ŠILUMINIAI VARIKLIAI Vilniaus „Varpo“ SG Andrius Vilkevičius IIIB kl. Mokytoja Irena Šauklienė Konkursas ,,Fizikos bandymai aplink mus 2017”

Turinys Varikliai Turinys Šiluminiai varikliai Variklių išradėjai Vidaus degimo varikliai Keturtakčio vidaus degimo variklio veikimas ir schema Naudingumo koeficientas Uždaviniai Garo ir dujų mašinos Bandymas Garo mašinos veikimo principas Garo ir dujų turbinos istorija Reaktyvieji varikliai Panaudojimas Ekologinės problemos Testas Šaltiniai Turinys

Kažkada žmogus galėjo pasiliauti tik savo raumenų energija Kažkada žmogus galėjo pasiliauti tik savo raumenų energija. Energijai perduoti, pakeisti sugalvota daug paprasčiausių mechanizmų. Ir palyginti neseniai pradėta plačiai naudoti naftos, anglių, gamtinių dujų energijos atsargas. Išmokus minėtų medžiagų vidinę energiją paversti mechanine, sukurti šiluminiai varikliai.

Varikliai Variklis (dar motoras) – įrenginys, keičiantis kokios nors rūšies energiją į mechaninį darbą. Mechaniniuose varikliuose darbą dažniausiai atlieka sukdamasis rotorius, slankiodamas stūmoklis ar išmetamas iš reaktyvinės tūtos darbo kūnas Skirstomi į: Pirminius – verčiančius gamtinę energiją į mechaninį darbą (Pvz.: garo mašina, vėjo malūnas, hidraulinė turbina) Antrinius – verčiančius pirminio variklio transformuotą energiją į mechaninį darbą (Pvz.: elektros variklis, pneumatinis variklis)

Šiluminiai varikliai Šiluminis variklis – mašina, kurioje vidinė kuro energija paverčiama mechanine. Populiariausi šiluminiai varikliai : Vidaus degimo varikliai (dyzeliniai, benzininiai); Garo mašinos; Garo ir dujų turbinos. Iš visų šiluminių variklių labiausiai paplitę vidaus degimo varikliai.

Variklių išradėjai Pirmasis vidaus degimo variklis buvo išrastas 1860 m. prancūzų išradėjo E.Lenuaro(1822-1900) Keturtaktis vidaus degimo variklis buvo išrastas 1876 m. vokiečių inžinieriaus N.A.Otto (1832-1891). Vidaus degimo variklis be alkūninio veleno (rotorinis) buvo išrastas 1957 m. vokiečio F. Vankelio. 1897 m. dyzelinį variklį išrado Rudolfas Dyzelis. Vidaus degimo varikliai plačiai pradėti naudoti automobiliams, lėktuvams.

Vidaus degimo varikliai Alkūninis velenas iš pradžių pasukamas starteriu ar rankena. Toliau velenas sukasi iš inercijos. Tris taktus judina stūmoklį, ketvirto takto metu stūmoklis perduoda energiją alkūniniam velenui. Vidaus degimo variklis – variklis, naudojantis energiją, išsiskiriančią iš uždarame degimo skyriuje degančio kuro. Dažniausiai vidaus degimo varikliai yra keturtakčiai.

Keturtakčio vidaus degimo variklio veikimas ir schema Pirmasis taktas – įsiurbimas. Antrasis taktas – suspaudimas. Sukantis velenui, stūmoklis iš viršutinio kraštutinio taško slenka žemyn, dujos cilindre praretėja, atsidaro įsiurbimo vožtuvas ir pro jį į cilindrą patenka degusis kuro ir oro mišinys. Kai stūmoklis pasiekia kraštutinį tašką, įsiurbimo vožtuvas užsidaro. Toliau sukdamasis alkūninis velenas ima kelti stūmoklį į viršų, ir šis spaudžia degųjį mišinį. Abu vožtuvai yra uždaryti. Kai stūmoklis vėl pasiekia kraštutinį viršutinį tašką, degusis mišinys užsidega (nuo žvakės kibirkšties benzininiuose varikliuose, nuo spaudžiamų dujų įkaiti dyzeliniuose varikliuose).

Trečiasis taktas – darbas (degimas). Ketvirtasis taktas – išmetimas. Mišinys uždegamas arba užsidega nuo didelio slėgio, galiausiai sudega. Degant labai padidėja susidariusių dujų slėgis. Jos spaudžia stūmoklį, ir dėl to jis slenka žemyn – atlieka darbą. Leisdamasis stūmoklis priverčia judėti švaistiklį, o šis – alkūninį veleną. Šio takto metu abu vožtuvai yra uždaryti. Stūmoklis nusileidžia iki apatinio kraštutinio taško, atsidaro išmetimo vožtuvas ir pro jį deginiai išmetami iš cilindro lauk, o stūmoklis kyla į viršų. Baigiantis šiam taktui, išmetimo vožtuvas užsidaro.

Naudingumo koeficientas Naudingumo koeficientas parodo atliktojo naudingojo mechaninio darbo ir suvartotos vidinės kuro energijos santykį. Vidaus degimo variklio naudingumo koeficientas būna iki 40%-50%. Šiluminio variklio , kai ir kiekvieno mechanizmo, naudingumo koeficientas visada yra mažesnis už vienetą. Naudingumo koeficientas matavimo vieneto neturi.

Maksimalus naudingumo koeficientas Šiluminis variklis – įrenginys, kuris vidinę energiją verčia darbu. Šiluminio variklio naudingumo koeficientas yra η = A /Q A- atliktas darbas, o Q – šiluminio varikliui suteiktas šilumos kiekis. Maksimalus naudingumo koeficientas gali būti η m a x = 1 − T 1 /T 2 T 1 - šiluminio variklio aušintuvo temperatūra. T 2 -darbinio kūno temperatūra. Paprastai darbinis kūnas yra dujos. Toks naudingumo koeficientas yra tik Karno cikle. Šildytuvas T1 Darbinis kuras A Aušintuvas T2

Uždaviniai: I.Primuso naudingumo koeficientas lygus 40%, kas minutė sudega 3 g žibalo. Per kiek laiko šiuo primusu galima sušildyti 1,5 l vandens nuo 100C iki virimo temperatūros. Sprendimas q( žibalo) =4.6 * 107 J/kg Per viena sekunde sudega 3/60=0.05g =0,00005kg Q=qm  Q=4.6. 107. 0.00005=2300 J N.k.= 40% =0.4  N.k.=An/Av;  An=N.k.*Av    An=0.4 .2300=920J Q=cm(t1-t) c= 4200 KJ/kg* 0C ;   m=1.5 kg Q=4200 * 1.5 *90=567000 J t=567000/920≈567 s≈10 min

Uždaviniai II. Kokiu vidutiniu greičiu važiuoja sunkvežimis, kurio variklis vysto 76,5 kW galią ir suvartoja 64 l benzino 120 km kelio? Variklio naudingumo koeficientas 32 % . Sprendimas Dalis sudeginto benzino energijos virto sukvežimio variklio mechaniniu darbu : η=A:Q;ηQ=A Šilumos kiekis, kuris išsikyrė degant benzinui Q=mq ; Sunkvežimio atliktas mechaninis darbas A=Ns/v; Balanso lygtis ηmq=Ns/v v=Ns:ηmq v=76,5 ·10 3 ∙12 ∙10 4 : 0,32 ·4,6 10 7 =14,4 m/s=51,8 km/h.

Garo ir dujų mašinos Garo mašina – tai šiluminis stūmoklinis variklis. Ugnis kaitina katile esantį vandenį kol jis pradeda virti. Garo turbina – šiluminis variklis, turintis sukamąjį darbo ratą. Ji be tarpinių grandžių (stūmoklio, švaistiklio) sukuria sukamąjį judėjimą. Elektrinėse šios turbinos sujungiamos su elektros srovės generatoriumi. Yra ir dujų turbinų, kuriose vietoj garo naudojami dujų degimo produktai.

Bandymas Garo turbinos veikimo principas. Įpilame į apvalią kolbą vandens, užkišame vamzdeliu ir vandenį kaitiname. Garai ima veržtis pro vamzdelį ir suks lengvą popierinį malūnėlį. Išvados: Garo turbina, tai Šiluminis variklis , kuris turi sukamąjį darbinį ratą ir vandens garų srauto energija paverčia mechanine energija .

Garo mašinos veikimo principas 1. Ugnis kaitina katile esantį vandenį kol jis pradeda virti. Atsiradęs garo slėgis, garotekiais (mėlyna spalva) pasiekia cilindrą. 2. Čia matome, kaip garas (mėlyna) patenka į kairę nuo stūmoklio pusę. Tuo pačiu jau atidirbęs garas (žalia) dešinėje? pro tam tikrą kiaurymę palieka cilindrą. Todėl garas spaudžia stūmoklį dešinėn.

3. Po to kai stūmoklis pasislenka dešinėn, vožtuvas uždaro garo patekimą i kairiąją cilindro pusę ir stūmoklis atsiduria "mirties taške". Nuo čia prasideda stūmoklio kelionė kairėn. 4. Atsidaro kiaurymė garui patekti dešinėn. Garas dabar spaudžia stūmoklį dešinėn. Kairėje esantis atidirbęs garas pasišalina per atsivėrusį išėjimą.

Garo mašinos istorija 1712 m. anglų kalvis Thomas Newcomenas (1663–1729) užpatentavo pirmąją garo mašiną. Škotų mechanikas Jamesas Wattas (1736–1819) patobulino Th.Newcomeno idėją ir 1769 m. užpatentavo naujo modelio žemo slėgio garo mašiną. J.Wattas apskaičiavo, kad jo garo mašina kasybos darbuose pakeičia 12 arklių. Būtent nuo to laiko technikoje paplito arklio galios vienetas. Vėliau J.Wattas nustatė, kad arklys į 1 m aukštį per 1 sekundę gali pakelti 75 kg krovinį. Taip buvo išmatuota arklio galia. Bet šis arklys buvo labai stiprus ir tokią galią galėjo demonstruoti labai trumpai. Vėlesni bandymai su kitais arkliais parodė, kad tikroji jų galia mažesnė.

Garo ir dujų turbinos istorija Jos veikimo principą dar I amžiuje aprašė Heronas Aleksandrietis, o 1629 m. – italų inžinierius ir architektas Giovanni Branca. Bet tik 1883 m. švedų inžinierius Carlas Gustafas de Lavalis (1845–1913) sukūrė pirmąją garo turbiną. Šiek tiek anksčiau – 1881-aisiais – turbinomis susidomėjo ir ėmėsi eksperimentų anglų inžinierius Charlesas Algernonas Parsonsas (1854–1931). Praėjus trejiems metams jis užpatentavo savo sukurtą reaktyviąją garo turbiną. Netrukus sukūrė generatorių, kuris garų kuriamą mechaninę energiją vertė elektros energija.

Reaktyvieji varikliai Reaktyvinis variklis (lot. Reactio – priešingas veiksmas, atoveikis) – vienas iš dujų turbininių variklių. Pagrindinės reaktyvinio variklio sudedamosios dalys: kompresorius, degimo kamera, turbina, reaktyvinė tūta. Pagrindinis dujų turbininiuose varikliuose naudojamas kuras - žibalas, tačiau pramoniniuose dujų turbininiuose varikliuose gali būti naudojamos dujos ar kitos skysto kuro rūšys. Raketos, reaktyviniai lėktuvai, kosminiai laivai - visa tai įvairūs skriejimo aparatai, varomi reaktyvinių variklių.

Reaktyviųjų variklių istorija Pirmieji skraidančiųjų aparatų su reaktyvine trauka projektai minimi tik 1835 metais. Tai buvo G.Rebensteino ir F.Mattiso projektai. Vokiečių aviakonstruktorius Ernst Heinkel 1922 metais Varnemiundėje įkūrė lėktuvų gamyklą, kuri veikė iki 1945 metų. 1937-ųjų balandžio 12 dieną, buvo stende paleistas ir sėkmingai išbandytas pirmasis pasaulyje turboreaktyvinis variklis. Pirmasis lėktuvas su turboreaktyviniu varikliu pakilo 1939 metų rugpjūčio 27 dieną, tai buvo „Heinkel He 178″ su H. von Ohaino turboreaktyviniu varikliu. Heinkel“ reaktyvinis variklis buvo jauno vokiečių mokslininko Pabst von Ohain kūrinys. 1903 m.broliai O.ir V.Raitai ( JAV ),įrengė sklandytuve 12 kW galios vidaus degimo stūmoklinį variklį, nuskrido pirmuosius 260 m. Europoje pirmasis 1906 m. Savo gamybos lėktuvu pakilo A.Santos-Diumontas ( Prancuzija ).

Panaudojimas

Ekologinės problemos Kasmet į žemę išmetama tūkstančiai tonų teršalų, tokių kaip sieros, azoto oksidų, anglies dioksido, pelenų. Šios medžiagos labai teršia gamta, jos tirpsta vandenyje – žemėje iškrenta rūgštūs lietūs. Vis labiau teršiant atmosferą, sutrinka pusiausvyra tarp šilumos kiekio, kurį žemė gauna iš saulės, ir šilumos kiekio, kurį žemė atiduoda aplinkai. Jie sukelia šiltnamio reiškinį. Jei ir toliau žemės tarša didės gali pradėti tirpti poliariniai ledynai, o tai neigiamai paveiks ir mus, ir pačius ledynų gyventojus. Šiuo metu pasaulyje jau yra virš milijardo automobilių, 2050 metais pasaulyje gali būti net 2,5 milijardo automobilių. Galima tik įsivaizduoti, kokią įtaką jie darys aplinkai. Pagalvokite kiek dėl avarijų padarinių, degalų nutėkejimo į vandens telkinius užteršiama gamtos. Išmetamos i miškus nebereikalingos padangos. Vienai automobilio padangai suirti reikia 120–140 metų;

Testas 1.Kurio takto metu vienas keturtakčio variklio cilindro vožtuvas yra atidarytas? a. Įsiurbimo ir išmetimo; b. Darbo; c. Suspaudimo . 2. Kuris energijos virsmas vyksta važiuojančios mašinos vidaus degimo variklyje? a. Kuro kinetinė energija ---mašinos potencinė energija; b. Kuro vidinė energija ---mašinos mechaninė energija; c. Kuro potencinė energija ---mašinos potencinė energija; 3.Kur panaudojama garo turbina? a. Lėktuvuose; b. Hidroelektrinėse; c .Šiluminėse elektrinėse. 4. Kuo skiriasi dviejų rūšių vidaus degimo varikliai? a. Tik naudojamų degalų rūšimi; b. Naudojamų degalų rūšimi ir tuo, kad dyzeliniame variklyje nėra uždegimo žvakės; c. Tik tuo ,kad dyzeliniame variklyje nėra uždegimo žvakės. 5. Kuris variklis neturi žvakės? a. Dyzelis; b. Rotorinis; c. Keturtaktis. 6. Keturi taktai įvyksta, kai velenas apsisuka: a.4 kartus; b. 2 kartus ; c. 8 kartus. 7.Ar gali variklio naudingumo koeficientas būti: a. Lygus1; b. Didesnis už 1; c. Mažesnis už 1.

8. Pirmąjį vidaus degimo variklį sukonstravo: a. E. Lenuaras; b. D 8.Pirmąjį vidaus degimo variklį sukonstravo: a. E.Lenuaras; b. D.Vatas.; c. R.Dyzelis. 9.Reaktyvusis variklis pritaikomas: a. Elektrinėse; b. Laivuose; c. Lėktuvuose. 10.Ar galima sukonstruoti amžinąjį varikli? a. Neįmanoma; b..Galima; c. Realiai veikianti –ne.   ATSAKYMAI: 1.a; 2. b; 3. c; 4.b; 5.a; 6.b; 7.c; 8.a; 9.c; 10.a.

Šaltiniai P.Pečiuliauskienė Fizika 11kl. V.Valentinavičius ;Z.Šliavaitė Fizika 9 Mokinio žinynas 5-12 kl. V.Palubinskienė Fizika XI-XII kl. gid.lt/fizika/siluminiai-varikliai-ir-ju-zala-aplinkai gid.lt/fizika/siluminiai-varikliai https://lt.wikipedia.org/wiki/Šiluminis_variklis