Відповідно така схема живлення значно підвищує ціну двигуна.

Переваги дизеля

Найголовнішою перевагою є використання де­шевого палива! Коли різниця в ціні між ДП і АІ-98 становить 20 %, економити починають навіть влас­ники дорогих машин. У дизеля ККД 36 % і вище. Бензиновий побратим вимушений задовольнятися 25 %, а це означає, що дизель витратить палива менше, ніж бензиновий двигун.

Дизельний двигун порівняно з бензиновим такого ж об’єму відрізняється значно вищим обертальним моментом. Це особливо важливо для легких фургонів і універсалів. А на вантажівки ін­ших двигунів і не ставлять. Великий обертальний момент допомагає в місті: в «пробках» можна їхати на холостих оборотах.

Недоліки дизеля

Головний недолік: дизель дорогий. Причому як у виготовленні (це через великі навантажен­ня), так і в обслуговуванні. А дорожнеча викли­кається неекологічністю вихлопу і необхідністю підганяти цей вихлоп у жорсткі рамки міжна­родних угод.

У дизельного двигуна паливо загорається від температури стиснутого повітря. В результаті воно не встигає перемішатися з повітрям і при згоранні утворюються речовини, які забруд­нюють атмосферу. Особливо помітна сажа, що забарвлює вихлоп у чорний колір. І якщо з вугле­воднями може боротися каталізатор, то кількість сажі у вихлопі регулює спеціальний фільтр сажі, розташований між вихлопним колектором і ката­лізатором. У потоці вихлопних газів фільтр нагрівається, і сажа догорає. Періодично доводить­ся допалити сажу, що залишилася, і по команді блоку управління в кінці робочого ходу темпе­ратура газів піднімається за рахунок спалювання додаткової кількості палива.

Через неоднорідність хімічного складу ви­хлопних газів каталізатор також має складний пристрій.

Тепер про проблеми, пов’язані з паливом. Як відомо, дизельне паливо буває двох видів – літнє і зимове. Розрізняються вони температурою загустіння. Коли паливо замерзає, його відмовляється штовхати насос, і все… Ви стоїте на узбіччі і не можете завести двигун. Від цього рятує підігрів паливних шлангів (для вантажівок – і паливного бака). Бензин же не замерзає.

ПНВТ дизельного мотора – украй примхлива штука. Оскільки він працює за високого тиску, потрапляння в паливо води для нього смертель­но небезпечне. Отже, необхідний водовіддільник. Дрібні частинки бруду також здатні зіпсувати на­сос – за паливною горловиною потрібен фільтр. Для наших умов необхідні два фільтри, у нас дуже брудне дизельне паливо, не всі фірми по­ставляють машини з такими моторами до нас. Така складність систем і призводить до значної ціни дизеля – іноді різниця з бензиновим двигу­ном доходить до 4000 євро.

Вібрації і шум до останнього моменту були невід’ємними від слова «дизель». З ними борються, вкутуючи моторний відсік рулонами ізоляції, врівно­важуючи моменти і калібруючи блоки управління.

Так чому?

Чому ж дизельні двигуни досі популярні?

По-перше, «там» стежать за екологією, і влас­никам екологічних машин установлені знижки на страховку й інші податки.

По-друге, при заправці якісним паливом і регу­лярному відході дизельний двигун здатний відпра­цювати з півмільйона кілометрів без капремонту. А це вже пряма вигода.

По-третє, дизельний двигун із турбонадувом цілком може виконувати роль «полум’яного сер­ця». Це і використовують багато фірм.

Отже, ще не вирішили, брати машину з дизель­ним двигуном чи ні? Для цього треба проїхати за її кермом хоча б пару десятків кілометрів і зрозуміти, подобається вона вам чи ні. Тим більше, ніяких по­даткових пільг і знижок на страхуванні у нас поки все одно не передбачається…

6. Парова турбіна

Парова турбіна – це один із прикладів парових теплових двигунів. У парових двигунах енергія, яка виділяється під час згорання палива, витрача­ється на утворення водяної пари та на її нагрівання, а вже потім нагріта пара, розширюючись, виконує роботу. Парова турбіна використовує не потенці­альну енергію, а кінетичну енергію пари.

Спроби створити парову турбіну тривали дуже довго. Відомий опис примітивної парової турбі­ни, зроблений Героном Олександрійським (І ст. до н. е.). Але тільки в кінці XIX ст., коли машинобудівництво і металургія досягли достатнього рівня, К. Г. П. Лаваль (Швеція) та Ч. А. Парсонс (Великобританія) незалежно один від одного у 1884-89 pp. створили промислово придатні парові турбіни.

Парова турбіна виявилася дуже зручною для приводу ротативних механізмів (генератори елек­тричного струму, насоси) та судових гвинтів; вона виявилася дуже легкою, швидкісною та економіч­ною. Парова турбіна дуже швидко розвивалася: як у напрямку поліпшення економічності та під­вищення потужності, так і в напрямку створення спеціалізованих парових турбін різного напрямку.

Неможливість отримати велику агрегатну по­тужність і дуже велика частота обертання одноступеневої парової турбіни Лаваля (до 30000 об/хв для перших зразків) призвели до того, що вона збе­регла своє значення тільки для приводу допоміж­них механізмів. Розвиток турбін дав можливість збільшити потужність, зберігши достатню частоту обертання.

Реактивна парова турбіна Парсонса деякий час застосовувалася (зокрема на військових кораблях), але поступово поступилася місцем більш розви­нутим турбінам.

Розглянемо принцип дії найпростішої парової турбіни. (Демонстрація моделі.) Струмінь пари, вихоплюючись із сопла, спрямовується на лопаті, закріплені на диску, який у свою чергу нерухомо закріплений на валу турбіни. Під дією пари диск турбіни, а, отже, і вал обертаються, тобто пара ви­конує роботу.

У сучасних турбінах застосовують не один, а кілька дисків із лопатями, закріпленими на спіль­ному валу. Пара послідовно проходить через лопаті всіх дисків, віддаючи кожному з них частину своєї енергії. Диски можуть поєднуватися в групи, які розміщують в окремих камерах. Такі багатоступін­часті турбіни дуже потужні, їх обертання плавне і рівномірне.

Відпрацьовану на турбінах гарячу пароводяну суміш використовують для виконання окремих виробничих потреб, опалення житлових приміщень, охолоджують і повертають у парові котли для на­ступного утворення робочої пари.

 

Вступне слово вчителя:

Здавалося, що буде так завжди —

Зелене листя і блакитне небо,

І чистота джерельної води —

Всього доволі, стільки, скільки треба.

Здавалось людям, що ось так весь час

Земля ділитись щедро буде з ними

Всім тим, що відкладала про запас —

Скарбами невичерпними своїми.

Та час минає, все ясніш стає:

Робити треба висновки належні.

Земля свої багатства віддає,

Вони ж, хоч і великі, не безмежні.

І треба вірні нам шляхи знайти,

Щоб те, що є у людства, зберегти.

Ми живемо на дні блакитного повітряного оке­ану Землі — її атмосфери. Земля — це наш дім. А який він? Французький географ Елізе Реклю дуже влучно сказав: «Людина створює навко­лишнє середовище за своїм образом і подобою». Тобто ми маємо те навколишнє середовище, яке заслужили.

Небачено активна й здебільшого непродумана діяльність людини, супроводжувана знищенням природних ресурсів і забрудненням навколиш­нього середовища, призвела до того, що нині біосфера планети перебуває в критичному стані, коли до глобальної катастрофи залишилися ліче­ні кроки.

Виникли екологічні проблеми не сьогодні й не вчора. Як свідчать стародавні літописи, ще близь­ко 4 тис. років тому вавілонський цар Хаммураті, а пізніше — китайські й монгольські імператори та європейські монархи вже дбали про збере­ження природи й видавали накази про охорону лісів, трав’яного покриву степів, водних джерел. Українська козацька старшина, незважаючи на надзвичайне багатство нашої природи тих часів, теж уболівала за збереження довкілля й видавала ряд наказів і документів про охорону придніпров­ських лісів і лук, заборону спалювання лісів, бра­коньєрства, хижацького знищення звірів та риби.

Із розвитком цивілізації та науково-технічного прогресу, бурхливим зростанням кількості насе­лення на Землі, обсягів виробництва та його відхо­дів проблеми стосунків між природою та суспіль­ством дедалі загострюються. Страшною дійсністю стали голод, отруєні річки та моря, задушливе шкідливе повітря у великих промислових центрах, знищені ліси, сотні зниклих видів тварин і рослин, загроза кліматичних аномалій, ерозія та майже по­вне виснаження грунтів у аграрних районах.

Екологічна криза грізно нависла над усім сві­том, вона вже «схопила нас за горло». «Екологічна бомба» уповільненої дії, яку ми, всі країни і наро­ди, посилено начиняємо «вибухівкою» із відходів виробничої діяльності, здатна спустошити наш спільний дім — планету Земля, перетворити її на безлюдну пустелю.

Наше покоління практично в усіх куточках планети безсоромно грабує в коморах природи те, що належить дітям і онукам.

Ліквідація глобальної екологічної кризи є на сьо­годні найважливішим завданням людства. Ми – люди початку XXI ст. – цілком неочікувано для себе раптом опинились у подвійній ролі – свідків і винуватців катастрофічних змін у навколишньо­му середовищі. Ми бачимо це, розуміємо, що це дуже серйозно, але чому ж тоді не припиняється цей страшний «марафон», що неминуче приведе людство до загибелі?

Насамперед, хочеться дізнатися, який саме не­гативний вплив теплових двигунів використання людиною? Які викиди в атмосферу?

Відповісти на це запитання просимо представ­ника хіміко-біологічної лабораторії.

Представник хіміко-біологічної лабораторії

Для спалювання палива в теплових машинах витрачається велика кількість кисню. На згоряння різноманітного палива витрачається від 15 % до 30 % кисню, який виробляється зеленими рослинами. Теплові машини викидають в атмосферу еквіва­лентні кількості оксиду карбону (СО2). Згоряння палива в топках промислових підприємств і теплових електростанцій майже ніколи не буває повним, тому відбувається забруднення повітря золою, пластівцями сажі. Енергетичні установки викидають в атмосферу щорічно 230-290 млн м3 золи і близько 60 млн м3 оксиду сірки (SO2). Окрім того, при спалюванні нафти, вугілля, газу в повітря щорічно викидається:

400 млн т оксиду вуглецю;

250 млн т сполук хлору, фтору, найтоншого пилу, аерозолів;

метали: свинець, ртуть, ванадій, нікель, радіо­активні елементи;

70 млн т сполук свинцю.

Середній вміст свинцю в бензині складає 0,4 г/л, при спалюванні ж його в двигунах 75 % його кіль­кості потрапляє у повітря. Підраховано, що навіть на території невеликої держави Австрія сумарні викиди свинцю від автомобільного транспорту та лакофарбної промисловості складає 20 тис. т на рік.

Були проведені дослідження вздовж доріг Харківської області. Відомо, що на віддалі 100 м обабіч доріг уміст свинцю в ґрунті та рослинах перевищує норму в 8-17 разів, а кадмію, нікелю, міді, цинку – в 2-3 рази. Ці зони зовсім непри­датні для випасу худоби та заготівлі сіна, посадки плодово-ягідних культур. Тому вживання в їжу плодів та ягід, зібраних уздовж автотрас, звичайно, неприпустиме.

Продукти неповного згоряння, що потрапили в атмосферу, вступають у хімічні реакції з водяною парою, що міститься у повітрі й у вигляді мікро­скопічних крапельок розчинів кислот переносять­ся на сотні і тисячі кілометрів. На поверхню Землі випадають так звані кислотні дощі. Звичайна дощова вода повинна мати рН – 5,6…5,7. Але вже десятки років із причин забруднення атмосфери над Північною Америкою і Європою випадають дощі з умістом кислоти в десятки, сотні і навіть у тисячі разів більше. За вмістом кислотні дощі іноді відповідають оцту.

Учитель. Як кислотні дощі впливають на рос­линний та тваринний світ?

Біолог. У ході еволюції живі організми при­стосувалися до фізичного й хімічного середовища і можуть існувати тільки в певному інтервалі рН. Зміна рН викликає біологічну перебудову водних систем. Коли рН знижується до 6,5…6,0, гинуть за­витки і молюски. При рН 6,0…5,0 гинуть найбільш чутливі планктонні організми, деякі види риби.

Кислотні дощі завдають величезної шкоди не тільки водоймищам, а й грунтам, лісам. Вони не­гативно впливають на рослинний та тваринний світ, прискорюють корозію металів, руйнують будівлі з мармуру та вапняку, окислюють ґрунти та водойми. У Німеччині кількість лісів, уражених кислотними дощами, досягла     40 %, а місцями на­віть 70 %.

Еколог. Речовини, які забруднюють атмосфе­ру, особливо вуглекислий газ, накопичуються в атмосфері, значно збільшуючи тепло сонячного випромінювання. Таке протиприродне підви­щення температури може призвести до серйозних кліматичних змін, таких як танення льодовиків, значне підвищення рівня води у Світовому океані, підвищення його температури.

Учитель. Які факти підтверджують згубний вплив підвищення температури води в світовому океані на живі організми?

Біолог. Яскравим прикладом цього може бути такий науковий факт. По всій Землі коралові рифи стали раптом «вибілюватись», оскільки потепління океанської води завдало незвичного стресу тендіт­ним організмам, що за нормальних умов живуть в оболонці корала і надають рифу його природного забарвлення. Оскільки ці організми, прозвані «зукс», покидають мембрану корала, сам корал стає прозорим і дозволяє просвічуватися білому вапняковому скелету – звідси його «вибілений» вигляд. Раніше «вибілювання» фактично завжди було випадковим і тимчасовим явищем, але за останні кілька років учені були вражені раптовим і повсюдним поширенням випадків «вибілювання» по всьому світу, внаслідок чого щораз більше кора­лових рифів так і не відновлюються.

Еколог. Рівень вуглекислого газу продовжує підвищуватись, а разом з цим підвищується і тем­пература. Вчені прогнозують, що глобальне поте­пління підніме температуру в полярних регіонах значно вище, аніж деінде.

Учитель. Які можуть бути наслідки?

Географ. З потеплінням полярного повітря крига тут тоншатиме, а оскільки полярна шапка матиме чи не вирішальний вплив на погоду в глобальному масштабі, наслідки її танення можуть бути згубни­ми. Одна команда американських учених доповіла про кардинальні зміни в характері розподілу льоду в Арктиці, а інша озвучила поки що неостаточне твердження, що в цілому північна полярна шапка лише за останнє десятиліття потоншала на 2 %.

Глобальне потепління – це також стратегічна загроза. Концентрація вуглекислого газу та інших теплопоглинаючих молекул, що значною мірою потрапляють у оточуюче середовище через вико­ристання теплових двигунів, з часу Другої світової війни зросла майже на 25 % і створила всесвітню загрозу здатності Землі регулювати кількість со­нячного тепла, що утримується в атмосфері. Таке збільшення тепла серйозно загрожує рівновазі глобального клімату, що визначає режим вітрів, кількість опадів, поверхневі температури, океан­ські течії та рівень моря. А це, у свою чергу, ви­значає розподіл рослинного та тваринного світів на суходолі та в морі та справляє суттєвий вплив на розміщення і структуру людського суспільства.

Дві найвідоміші кризи – глобальне потепління та зменшення озонового шару в стратосфері – підсилюють одна одну і так чи інакше пов’язані з використанням теплових двигунів та фреону. Глобальне потепління призводить до збільшення кількості водяної пари в атмосфері і поглинання нижньою її частиною інфрачервоних променів, яке у протилежному випадку випромінювалося б назад у космос, пройшовши через стратосферу. Унаслідок цього стратосфера охолоджується, тоді як нижня частина атмосфери нагрівається. Холодніша стра­тосфера з більшою кількістю водяної пари означає більшу кількість кристаликів льоду в озоновому шарі, особливо у полярних регіонах, де хлорфторвуглеці змішуються з озоном у присутності льоду і таким чином швидко зменшують концентрацію озону. Що тонший озоновий шар, то більше ультра­фіолетові промені бомбардують поверхню Землі й усі організми, що живуть на ній. Ультрафіолетове випромінювання вражає рослини, які за нормаль­них умов поглинають велику кількість СО2 за­вдяки фотосинтезу, і, схоже, серйозно руйнує їхню здатність до цього. Коли рослини поглинають менше СО2, то цього газу стає в атмосфері більше, а це спричинює ще більше глобальне потепління і все більше охолодження стратосфери.

Внаслідок величезного накопичення газу мета­ну в атмосфері над великими містами з’являються «фосфоресцентні хмари». Метан ще називають природним газом; він виділяється зі сміттєзвалищ, вугільних копалень, унаслідок неповного згоряння вугілля та від інших різноманітних видів людської діяльності. Навіть якщо фосфоресцентні хмари спостерігалися і раніше, уся ця надлишкова кіль­кість метану несе велику кількість водяної пари у верхні шари атмосфери, де вона конденсується на значно більшій висоті та утворює ще більше хмар. При цьому ми знову ж таки збільшуємо загрозу глобального потепління, оскільки метан – один із парникових газів, що накопичуються найшвидше, третій після вуглекислого газу та водяної пари у загальному об’ємі газів, що змінюють хімічний склад атмосфери.

Еколог. Збільшення кількості хлору в атмосфе­рі на 600 % за останні сорок років мало місце не лише у країнах-виробниках хлорфторвуглеців, а й також у повітрі над кожною країною, над Антарктикою, над Північним полюсом і Тихим океаном. Зростання концентрації хлору підриває глобальний процес, яким Земля регулює кількість сонячного ультрафіолетового випромінювання, що може пройти крізь атмосферу до поверхні. Якщо дозволити концентрації хлору і далі зростати, то дози випромінювання також підвищуватимуть­ся – до межі, коли всі рослини і тварини опинять­ся перед новою загрозою вимирання.

Хоча й інші хімічні речовини зробили свій вне­сок у кризу, що пов’язана із виснаженням озону, все ж основна шкода завдана хлорфторвуглецями. Той факт, що хлорфторвуглеці вже встигли завда­ти масштабного удару глобальній атмосфері, хоча виробляються менше між 60 років, має спонукати людство замислитися на тим, скільки хімічних сполук з-поміж тих двадцяти тисяч, які щороку винаходяться у світі, можуть, за умов їх масового виробництва, спричинити інші суттєві зміни у довкіллі. Дуже мало з них перед застосуванням усебічно випробують на предмет їх впливу на дов­кілля.

Учитель. Що може сказати про вплив машин на літосферу представник Міської ради нашого міста?

Представник Міської ради. Висвітлюючи питання про вплив машин на літосферу, треба сказати, що, крім забруднення грунту органічним пальним, до складу якого входять дуже шкідливі для мешканців верхнього шару землі речовини, розвиток автотранспорту пов’язаний також зі збільшенням земельних ділянок, необхідних для стоянок. Досить сказати, що для розміщення легко­вого автомобіля потрібна ділянка розміром 25 м2, а мотоцикла – 3 м2.

Світовий парк легкових та вантажних автомо­білів, включаючи також автобуси та інше, складає на даний час 700 млн одиниць. Але за прогнозами вчених, найближчим часом кількість автомобілів перевищить один мільярд. Усе більшу кількість пере­везень здійснює повітряний транспорт: щорічно послугами літаків користується 800 млн чоловік.

Учитель. Якої шкоди довкіллю завдають літаки?

Еколог. Літаки працюють за рахунок викорис­тання теплових двигунів і також завдають шкоди. Один літак «Боїнг» за одну годину польоту спалює 16 т гасу, а при зльоті він витрачає 7,8 т. При кож­ному старті літак викидає в атмосферу до 100 кг оксиду вуглецю та 50 кг оксиду азоту. За трансат­лантичний переліт «Боїнг» витрачає 35 т кисню. Повітряний транспорт споживає 14 % світового виробництва палива. Особливо небезпечно те, що продукти спалювання авіаційного палива потрап­ляють у верхні шари атмосфери. Сюди завдяки літакам щорічно потрапляє до 200 тис. т сірчистого газу та 1,5 млн т оксидів азоту. Це також приско­рює руйнування озонового шару, яке відбувається під впливом фреонів.

Учитель. Як завдають шкоди довкіллю підпри­ємства?

Еколог. Насамперед атмосферне повітря за­бруднюють металургійні підприємства. Відходи, наприклад, однієї мартенівської печі, що викида­ються за 1 год у повітря, містять до півтонни заліза, на нікелевих заводах труби електроплавильних цехів викидають гази, що складаються на  з металів.

Крім того, промислові підприємства дають колосальну кількість відходів. Якщо вони розта­шовані на березі водойм, то відходи, як правило, скидають у воду. У тому випадку, коли не вжива­ють заходів щодо вторинного використання сиро­вини (відходів) і не ставлять спеціальних захисних пристроїв, що знешкоджують їх, це призводить до сумних наслідків: у водоймах гине риба, вода силь­но забруднюється й стає непридатною для пиття й життя. В одній із західноєвропейських річок вона настільки була насиченою хімікатами, що в ній удалося проявити експоновану фотопластинку.

Учитель. Як впливає забруднення довкілля на здоров’я людини?

Лікар. Забруднення природного середовища шкідливими речовинами в першу чергу впливає на здоров’я людини, спричиняє збільшення за­хворювань серцево-судинної системи, утворення злоякісних пухлин, захворювання крові. Ось деякі цифри про захворюваність на 10000 осіб по Білоцерківському району:

•    захворювання серцево-судинної системи — 874 особи;

•    захворювання   на   злоякісні   пухлини  — 40 осіб;

•    захворювання крові — 17 осіб.

Загалом негативний вплив на природу мають три напрямки:

1. Хімічне забруднення повітря і води.

2. Теплове забруднення атмосфери і водоймищ.

3.  Руйнування ґрунтів у зв’язку з добуванням палива й утилізацією шлаків.

Учитель. Давайте коротко і лаконічно визна­чимо проблеми застосування теплових машин (за­писати на дошці):

•    забруднення повітря;

•    забруднення грунту;

•    зникнення певних видів тварин;

•    парниковий ефект;

•    збільшення кількості хвороб;

•    збільшення земельних ділянок, необхідних для стоянок.

Учитель. Усі вищенаведені дані свідчать про те, що використання теплових двигунів чинить украй негативний вплив на оточуюче середовище. Через наявність шкідливих речовин у повітрі, воді, грунті хворіють люди, потерпає прекрасний світ рослин і тварин. Негативні зміни у навколишньому середовищі можуть привести людство до глобаль­ної катастрофи, відгуки якої ми можемо відчувати вже зараз. Людина відповідає за цей світ, за збере­ження у ньому гармонії і краси, а тому необхідним, на нашу думку, є пошук шляхів покращення світо­вої екології.

«Поганий той птах, який забруднює власне гніздо», — говорить народне прислів’я. Та невже усе людство та кожен із нас починає уподібнюва­тися такому птахові? Ні!

Еколог. Негативні зміни в екології, пов’язані з використанням теплових двигунів, уже давно при­вернули увагу вчених усього світу. Роботи ведуть­ся у чотирьох напрямках:

1. Для більш повного згоряння палива в горючу суміш двигунів внутрішнього згоряння додають водень.

2. Для кращого очищення вихлопних і палив­них газів застосовують спеціальні фільтри, при­садки до палива, а також спеціальну обробку газів перед їх викидом в атмосферу.

3. Пошуки нового, більш чистого виду палива. Широко використовується в якості палива попе­редньо очищений природний газ, а також спирти.

4. Ведуться великі дослідницькі роботи по створенню водневого та сонячного двигунів.

Учитель. Давайте розглянемо ці напрямки до­кладніше і надамо слово нашим гостям.

Представник компанії «Дженерал Моторе». Один із засобів запобігти забрудненню атмосфери вихлопами бензинових двигунів – перехід на електричну тягу. До недавнього часу електромо­білі були тихохідні, а заряду батарей їм вистачало лише на коротку відстань. Але нещодавно ком­панія «Джененрал Моторе» випустила електро­мобіль «Імпект». Це автомобіль обтічної форми з двома потужними електродвигунами, по одному на кожне переднє колесо. Він розганяється від 0 до 100 км/год за 8 с, як спортивний автомобіль, і роз­виває швидкість до 160 км/год. Його акумулятори заряджаються від електростанцій, що спалюють паливо. Виходить, що хоча сама машина і не ви­кидає шкідливих газів, але це робить електро­станція. Але електродвигуни можна заряджати вночі, використовуючи залишки електроенергії.

Якби більшість машин у Нью-Йорку працювало на електроенергії і підзаряджало акумулятори вночі, електростанції не довелося б спалювати більше па­лива. Якщо електромобілі, схожі на «Імпект», по­ширяться, то лічильники на автостоянках можуть бути переобладнані на зарядні пристрої.

У майбутньому автомобілі, можливо, пере­йдуть на сонячну енергію і зовсім перестануть забруднювати атмосферу шкідливими газами. «Санрейсер» («Сонячний автомобіль») фірми «Дженерал Моторе» брав участь у змаганнях подібних машин в Австралії. Сонячні панелі на даху «Санрейсера» дають електричну енергію. В електродвигуні машини знаходиться спеціаль­ний магніт. «Сонцемобіль» має дуже незвичайну форму. Вона дозволяє максимально покращити його аеродинамічні властивості. Змагання прово­дилися на трасі довжиною в 3138 км між Дарвіном і Аделаїдою. Першим на фініші був «Санрейсер».

Перехід на електромобілі затримується внас­лідок малої ємності і великої маси акумуляторів, «сонячні» ж автомобілі ще занадто дорогі, ще дов­го вдосконалюватимуться.

Представник BMW. Вихлопні гази – не єди­на проблема. Виготовлення автомобілів потребує багато енергії та сировини. Для збереження при­родних ресурсів потрібно ширше використову­вати вторинну сировину. До 2000 р. в одній лише Німеччині на звалищах нагромадилося 2,8 млн автомобілів. Зараз виробники автомобілів намага­ються уникнути втрати такої величезної кількості цінної сировини. У BMW є завод для переробки старих автомобілів. Автомобіль «BMW – серія 3» має багато пластмасових деталей, які в майбутньо­му можуть дати матеріал для нових автомобілів.

Інженер-механік. Виявивши, що автомобілі дуже забруднюють атмосферу, ми спробували зменшити кількість шкідливих газів у автомо­більних вихлопах, нам вдалося створити вставку у вихлопну трубу, що допалює більшість шкід­ливих газів. Цей прилад назвали каталітичним конвертором. Забруднення атмосфери автомобілем скорочується на 90 %. У США всі нові автомобілі випускаються тільки з каталітичними конверто­рами. Каталітичний конвертор не має рухомих частин і не потребує технічного обслуговування. Каталітичний конвертор схожий на бджолині соти, загальна поверхня котрих дорівнює площі двох футбольних полів. Він розміщений у ящику з нержавіючої сталі розміром 30 х 23 см. Вихлопні гази, проходячи через комірки конвертора, вступають у хімічні реакції з його «начинкою», що робить більшість отруйних речовин менш шкідливими. Але хімічні речовини, що містяться в конверторі, руйнуються свинцем. Через це всі автомобілі, які обладнані цим приладом, не можна заправляти етилованим бензином.

Хімік. В етилований бензин додають сполуки свинцю, щоб двигун працював більш злагодже­но. Але із двигуна свинець потрапляє у вихлоп і разом з ним викидається в повітря, яким ми дихаємо. Свинець отруйний, він може негативно впливати на мозок, тому це небезпечний забруд­нювач. Найбільше від нього страждають мешканці великих міст, особливо діти. В наші дні уряди багатьох країн світу закликають автомобілістів використовувати бензин без свинцевих добавок. У майбутньому я пропоную взагалі не додавати свинець у бензин. Це допоможе зменшити свинце­ве забруднення.

Інженер-конструктор. Заміна бензину та ін­ших подібних видів пального на кисень та водень — один зі шляхів поліпшення стану навколишнього середовища. Внаслідок цього заміщення викиди складатимуться з абсолютно нешкідливої водяної пари. Вже кілька років літає літак ТУ-154, один із двигунів якого працює на такому «пальному май­бутнього», накопичуючи цінний досвід.

Іншим шляхом для вирішення проблеми, яким нехтують, є виготовлення з сучасних легких і дуже міцних матеріалів веломобілів. Саме ці ма­теріали дали змогу виготовити «педальний» літак і пролетіти на ньому більше 100 км без посадки, облетіти навколо Землі на чудернацькому літаку «Вояджер» (США) з однією заправкою пальним. На нашу думку, слід використовувати такі мате­ріали для виготовлення автомобілів масою 20- 30 кг, які можна буде легко розганяти педалями до швидкості в кілька десятків кілометрів за годину, і лише для поїздок на великі відстані застосовувати теплові двигуни.

Як не дивно, ще одним шляхом для подолання проблеми забруднення довкілля є економія елек­троенергії.

Підвищення потужності і економічності, зни­ження токсичності і шуму – проблеми, над якими працюють спеціалісти. У двигуні В. М. Ушуля кожний циліндр складається з двох циліндрів. Унаслідок цього затягується процес згоряння па­лива. Витрати палива цього двигуна на 30 % мен­ші ніж звичайного. Відпрацьовані гази не містять шкідливих для організму речовин. Такий двигун нам потрібен.

Представник металургійного підприємства. Щоб повітря над промисловими районами й міста­ми стало чистіше, на фабриках і заводах ставлять очисні пристрої, що обробляють газо-димові від­ходи перед їхнім випуском у повітряний басейн. Конструкції цих пристроїв різні, в основу більшос­ті з них покладено фізичні закономірності. Існують акустичні фільтри – забруднене повітря проходить у камеру з ультразвуковим генератором. Під дією коливань часточки диму злипаються в грудочки и осідають. Є відцентрові, електростатичні, магнітні фільтри.

Еколог. З точки зору охорони навколишнього середовища дизельний двигун має переваги перед карбюраторним двигуном. Він економічніший на 20-30 %. Для виробництва дизельного палива потрібно в 2,5 рази менше енергії, ніж для вироб­ництва бензину. У вихлопних газах дизельного двигуна майже немає шкідливих газів, оскільки паливо згоряє майже повністю. Крім того, при згорянні дизельне паливо виділяє на 11 % більше енергії, ніж бензин. Треба звернути увагу на те, що при правильно відрегульованому двигуні викиди шкідливих речовин у атмосферу зменшуються у 3-5 разів. До того ж, правильне регулювання кар­бюратора дає змогу економити паливо.

Заключне слово вчителя. Очевидно, що вико­ристання теплових двигунів відкриває перед люд­ством фантастичні можливості. Ми запускаємо в космос ракети, створюємо швидкісні автомобілі, наше небо розсікають надшвидкі літаки, в світі працює величезна кількість ТЕЦ, що забезпечу­ють нас електроенергією, а які, здавалося б, пер­спективи відкриває нам майбутнє! Але, як кажуть екологи: «Не можна досягти лише чогось одного». Це дійсно так.

Використання теплових двигунів привело люд­ство до глобальної екологічної кризи. Звичайно, ця криза спричинена дією сукупності негативних чинників людської діяльності, але чи не найбільша роль у її появі належить використанню теплових машин.

Глобальне потепління і руйнування озонового шару – ось дві величезні проблеми, спричинені використанням теплових двигунів, від вирішення чи невирішення яких залежить саме існування людства на Землі.

Окрім того, завдяки людській діяльності потер­пає прекрасний світ живої природи, забруднюють­ся чисті водойми, псуються ґрунти, атмосфера стає «звалищем» шкідливих речовин.

І це все не пусті слова! Людина забула те, чого не мала забувати, а саме те, що вона є невід’ємною частиною природи, яка залежить від стану всього оточуючого світу. Природа обійдеться без нас, а ось чи обійдемося ми без неї? Нам потрібне свіже чисте повітря, кришталево чисті водойми, нам по­трібні квіти і тварини! Тому, не бажаючи звертати увагу на страждання оточуючого світу, ми ігнору­ємо власні страждання і загибель.

Над вирішенням проблеми, пов’язаної з ви­користанням ТД, працюють учені всього світу. Робота ведеться в чотирьох основних напрямках: дослідницькі роботи по створенню нових видів двигунів, пошуки нового більш чистого виду пального, розробка фільтрів і конвертерів для зменшення шкідливих речовин у вихлопі ДВЗ, до­давання певних хімічних речовин у паливо для ТД для більш повного згоряння.

На нашу думку, саме фізика допоможе у винай­денні нових видів двигунів, використанні перспек­тивних джерел енергії і взагалі в розробці нових методів покращення стану довкілля.

Звичайно, наукові дослідження – справа вче­них, але не слід забувати, що за світ відповідає кожна людина. Саме від нашого ставлення до себе, нашої турботи про близьких, про природу зале­жить глобальний стан екології. Ми сподіваємося, що наша робота стала хорошим внеском у загальну справу покращення екологічної ситуації.

Ми маємо зберегти цей світ таким само пре­красним і неповторним для себе і для своїх дітей…

ІV. Домашнє завдання

1. § 50 (підручник В. Сиротюк).

2. Підготувати реферати: «Історія народження автомобіля», «Перспективи застосування двигу­нів Стірлінга» (матеріали наведено у додатку).


Додаток

Історія народження автомобіля

Сьогодні важко знайти людину, яка б не знала, що таке автомобіль і яка його користь у повсякденному житті. Але так було не завжди.

У давні часи на подолання відстані між містами витрачали декілька днів, тижнів, а інколи й місяці. Без машин навіть будівництво відбувалося роками, бо людині не вистачало власної фізичної сили. В ті далекі часи людині допомагали приручені тварини (коні, воли та ін.), але і їх мускульну силу не можна порівнювати з потужністю машин.

З часом людина відкрила можливості вітру та води й успішно користувалася ними протягом багатьох сторіч, поки не навчилася створювати машини.

Ще у 150 р. до н. є. Герон Олександрійський мріяв створити новий засіб пересування й заміни­ти кінську силу силою пари. Але тільки у XVII ст. були проведені перші досліди з парою, яку нама­галися використовувати у засобах пересування – паровий візок Ньютона, паровик Фербиста.

У 1769 р. французький військовий інженер Ніколя Жозеф Кюньо створив паровий візок, яким можна було перевозити вантаж понад 3,5 т. Це був перший неповороткий, величезний паровий авто­мобіль із важким керуванням, випробування якого відбулося на дорозі. Кермом візка доводилося по­вертати не лише переднє колесо, а й важкий паро­вий котел, що був з’єднаний із ним.

З часом з’являються парові самохідні тран­спортні машини в різних країнах – Великобрита­нії, Італії, Франції, Австрії, Німеччині. Але парова машина мала серйозні недоліки, бо була складною в експлуатації, неекономічною. Крім того, нерідко внаслідок несправностей котли машин вибухали, наче бомби. І все ж вони завойовували популяр­ність, ставали більш досконалими і досягали найвищого розвитку наприкінці XIX ст. з появою «Реверанса».

«Реверанс» — парова машина Амеде Болле.

Майже усі транспортні засоби того часу мали вигляд звичайної карети, яку замість коней при­мушував рухатися паровий двигун.

Наприкінці XVIII ст. поряд із паровими двигу­нами з’являються двигуни внутрішнього згорання (ДВЗ), електро- та газові двигуни.

Принцип дії ДВЗ ґрунтується на винаході Алессандро Вольта (у 1777 р. він створив пістолет). Цей принцип полягав у тому, що замість пороху за допомогою електричної іскри вибухала суміш кам’яновугільного газу з повітрям.

У 1807 р. швейцарець Ісаак де Рівц використав принцип Вольта у своєму двигуні, який устано­вив на свій автомобіль. Це був лише перший крок до винаходу сучасного двигуна внутрішнього згораня.

У 1873 р. німецький електротехнік Гефнер-Альтенек створив конструкцію електричної маши­ни – генератора, який можна було перетворити на свою протилежність – електричний двигун.

Зусиллями французьких, російських та аме­риканських інженерів електродвигуни ставали потужнішими, компактнішими. Саме тому вони стали поступово витісняти парові машини. Але й ці двигуни мали суттєвий недолік. Вони залежали від джерела живлення. Це обмежувало їх викорис­тання на транспортних машинах.

Першими винахідниками автомобіля вважа­ються Карл Бенц та Готліб Даймлер.

Батько Карла був паровозним машиністом. На той час це була одна з найпрестижніших та найромантичніших професій. Тому в дитинстві Карл мріяв продовжити справу батька.

З часом, ставши інженером і працюючи на па­ровозобудівному заводі, перестав цікавитися пере­суванням по рельсах і захопився проектуванням паромобіля для пересування вулицями міста. Але й тут на нього чекало розчарування. Незабаром у Карла з’являється нове захоплення: велосипед, який на той час був справжньою дивовижею (до речі, велосипед того часу мав дерев’яну раму та дерев’яні колеса).

У 1871 р. двадцятисемирічний Карл Бенц відкри­ває майстерню зі створення та ремонту ДВЗ, яка через 12 років перетворилася на солідну фірму «Бенц і К», яка випускала ДВЗ різного призначення.

Та Бенца не залишала мрія створити самохідний апарат. Проте двигуни, які випускало його підпри­ємство, не підходили для задуманої машини. Вони були важкі, складні та неекономічні. І Бенц почи­нає пошуки вирішення цієї пррблеми.

Як не прикро, але допоміг йому нещасний ви­падок, що стався в одному з цехів. Це був вибух, причиною якого став бензин. Невелика ємність із бензином знаходилася на відстані 6 м від відкрито­го полум’я. Пара бензину спалахнула, а енергія ви­буху була такою потужною, що загинуло декілька людей.

Саме цей випадок навів Бенца на думку вико­ристовувати бензин для ДВЗ. Окрім того, що Карл робить більш досконалий, простий та економічний двигун, він замислюється над тим, яким повинен бути екіпаж майбутньої машини.

У 1885 р. Карл Бенц побудував чотиритактний бензиновий одноциліндровий двигун з іскровим запалюванням. Влітку цього ж року він установ­лює свій двигун на триколісну самохідну машину з двома задніми ведучими і одним керованим перед­нім колесами. Важкість керування чотириколісним апаратом змушує Карла прийняти триколісну схе­му. Але тільки у 1886 р. Карл Бенц отримав патент на свою самохідну машину.

Шлях Готліба Даймлера відрізнявся від діяль­ності Бенца, який усе майстрував власними рука­ми. Готліб не працював за станком і навіть не вмів тримати в руках напилка. Проте він був чудовим інженером. Кожний проект своєї конструкції він ретельно розраховував, потім робив креслення. Вузли за його кресленнями не треба було покра­щувати.

Готліб Даймлер починав свою трудову діяль­ність на машинобудівному заводі. Працюючи на цьому підприємстві, він отримує не тільки корисні технічні знання, а й великий практичний досвід. Тут він знайомиться з особливостями роботи парової машини і вперше замислюється над ідеєю створення власного двигуна.

З 1872 р. Даймлер працює на підприємстві, яке належало відомим на той час винахідникам Н. Отто та Е. Лангену, спочатку на посаді інже­нера, а потім технічного директора. Даймлер до­бивається призначення свого друга й соратника В. Майбаха на посаду керівника конструкторсько­го бюро. Разом вони починають творчо працювати над створенням двигунів, які можна було б ви­користовувати стаціонарно (на станках) і на тран­спортних засобах.

У 1885 р. Даймлер та Майбах створюють ве­лосипед із двигуном – прототип майбутнього мотоцикла. В основному проект цього двигуна створений В. Май-бахом, а патент 29 серпня 1885 р. був виданий Даймлеру.

10 жовтня 1885 р. відбувся перший виїзд на створеному мотоциклі. Головним випробувачем мотоцикла був Майбах і тільки інколи старший син Даймлера – Пауль.

Швидкість мотоцикла під час випробувань ста­новила 18 км/год.

Під час випробувань Даймлер та Майбах ви­явили недоліки деяких механізмів, але загалом вони досягли непоганих результатів. Проте вони не продовжують роботу над удосконаленням цієї конструкції, оскільки створення мотоцикла не було їхньою метою. Це було лише практичне ви­пробування транспортного двигуна внутрішнього згорання, лише трамплін для створення двигуна для чотириколісного транспорту.

До того Даймлера не турбувала ідея створення конструкції самого транспортного засобу, його цікавив лише ДВЗ. Ідея винаходу автомобіля на­родилася майже випадково. На початку 1886 р. він пообіцяв своїй дружині покатати її по місту у двигуновому екіпажі, який він зробить на честь дня її народження (29.04.1886 p.).

Даймлер замовляє фабриці «В. Вімпф і син» міцний, легкий екіпаж відкритого типу. Та фабри­ка затримала виконання замовлення, і апробуван­ня самохідного екіпажу відбулося тільки восени 1886 р.

Так народився безкінний екіпаж Даймлера.

Багато конструкторів-винахідників прагнули створити конструкцію автомобіля. 416 конструкто­рів претендувало на звання першого винахідника.

Так, французи Е. Делямар-Дебутевіль і Л. Маладен у 1884 р. оформили патент на створення автомобі­ля, вони побудували і навіть провели його випро­бування. Але далі діло не посувалося. Австрієць 3. Маркус створив автомобіль, але не оформив належним чином патент на авторське право. Збе­реглися незапатентовані конструкції автомобіля А. Хаммеля та X. Юхансена (1886 p.).

Тому першими визнаними в усьому світі вина­хідниками автомобіля вважаються німці Карл Бенц та Готліб Даймлер, які виявили рідкісну наполегли­вість та цілеспрямованість у досягненні мети.

Головне їх досягнення полягає в тому, що вони свій винахід перетворили на товар, зробили його значимим для людей. Тому 1886 р. вважається ро­ком не тільки появи першого автомобіля в світі, а й народженням автомобільної промисловості!

Перспективи застосування двигунів Стірлінга

Виняткова властивість двигунів Стірлінга, що дозволяє застосовувати нетрадиційні види палива, наприклад, біогаз, вугілля і навіть відходи дерево­обробної промисловості, а також використання будь-яких інших видів енергії робить їх особливо привабливими з огляду використання енергії з по­новлюваних джерел.

Саме потреба в переході на поновлювані джере­ла енергії сприяє розвитку невибагливих двигунів Стірлінга в багатьох країнах. Так в Індії, напри­клад, двигуни Стірлінга широко застосовують на рисових плантаціях для приводу верстатів, при­значених для очищення рису від лушпиння. І саме це лушпиння є паливом для двигунів Стірлінга.

Надзвичайно вигідним є застосування стаціо­нарних двигунів Стірлінга як силових установок у місцевостях із термо-геодезичними аномаліями, наприклад, гейзерами. Постійним джерелом те­плоти є гейзер, а холодильником – навколишнє повітря. Маємо безвідходне виробництво енергії.

Використання на автомобілях двигунів Стірлінга не набуло поширення через значну його пи­тому вагу на одиницю потужності, а також через складність системи управління двигуном у швид­козмінних експлуатаційних режимах. Хоча їх і застосовують у складі комбінованих енергетичних установок як утилізатори теплоти викидів ДВЗ.

А от на таких транспортних засобах як яхти, атомні підводні човни, космічні кораблі двигуни Стірлінга застосовують доволі широко. Оскільки в цьому випадку вага і габарити двигуна не є ви­рішальними факторами, саме надійність визначає його роль як ідеального кандидата для пере­творення теплової енергії на механічну. Завдяки тому, що двигун Стірлінга практично не потребує технічного обслуговування і регулювання, його можна розміщувати в ізольованій частині корпусу, що важливо у випадку ускладненого доступу (на підводних човнах або космічних кораблях). На­приклад, NASA (National Aeronautics and Space Administration – Національна адміністрація аеронавтики і космонавтики США) впритул займається розробкою і вдосконаленням двигунів Стірлінга, успішно впроваджує їх у космічних апаратах, про­те детальна інформація про такі розробки не роз­повсюджується.

Отже, розвиток науки і техніки зумовив утво­рення нових екологічно чистих двигунів, де з успі­хом може застосовуватися двигун Стірлінга, який живиться сонячною енергією за допомогою сонячної енергетичної установки.

Досить високий ККД, про­стота і надійність конструкції двигуна Стірлінга зумовлюють ефективність його використання в та­ких системах. Сонячне світло фокусується увігну­тими дзеркалами для розігріву двигуна (як джерело тепла). Холодильником може бути навколишнє ат­мосферне повітря. Маємо екологічно чисте джерело енергії, таке необхідне в сучасному світі.

Можливе також застосування зворотного циклу Стірлінга. Якщо приводити двигун Стірлінга в рух яким-небудь зовнішнім пристроєм, тоді «гарячий» циліндр охолоджуватиметься, а «холодний» – розігріватиметься. Якщо при цьому підігрівати «гарячий» циліндр, наприклад, навколишнім по­вітрям, то «холодний» циліндр розігріватиметься до вищої температури. При цьому зовнішня енер­гія витрачається не безпосередньо на розігрів, а на «перекачування» тепла з холодного місця у тепліше, що значно ефективніше. Тобто двигун Стірлінга функціонує в режимі теплового насосу і виробляє тепло для цільового використання.

Кріокулер  Стірлінга також працює за принци­пом теплового насосу, але застосовується як хо­лодильна установка для отримання дуже низьких температур. У широких масштабах їх почали ви­готовляти вже 15-20 років тому – переважно для використання у військовій техніці: на танках і літа­ках необхідно було встановлювати високочутливі датчики і приймачі, охолоджувані до температур

-200 °С. Для такого охолодження і було розроблено кріокулери, робота яких грунтується на зворотно­му циклі Стірлінга.

Загалом і сучасна напівпровідникова електро­ніка підійшла у своєму розвитку до межі, зумов­леної фізичними законами. Подальше підвищення характеристик вимагає переходу до елементів, охолоджуваних до температур -100°…-200 °С. На світових конференціях з електроніки найперспективнішим на сьогодні визнано використання саме кріокулерів Стірлінга. Моделі кріокулерів невеликої потужності випускаються дрібними серіями і коштують $ 10000…15000. За умови переходу до великосерійного виробництва очікується, що ціни на них зменшаться у кілька разів, що зробить їх ви­користання комерційно рентабельним, спочатку в найвідповідальніших системах – таких, як файл-сервери і великі комп’ютери, а в перспективі й у побутових комп’ютерах.

Однією з нетрадиційних галузей застосування двигуна Стірлінга є медицина. Його застосовують у системах штучного серця. Джерелом енергії в таких системах, як правило, є радіоізотопи.

Окрім згаданих доволі екзотичних галузей застосування двигунів Стірлінга, вже зараз є при­йнятним їх упровадження у когенераційних уста­новках.

Когенераційні установки призначені для най­повнішого використання енергії, яка вивільняється під час згорання палива. Частина цієї енергії пере­творюється на електроенергію, решта—на теплову, яка використовується для задоволення побутових потреб. Тобто двигун продукує електроенергію, а теплота з його системи охолодження, змащування та випускної системи утилізується і забезпечує га­ряче водопостачання, опалення приміщень тощо. Завдяки спільному продукуванню електричної та теплової енергії в когенераційних установках за­безпечується значна економія палива – до 30 %.

Сучасна світова енергетика розвивається в на­прямку децентралізації енергопостачання, що сприяє створенню автономних когенераційних установок.

У США та країнах Європи, насамперед Німеччи­ні, вже розпочато серійне виробництво невеликих теплоелектричних установок із двигуном Стірлінга, наприклад, для потреб однієї сім’ї. Електрична по­тужність установки становить 2…9 кВт, теплова – 8.. .24 кВт. Загальний ККД установки сягає 92.. .94 % завдяки тому, що теплоту, яку не використано в двигуні, утилізовано в системі побутового тепло­постачання. Паливом для такого двигуна Стірлінга є природний газ. Наприкінці 2001 р. було виготов­лено двигун, паливом для якого є відходи дерево­обробної промисловості. Тепер триває розробка двигуна, паливом для якого стане біогаз.

Оскільки когенераційні установки з двигунами Стірлінга можуть мати невелику потужність і за­стосовують їх переважно у приватних будинках, то виробники очікують, що принаймні у Німеч­чині попит на них сягатиме 50 000 установок на рік. На 2002 р. вартість однієї такої установки становила $ 24 000. З подальшим зростанням по­питу також очікують зменшення вартості такої установки. Запаси традиційних нафтових палив стрімко скорочуються: газ, бензин, дизельне пали­во дорожчає. Тому застосування альтернативних джерел енергії є не просто перспективним, а єдино можливим способом виживання людства. В роз­винених країнах активно впроваджують альтер­нативну енергетику. Зокрема, Швеція до 2020 р. планує повністю відмовитися від нафтових різно­видів палив.

І Україна, зважаючи на скрутне становище великої енергетики, «газові війни» тощо, повинна шукати нетрадиційні шляхи енергозабезпечення. Час від часу в новинах з’являються повідомлен­ня про те, що, наприклад, на Одещині два брати змайстрували біогазову установку і вдало її за­стосовують у господарстві; фермер з-під Львова забезпечує всі господарчі потреби власноруч змон­тованою біогазовою котельнею; у селі Оленівка Дніпропетровської області свиноферму обладнали біогазовою установкою – енергії вистачає на освіт­лення усього села, а відходи виробництва біогазу є найкращим природним добривом.

Саме для таких когенераційних установок, зо­крема на біогазі, двигун Стергінга є дуже вдалим рішенням. Його невибагливість до якості палива є його значною перевагою, порівняно з традиційни­ми двигунами внутрішнього згорання.

Усі наведені приклади застосування двигуна Стірлінга реальні і практично реалізовані. Проте досі двигуни із зовнішнім підведенням теплоти не набули поширення, можливо, через стереотип­ність мислення чи інертність промислового ви­робництва. Але сучасний світ змінюється, зміню­ються і пріоритети розвитку техніки. Тому цілком можливо, що невдовзі двигун Стірлінга прийде майже в кожен будинок як тепловий двигун, еле­мент системи опалення або складова домашнього комп’ютера.

Icon of Uroku 8 (63) Uroku 8 (63) (55.1 KiB)
Скачав конспект! Скачай презентацію-->
загрузка...

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *