Паровая машина доклад: ПАРОВАЯ МАШИНА — информация на портале Энциклопедия Всемирная история

Содержание

История паровых машин

Loading…

Первые наработки.

Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина, известная также как паровой котел.

Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.

Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.

Применение паровых машин на практике.

Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме.

Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля. Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины. В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.

В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.

Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.

Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин

первые паровые двигатели — устройство и принцип работы, паровые турбины

Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?

Предпосылки появления паровых двигателей

Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.

Начало пути

Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.

Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.

В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.

Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.

Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.

Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.

Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.

Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком — не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.

В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали — парового котла.

А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.

Новый этап в разработке паровых двигателей

Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки — трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.

Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.

В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.

Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.

Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение — паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.

К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.

Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.

Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.

Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.

Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.

В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….

Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.

Применение паровых машин на транспорте

Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:

во Франции появляется автомобиль с паровым двигателем;
в США начинает курсировать пароход между городами Филадельфия и Берлингтон;
в Англии продемонстрирован железнодорожный локомотив на паровой тяге;
российский крестьянин из Саратовской губернии запатентовал построенный им гусеничный трактор мощностью 20 л. с.;
неоднократно предпринимались попытки построить самолёт с паровым двигателем, но, к сожалению, малая мощность этих агрегатов при большом весе самолёта делала эти попытки неудачными.

Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место двигателям внутреннего сгорания и электродвигателям.

Паровые устройства в XXI веке

С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.

Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.

В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.

Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.

Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо — древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.

Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Вы можете оставить комментарий к докладу.

История изобретения паровых машин — сообщение доклад по физике 8 класс

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном и представляла конус с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

В России первая действующая паровая машина, не требовавшая вспомогательного гидравлического привода, была построена в 1766 году по проекту русского изобретателя Ивана Ивановича Ползунова, предложенного им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть свое изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось,— он умер 27 мая 1766 года, а его изобретение было пущено в эксплуатацию летом.[1] Машина действовала на Барнаульском заводе в течение пары месяцев (она перестала использоваться вследствие поломки), а через некоторое время была демонтирована.

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.

История изобретения паровых машин

Интересные ответы

Доклад Тургенев (сообщение)
И.С. Тургенев – талантливый писатель, являющийся одним из классиков русской литературы. Его творчество имело огромное влияние на формирование жанра европейского романа.
Мхи — доклад сообщение 5, 6 класс
Место, на котором мы имеем счастье жить, а вернее, наша планета Земля, обладает огромным количеством и разнообразием жизни, которое поражает воображение. Каждый человек, который когда либо читал книги на подобную тему, или смотрел научные фильмы знает
Хронологическая таблица Ивана Крылова (жизнь и творчество)
Крылов Иван Андреевич – уникальный баснописец за всю историю русской литературы. Его басни отличаются краткостью и емкостью изложения, очень метко подчеркивая те пороки, против которых они направлены
Туберкулез сообщение доклад (5 класс биология)
Трудно представить какое количество вирусов и инфекций обитает в одном с нами пространстве. На самом деле человеческий иммунитет непрестанно справляется с огромным количеством вирусов
Доклад на тему Дарвин Чарльз сообщение
Чарльз Дарвин — известный английский учёный и путешественник. Родился 12 февраля 1809 года в семье медика. С самого детства будущий натуралист был увлечён изучением окружающей природы

Реферат «История изобретения паровых машин»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №1

пгт Славянка Хасанского муниципального района

Реферат по физике

на тему:

«История изобретения паровых машин»

Выполнила

ученица 8 «Б» класса

МБОУ СОШ № 1 пгт Славянка

Кулешова Ирина

Руководитель учитель физики

Нечаева Елена Владимировна

п. Славянка

2016 г

В нашем мире технологии и изобретения развиваются быстро. Мы имеем мгновенный доступ к информации со всего земного шара. Достижения современной медицины обезвредили опасные болезни. Можно очень далеко уехать в течение нескольких часов и даже попасть в космос. Все это возможно благодаря изобретениям и желанию людей.

Но у многих из современных изобретений было скромное начало. Открытия древности, ставшие источником современных изобретений. Отчего изобретение становится действительно важным?

Важные изобретения элегантны и их воздействие огромно. Они не просто решают отдельно взятую проблему, они открывают возможность реализации многих идей. Они открывают новые возможности.

Паровой двигатель открыл новый этап в развитии транспорта. Говорят, что изобретатель 18 века Джеймс Уатт открыл его, когда смотрел, как поднимается крышка над кипящим чайником.

Но люди знали о силе пара уже сотни лет, задолго до того, как Ватт решил выпить чашку чая. Уже в 100-м году нашей эры упоминается колесо паровой турбины, изобретенной Героном Александрийским и названной им «Шар Эола». Но Герон не осознавал потенциал своего изобретения и считал его простым развлечением для императора. Только через 2000 лет был изобретен первый реальный паровой двигатель

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина— любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина построена в XVIIв. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Окончательные усовершенствования в паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом паровых машин, как двигателей внешнего сгорания, в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла)— от кизяка до урана. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM)1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию^{. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами.}

Первая паровая машина Папена (1690)

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Первая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Севери. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив, таким образом, путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал паровую машину, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от парового насоса Ньюкомена). Двигатель Уатта, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, установить и использовать в любом месте для любой цели. С двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Паровые машины разделяются:

1.по способу действия пара на машины с расширением и без него, причем первые считаются наиболее экономичными

2.по используемому пару

3.низкого давления (до 12 кг/см²)

4.среднего давления (до 60 кг/см²)

5.высокого давления (свыше 60 кг/см²)

6.по числу оборотов вала

7.тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)

8. быстроходные.

9. по давлению выпускаемого пара

10. конденсационные (давление в конденсаторе 0,1—0,2 атмосфер)

Вакуумные машины

Двигатель Ньюкомена

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом, создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.

Версия паровой машины, созданная Уаттом

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более лёгким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес» (Строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В.Ф.Стокке.). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира в 240 сил. Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными и их пришлось заменить обычными балансирнами машинами. Лишь на пароходе «Горгон»(Gorgon), спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально.

Вы все, конечно, знаете Герона?

Теперь он знаменитый человек.

Известно всем, что жил во время оно

Александрийский этот древний грек.

В счастливый миг ему внушили музы

Конструкцию машины паровой,

На что Афины, Рим и Сиракузы

С усмешкой покачали головой.

Герон не знал, что жил до нашей эры,

Хоть миру наши знания он нёс.

Не стали пароходами галеры,

И паровоза не узрел Христос.

Чудак Герон! Один на всей планете,

Единственный на свете инженер,

Он возвестил за два тысячелетья

Пришествие эпохи ИТР.

(Валентин Дмитриевич Берестов)

Где и как внедрять паровые машины сегодня ?

В качестве объектов, чью энергетическую эффективность можно повысить с использованием современных паровых машин, могут выступать, в частности:

промышленные котельные с паровыми котлами – паровая машина для привода электрогенератора здесь включается на линии дросселирования водяного пара параллельно либо полностью взамен существующего редукционно-охладительного устройства , роль которого часто выполняет простая дроссель-задвижка;
паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину энергетически наиболее целесообразно предусматривать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если последние предусматриваются на электрическую мощность до 1,2 МВт и в одноступенчатом исполнении или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
технологические производственные установки, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии такими установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности – печи для варки стекла).

Технологические решения для мини-ТЭС – конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ – с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии .

Теоретически возможно осуществить технологию квадрогенерации, опять же с использованием современных паровых поршневых машин. Производство четырех видов энергии (скажем, механической для привода технологического производственного оборудования, а также электрической, тепловой и холодильной) в комбинированном режиме реализовать довольно сложно, т.к. все получаемые соответствующие мощности будут взаимозависимы. Однако благодаря тому, что у паровых поршневых машин расход пара через них в определенных пределах весьма слабо зависит от изменений нагрузки, квадрогенерация может стать практически осуществимым энергосберегающим мероприятием для промышленных и муниципальных энергетических объектов. А современная автоматика и микроконтроллерная техника этому могут здорово помочь.

Вывод

Современные паровые поршневые машины вполне могут способствовать энергосбережению в ряде технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Источники:

https://www.abok.ru/ сайт «Некоммерческое партнерство инженеров»
www.automotivehistory.ru/ сайт «История автомобилестроения»
Википедия
Журнал «Энергосбережения»

Паровая машина

Первое упоминание о практическом использовании пара в качестве движущей силы относятся к началу нашей Эры и связано с именем греческого математика и инженера Герона Александрийского. Массовое создание и применение паровых двигателей начинается только в XVII веке. Первые, как их называли в газетах, «курьезы» француза Д. Папена, англичан: инженера Т. Сейвери, кузнеца Т. Ньюкомена (он получил первый в мире патент на паровой двигатель) и некоторых других вызвали необыкновенный энтузиазм среди изобретателей. Особенно активно паровые машины были востребованы для подачи воды и воздуха в горной промышленности и в пожарном деле.
Российская история паровых машин прочно связана с именем талантливого механика-самоучки Ивана Ивановича Ползунова, который в 1763 предложил дирекции уральских Колывано-Воскресенских заводов проект двухцилиндровой вакуумной машины для приведения в действие воздуходувных мехов для плавильных печей. В основу были положены английские проекты и при поддержке императрицы Екатерины Великой, 7 августа 1766 г. паровая машина мощностью 32 л. С. начала работать. К сожалению, несовершенство конструкции, технические просчеты и существующие большие запасы гидроресурсов, привели к тому, что после того, как паровая установка Ползунова через 3 месяца сломалась, восстанавливать ее не стали.
XIX век стал веком паровых двигателей; расширялась их типология (вакуумные, поршневые, коловратные или роторные), а также сфера их применения. Теперь паровые машины создают, прежде всего, для привода в движение транспортных средств: пароходов, паровозов, паровых автомобилей, экскаваторов, тракторов и даже самолетов. Самые серьёзные достижения в отечественном паровом машиностроении в этот период были достигнуты: П.Г. Соболевским (паровая машина прямого действия), Е.А. и М.Е. Черепановыми (первый действующий паровоз), П.М. Залесовым, П.Д. Кузьминским, Н. Н. Тверским. Практически все российские разработки превращались в действующие установки на основанном в 1754 г. графом Н.Г. Строгановым Пожвинском чугунолитейном и железоделательном заводе в Челябинске. Именно там, в первой половине XIX в. были построены первые паровые суда, а в 1838 г. первый русский магистральный паровоз. Тем не менее, основная часть паровых двигателей (чаще всего, машины Д. Уатта), импортировались в Россию из-за рубежа.
С изобретением двигателей внутреннего сгорания моторов, приводимых в действие электричеством, значение и распространение паровых двигателей стало сокращаться.

Лошадиная сила – ед. мощности введенная Дж. Уаттом Ваттом), достаточная для поднятия груза массой в 75 кг на высоту 1 метр за 1 секунду. 1 л.с. равана — 735,49875 Вт.

Источники и литература

Паровая машина — это… Что такое Паровая машина?

Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг

Значение паровых машин

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Принцип действия

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механически. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана.

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таки ад-Дином Мухаммедом (англ.). Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Херонимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной. Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины

Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель [хой]Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

версия паровой машины, созданная Уаттом

В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.[1]

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Приблизительно в 1811 году Ричарду Тревитнику потребовалось усовершенствовать машину Уатта, для того чтобы приспособить её к новым котлам Корниша. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название машин Корниша, и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые машины Корниша имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Паровые машины двойного действия

Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес». Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира в 240 сил.^[2] Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными и их пришлось заменить обычными балансирнами машинами. Лишь на пароходе «Горгон» («Gorgon»), спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально.^[3]

Парораспределение

Индикаторная диаграмма, показывающая четырёхфазный цикл поршневой паровой машины двойного действия

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа. Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия. В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем.^[4]^[5]

Сжатие

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку», замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвоё пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объём цилиндра.^[6]

Простое расширение

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд

В процессе расширения в цилиндре машины высокого давления температура пара падает пропорционально его расширению. Поскольку теплового обмена при этом не происходит (адиабатический процесс), получается, что пар поступает в цилиндр с большей температурой, чем выходит из него. Подобные перепады температуры в цилиндре приводят к снижению эффективности процесса.

Один из методов борьбы с этим перепадом температур был предложен в 1804 году английским инженером Артуром Вульфом, который запатентовал Компаундную паровую машину высокого давления Вульфа. В этой машине высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого отработанный в нём пар с более низкой температурой и давлением поступал в цилиндр (или цилиндры) низкого давления. Это уменьшало перепад температуры в каждом цилиндре, что в целом снижало температурные потери и улучшало общий коэффициент полезного действия паровой машины. Пар низкого давления имел больший объём, и поэтому требовал большего объёма цилиндра. Поэтому в компаудных машинах цилиндры низкого давления имели больший диаметр (а иногда и большую длину) чем цилиндры высокого давления.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Иногда один цилиндр высокого давления был связан с двумя цилиндрами низкого давления, что давало три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче сбалансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

Перекрёстный компаунд — Цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
Тандемный компаунд — Цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
Угловой компаунд — Цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах.^[7]

1907

Множественное расширение

Упрощённая схема паровой машины с тройным расширением.
Пар высокого давления (красный цвет) от котла проходит через машину, выходя в конденсатор при низком давлении (голубой цвет). 1890-е

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четырёхкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объём которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на секции высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

Прямоточная паровая машина

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остаётся более или менее постоянным. Прямоточные машины одиночного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одиночного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные (в активных, либо подобные в реактивных) лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в неё подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86 % мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Другие типы паровых двигателей

Кроме поршневых паровых машин, в 19-м веке активно использовались роторные паровые машины. В России, во второй половине 19-го века они назывались «коловратные машины» (то есть «вращающие колесо» от слова «коло» — «колесо»). Их было несколько типов, но наиболее успешной и эффективной была «коловратная машина» петербургского инженера-механика Н. Н. Тверского. Паровой двигатель Н. Н. Тверского . Машина представляла собой цилиндрический корпус, в котором вращался ротор-крыльчатка, а запирали камеры расширения особые запорные барабанчики. «Коловратная машина» Н. Н. Тверского не имела ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и была идеально уравновешена. Двигатель Тверского создавался и эксплуатировался преимущественно на энтузиазме его автора, однако он использовался во многих экземплярах на малых судах, на фабриках и для привода динамо-машин. Один из двигателей даже установили на императорской яхте «Штандарт», а в качестве расширительной машины — с приводом от баллона со сжатым газом аммиаком, этот двигатель приводил в движение в подводном положении одну из первых экспериментальных подводных лодок — «подводную миноноску», которая испытывалась Н. Н. Тверским в 80-х годах 19-го столетия в водах Финского залива. Однако со временем, когда паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и электромоторами, «коловратная машина» Н. Н. Тверского была практически забыта. Однако эти «коловратные машины» можно считать прообразами сегодняшних роторных двигателей внутреннего сгорания.

Применение

Паровые машины могут быть классифицированы по их применению следующим образом:

Стационарные машины

Паровой молот Паровая машина на старой сахарной фабрике, Куба

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

Машины с переменным режимом, к которым относятся машины металлопрокатных станов, паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения.
Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Транспортные машины

Паровоз

Паровые машины использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

Пароход
Сухопутные транспортные средства:
Паровой самолёт.

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

где

W_out — механическая работа, Дж;

Q_in — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T₁ в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T₂ в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100 °C.

Нетрадиционные машины

На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу «Scrapheap Challenge» («Вызов со свалки»), в котором друг против друга выступают две команды из трёх постоянных участников и одного специалиста. Командам даётся 10 часов для постройки заданной машины из частей, которые они находят на свалке металлолома, а затем устраиваются гонки. В 2007 году команды британских и американских инженеров строили колёсный пароход в духе Брюнеля. При этом британская команда использовала для управления паровой машиной электрическую систему с микровыключателями и соленоидными клапанами. Их пароход набрал скорость, близкую к дизельной лодке американской команды.

См. также

История паровых машин

Россия

Великобритания

Примечания

↑ Hulse David K (1999): «The early development of the steam engine»; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1 (англ.)
↑ Н. А. Залесский «„Одесса“ выходит в море / возникновение парового мореплавания на Чёрном море 1827—1855», Ленинград, «Судостроение», 1987 год, страница 8.
↑ Н. А. Залесский «„Одесса“ выходит в море / возникновение парового мореплавания на Чёрном море 1827—1855», Ленинград, «Судостроение», 1987 год, страницы 8 и 9.
↑ Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, pp. 2-3; Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN 0-906899-61-3 (англ.)
↑ Carpenter, George W. & contributors (2000): La locomotive à vapeur: pp. 56-72; 120 et seq; Camden Miniature Steam Services, UK. ISBN 0-9536523-0-0 (фр.)
↑ Bell A.M. Locomotives. — London: Virtue and Company. — P. pp61-63. (англ.)
↑ Riemsdijk, John van: (1994) Compound Locomotives, Atlantic Publishers Penrhyn, England. ISBN 0-906899-61-3 (англ.)

Литература

Паровые машины // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Паровые машины. История, описание и приложение их. 1838 г., СПб.: тип. Эдуарда Праца и Ко. — 234 с.
Брандт А. А. Очерк истории паровой машины и применения паровых двигателей в России, СПб., 1892.
Тонков Р. Р. К истории паровых машин в России. — «Горный журнал», № 6, 1902 г.
Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом. Ленинград: «Время», 1933 г. — 198 с.
Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С. И. Вавилова. — М., Л.: Гос. изд-во техн.-теоретической лит-ры, 1948 г.
Конфедератов И. Я. Иван Иванович Ползунов. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1954 г. — 296 с.

Ссылки

Доклад История и изобретения паровых машин 8 класс

Самый первый паровой двигатель описал греческий ученый Герон Александрийский. Модель описал как пневматику. Конструкция представляла собой котел из бронзы внутри с водой. Котел стоял на опорах, закрытый сверху крышкой. Над крышкой крепятся две трубки со сферой. Трубки сделаны так, чтобы сфера вращалась. При нагреве воды в котле, пар поднимается, создавая тем самым давление, заставляя вращаться сферу, такая модель была просто как развлечение.

Настоящий тепловой двигатель был изобретён в России, Ползунковым Иван Ивановичем. Он создал и разработал проект для » заводских нужд». Принцип работы заключался в том, что машина работала на двух цилиндрах и в две атмосферы, то есть пар попадая в первый цилиндр, заставлял поднимать поршень вверх. Чтобы конденсировать пар во втором цилиндре, выбрасывалась струя холодной воды, тем самым поршень опускался. Распределение пара в машине регулировалась непрерывной работой поршней передававшей на шкив. Шкив надет на вал, отчего и создавалось движение. Рабочий вал заставлял работать воздуходувной мех.

В послевоенные годы были проблемы с поставкой бензина в разные точки страны. Специалисты научного исследовательского автомобильного института задались вопросом о создании автомобиля на пару для различных работ. Задача состояла создать машину в 14,5 тонны, где должен быть груз в 6 тонн, расход дров 400 кг и столько же воды, максимальная скорость машины до 45 км/ч. Такой автомобиль создали, и дали название самосвал.

Работу над паровой машиной продолжил англичанин Джемс Уайт. Ему поручили усовершенствовать модель, путем меньшего расхода топлива пара в цилиндрах.Трудясь над многими проводимыми опытами пришел к выводу, что нужно создать конденсат пара в отдельном резервуаре, который бы сообщался с цилиндрами. Патент был принят как изобретение нового метода малого расхода топлива. В результате этого была создана паровая машина двойного действия. Принцип работы давления на поршень был с подачи пара золотником, то с одной стороны, то с другой. Золотник находился в цилиндре через него и поступал пар из котла. Машина двойного действия работает методом поочерёдного попадания пара в цилиндр с обеих сторон. С другой стороны цилиндра отработанный пар выбрасывается в атмосферу.Таким принципом машина повышает скорость. В первые в России издали такие двигатели на заводе для военных пароходов, после стали издавать паровозы.

Паровые машины разделяются по действию пара на машину с расширением и без него. Пар бывает с низким, средним и высоким давлением. По числу оборотов вала есть тихоходные и быстроходные машины. Цилиндры могут располагаться горизонтально, наклонно и вертикально. По числу цилиндров бывает один или несколько.

Применение паровых машин

Паровые машины отличаются большой надёжностью работать с большими грузами, долговечностью, невысоким расходом топлива и простота в обслуживании. К такой области относится паровозы и пароходы.

Конструкции таких двигателей с внутренним сгоранием позволила строить заводы и фабрики по выработке текстиля, сахара, спичек и других изделий.

История и изобретения паровых машин доклад

Первым изобретателем такого двигателя стал грек Герон Александрийский. Модель походила на движение воздуха внутри сосуда. Сосуд представлял собой котел, покрытый бронзой, с массой воды внутри, с креплением на нем внизу. Крепление также сделаны из металла. Конструкция имеет форму круга, закрытый сверху крышкой. В крышку входят две трубки с прикрепленным по середине шаром. Стойки сделаны так, чтобы шар вращался, а внутри трубки пустота. Чтобы заставить шар вращаться вокруг оси, нагревали до кипения воду в сосуде. При нагреве воды, пар поднимался, создавая тем самым давление, такая модель была просто как развлекающая игрушка.

Позже такую конструкцию рассмотрели в России. Работа машины заключалось на двух аппаратах, похожих на цилиндр, в которых есть горячий воздух. Горячий воздух, попадая в первый аппарат, заставлял подниматься поршень вверх. Чтобы охладить горячий воздух во втором цилиндре, нужно было создать деталь для опрыскивания. Тем самым охлажденный насос опускался и конструкция приходила в движение. Равномерная работа насоса, передавалась на колесо с ободом. Колесо одевалось на винт, заставлял работать систему вентиляции.

В шестидесятые годы были проблемы с поставкой бензина, в разные точки страны. Квалифицированные работники автомобильного института, задумались вопросом о машине, работающей на горячем воздухе. Задача состояла создать агрегат на колесах массой 15 тонн, где должен быть взят на абордаж груз в 7 тонн, в топку использовали дрова в 400 кг, и столько же воды в ёмкость бака. Предельная скорость машины до 45 км/ч. Такой агрегат создали, и дали название грузовой автомобиль.

Англичанин Джемс Уайт продолжил работу над совершенством модели, путем меньшего расхода горячего воздуха в полости. Трудясь над многими проводимыми опытами, пришел к выводу, что нужно создать продукт в виде пара в отдельном хранилище, который бы сообщался с полостью. Авторство было принято, как изобретение малого расхода топлива. В итоге этого была создана такая машина, работающая на горячем воздухе (пар) двойного действия. Индивидуальность работы состояла в том, что давление на основную деталь насоса, оказывал горячий воздух. Для подачи воздуха участвовал клапан. Клапан находится в насосе, через него и поступал горячий воздух из сосуда. Такая машина работает методом поочерёдного попадания горячего воздуха в насос с обеих сторон. С другой стороны насоса отработанный воздух выбрасывается наружу. Таким образом машина ускоряется. В первые в СССР издали такие двигатели на заводе для военных пароходов и паровозов.

Паровые машины разделяются по движению горячего воздуха на агрегат с расширением и без него. Горячий воздух бывает с низким, средним и высоким давлением. По числу оборотов винта есть тихоходные и быстроходные машины. Насосы могут располагаться горизонтально, наклонно и вертикально. По числу насосов бывает один или несколько.

Применение паровых машин в производстве

Паровые агрегаты отличаются индивидуальностью и надёжностью, могут работать с большими грузами в несколько тонн. Не требуют ремонта в несколько десятков лет. Расход топлива минимальный и прост в обслуживании. К таким машинам относят паровоз и теплоход.

Конструкции таких двигателей с внутренним сгоранием топлива внутри, позволила строить заводы и фабрики.

Вариант №3

Человек издревле являлся любителем облегчить свой труд. Стремясь нарастить объемы производства или же просто ускорить трудоемкие процессы, люди стали использовать ветряные или водяные мельницы или же труд крупного рогатого скота. Настоящая промышленная революция началась с применением паровых машин, можно сказать, что именно она явилась предвестником научно-технического прогресса.

Еще в 1 веке до н.э. были предприняты попытки создать преобразователь тепловой энергии в механическую. В Древней Греции некий Герон описывал шарообразное устройство, которое было заполнено водой и имело несколько форсунок. Сфера имела вертикальную ось и под ней размещали костер. Нагревая воду и повышая давление внутри, они способствовали вырыванию пара из этих форсунок, что благодаря третьему закону Ньютона приводило сферу в движение. Однако, коэффициент полезного действия данной машины оставлял желать лучшего. Но тем не менее, она работала. Даже не смотря на то, что не приносила практической пользы. Возможно именно по этой причине, развитие парового двигателя было забыто на следующие полторы тысячи лет.

Лишь в начале 18 века, начали появляться прототипы паровых машин с достаточно высоким коэффициентом полезного действия. Впервые цилиндрическая машина работающая на водяном пару была создана инженером испанского происхождения Джиронимо Аянс Де Бомонтом а первый патент на паровую машину зарегистрирован в 1698 году англичанином Сэйвери.

Именно его работа была взята за основу, при создании следующей паровой машины в 1712году. Но с одной необычной, для наших времен, особенностью. Клапана регулировались присутствующим работником, который открывал и закрывал их в определенные моменты. Лишь через 3 года система была усовершенствована молодым работником Поттером и доведена до «автоматизма». Все вышеперечисленные машины использовались лишь для подъема воды. Принцип работы был достаточно прост. В цилиндр попадал горячий пар и поднимал поршень вверх, после чего цилиндр охлаждался холодной водой, создавая тем самым разреженную «атмосферу» внутри цилиндра. Из-за разницы давлений поршень снова опускался вниз.

Настоящую научно-техническую революцию того времени совершил физику, инженеру и изобретателю Джеймсу Ватту. Он сумел создать паровую машину, которая употреблялась в более обширных областях. Именно его машины были первыми водружены на паровозы и пароходы. Выходец из Шотландии, преодолевая финансовые трудности, сумел достичь успеха. Ватт, пришел к мнению что можно использовать энергию пара вместо охлаждения цилиндра и разработал кривошипный шатунный механизм, который поднимал и опускал поршни под воздействием пара. Она была названа в честь своего изобретателя Джеймса Ватта «Универсальная паровая машина». Двигатели с такой системой имели не только колоссальную востребованность и успех, но и применяемая во многих отраслях.

Стоит отметить тот факт, что наши соотечественники также разрабатывали свои паровые машины. Всем известная машина Ползунова тоже работала на пару, ее строительство затянулось, и к началу работы изобретатель не дожил. Проработала данная машина всего около 40 дней после чего ее демонтировали.

Таким образом можно мы можем что паровые машины имели свое начало еще задолго до Джеймса Ватта, Ползунова или других изобретателей пытавшихся или создавших данное устройство, но вне зависимости от своих результатов все они внесли свой непосильный вклад в развитие не только машиностроительной промышленности но и науки в целом.

8 класс

История и изобретения паровых машин

паровой двигатель | Encyclopedia.com

История

Принцип работы паровой машины

Ресурсы

Паровая машина — это машина, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию с помощью поршня, движущегося в цилиндре. Как двигатель внешнего сгорания — поскольку он сжигает свое топливо вне двигателя, паровой двигатель передает свой пар в цилиндр, где пар затем толкает поршень вперед и назад. Именно с этим движением поршня двигатель может выполнять механическую работу.Паровая машина была основным источником энергии в ходе промышленной революции (которая началась в Англии в восемнадцатом веке) и доминировала в промышленности и транспорте в течение 150 лет. Это все еще полезно сегодня в определенных ситуациях и во многих развивающихся странах.

Самыми ранними известными паровыми двигателями были новинки, созданные греческим инженером и математиком Героем (Героном) Александрийским (ок. 10–70), жившим в первом веке нашей эры. Его самое известное изобретение было названо элиопилом. Это изобретение представляло собой небольшую полую сферу, к которой были прикреплены две изогнутые трубки.Сфера была прикреплена к котлу, производившему пар. Когда пар выходил из полых трубок сферы, сама сфера начинала кружиться и вращаться. Герой и несколько других греков разработали множество других паровых устройств, таких как паровой орган и автоматические двери, но всегда в контексте игривости и, по-видимому, без какого-либо интереса к использованию пара на практике. Тем не менее, их работа установила принцип силы пара, и их игровые устройства были реальной демонстрацией преобразования энергии пара в какое-то движение.

Хотя греки установили принцип паровой энергии, он игнорировался более 1500 лет до конца 1600-х годов в Европе. В течение этого длительного периода основными источниками энергии были, в первую очередь, сила мускулов человека или тягловые животные, а затем энергия ветра и воды. Ветряные мельницы и водяные колеса подходили для медленных повторяющихся работ, таких как измельчение кукурузы, при которой отключение электроэнергии не имело особых последствий. Однако для некоторых работ, таких как откачка воды из шахты, источник энергии, который мог отключиться в любой момент, не всегда был удовлетворительным.Фактически, сама глубина английских шахт подтолкнула инженеров к поиску насосов, которые были бы быстрее старых водяных насосов. К середине шестнадцатого века работа над воздушными насосами установила представление о поршне, работающем в цилиндре, и около 1680 года французский физик Дени Папен (1647–1712) налил немного воды на дно трубы, нагрел ее, преобразовал он превратился в пар, и увидел, что расширенный пар с силой толкает и перемещает поршень прямо перед ним. Когда трубка остыла, поршень вернулся в исходное положение.Хотя Папену было хорошо известно, что он создал двигатель, который в конечном итоге мог работать, его отпугнули вполне реальные механические трудности своего времени, и он решил работать в меньшем масштабе, создав первую в мире скороварку.

Вслед за Папином английский военный инженер Томас Савери (около 1650–1715 гг.) Построил то, что многие считают первым практическим паровым двигателем. В отличие от системы Папена, у этой машины не было поршня, поскольку Савери хотел только черпать воду из угольных шахт глубоко под землей.Зная, что он может использовать пар для создания вакуума в сосуде, он соединил такой сосуд с трубкой, ведущей в воду внизу. Затем вакуум всасывал воду в трубку и выдувал ее под давлением пара. Систему Savery назвали «Друг шахтера», поскольку она поднимала воду из шахт за счет всасывания, производимого конденсацией пара. Несколько лет спустя английский инженер и партнер Savery Томас Ньюкомен (1663–1729) усовершенствовал паровой насос, повторно установив поршень. К 1712 году он построил двигатель, который использовал пар атмосферного давления (обычная кипящая вода), и его было довольно легко построить.Его поршневой двигатель был очень надежен и стал широко использоваться в Англии примерно в 1725 году. Его машина была названа балочным двигателем, потому что наверху у него был огромный качающийся рычаг или поперечный рычаг, движение которого передавало мощность от единственного цилиндра двигателя к двигателю. Помпа.

Понимание того, как работает двигатель Ньюкомена, дает представление обо всех последующих паровых двигателях. Во-первых, вся машина находилась в машинном отделении высотой около трех этажей, из верхней стены которого торчала длинная дубовая балка, которая могла качаться вверх и вниз.Дом был построен сбоку от шахты. Внизу вала находился водяной насос, который соединялся с двигателем длинной штангой насоса. Под балкой внутри дома находился длинный латунный цилиндр, который находился на кирпичном котле. Котел питался углем и подавал пар. Внутри цилиндра находился поршень, который мог скользить вверх и вниз и был соединен с балкой наверху. Двигатель всегда запускался с поднятым поршнем. Затем пар заполнил цилиндр из открытого клапана.При заполнении цилиндр опрыскивался водой, в результате чего пар внутри конденсировался в воду и создавал частичный вакуум. В этом изобретении давление наружного воздуха вынудило бы поршень опускаться, который раскачивал балку, поднимал штоки насоса и всасывал около 12 галлонов (45 л) воды. Затем поршень вернулся в исходное положение (вверх) в цилиндре, и процесс был повторен. Помимо того, что двигатель Ньюкомена назывался лучевым двигателем, его также называли атмосферным двигателем, поскольку он использовал давление воздуха для перемещения поршня (вниз).

Наиболее важное усовершенствование в конструкции паровой машины было внесено шотландским инженером Джеймсом Ваттом (1736–1819). В 1763 году Ватта попросили отремонтировать двигатель Ньюкомена, и он был поражен тем, что он считал его неэффективным. Он намеревался улучшить его характеристики и к 1769 году пришел к выводу, что, если пар конденсируется отдельно от цилиндра, последний всегда можно поддерживать горячим. В том же году он представил паровой двигатель с отдельным конденсатором. Поскольку это позволяло разделить процессы нагрева и охлаждения, его машина могла работать постоянно, без длительных пауз в каждом цикле для повторного нагрева цилиндра.Ватт продолжал улучшать свой двигатель и сделал три очень важных дополнения. Во-первых, он сделал его двойным, позволив пару входить поочередно с обеих сторон поршня. Это позволяло двигателю работать быстро и передавать мощность как при нижнем, так и при восходящем ходе поршня. Во-вторых, он разработал солнечно-планетарную передачу, которая могла переводить возвратно-поступательное движение луча во вращательное движение. В-третьих, он добавил центробежный регулятор, который поддерживал постоянную скорость двигателя, несмотря на меняющиеся нагрузки.Это в высшей степени инновационное устройство знаменует собой ранние истоки автоматизации, поскольку Ватт создал систему, которая, по сути, была саморегулирующейся. Ватт также изобрел манометр, который добавил к своему двигателю. К 1790 году усовершенствованные паровые машины Ватта стали мощным и надежным источником энергии, который можно было разместить практически где угодно. Это означало, что фабрики больше не нужно было располагать рядом с источниками воды, а можно было строить ближе как к их сырью, так и к транспортным системам. Больше всего на свете паровая машина Ватта ускорила промышленную революцию как в Англии, так и во всем мире.

Паровая машина Ватта, однако, не была идеальной и имела одно существенное ограничение; он использовал пар под низким давлением. Пар высокого давления означал большую мощность для двигателей меньшего размера, но также означал крайнюю опасность, поскольку взрывы плохо сделанных котлов были обычным явлением. Первым, кто продемонстрировал реальный успех, был английский изобретатель Ричард Тревитик (1771–1833). К концу восемнадцатого века методы металлургии совершенствовались, и Тревитик считал, что сможет построить систему, которая будет обрабатывать пар под высоким давлением.К 1803 году Тревитик построил мощный двигатель высокого давления, который использовал для привода поезда. Его технические новшества были поистине замечательными, но двигатели высокого давления заработали в Англии такую плохую репутацию, что пройдет двадцать лет, прежде чем английский изобретатель Джордж Стефенсон (1781–1848) подтвердит свою ценность с собственными локомотивами.

В Соединенных Штатах, однако, было мало предубеждений против мощности пара или почти ничего не знали о ней. К концу восемнадцатого века Эванс начал работу над паровой машиной высокого давления, которую он мог использовать в качестве стационарного двигателя для промышленных целей, а также для наземного и водного транспорта.К 1801 году он построил стационарный двигатель, который использовал для дробления известняка. Его главная инновация в области высокого давления разместила цилиндр и коленчатый вал на одном конце балки, а не на противоположных концах. Это позволило ему использовать гораздо более легкий луч.

За эти годы компания Evans построила около 50 паровых двигателей, которые использовались не только на заводах, но и для питания землеройных экскаваторов. Пар под высоким давлением создавал эту странно выглядящую шалость, представлявшую собой земснаряд, который мог двигаться как по суше, так и по воде.Это был первый дорожный транспорт с двигателем, который работал в Соединенных Штатах.

Несмотря на упорный труд и настоящий гений Эванса, его новаторские усилия в области Steam при его жизни не увенчались успехом. Производители часто встречали его безразличие или простое нежелание менять свои старые методы и переходить на пар. Его использование пара для движения по суше сдерживалось плохими дорогами, личным интересом к лошадям и ужасно неадекватными материалами. После Эванса пар высокого давления стал широко использоваться в Америке, в отличие от Англии, где замена двигателей низкого давления Ватта потребовала много времени.Но, тем не менее, улучшения были внесены, и железо в конечном итоге заменило дерево в конструкции двигателей, а горизонтальные двигатели стали даже более эффективными, чем старые вертикальные.

На протяжении всего процесса разработки и усовершенствования паровой машины никто не знал, что за наука стоит за ней. Вся эта работа была выполнена на эмпирической основе без ссылки на какую-либо теорию. Лишь в 1824 году эта ситуация изменилась с публикацией книги « Reflexions sur La Puissance Motrice du Feu » французского физика Николя Леонарда Сади Карно (1796–1832).В своей книге О движущей силе огня Карно основал науку о термодинамике (или тепловом движении) и был первым, кто рассмотрел количественно способ связи тепла и работы. Определяя работу как «подъем веса на высоту», он попытался определить, насколько эффективен или сколько работы может произвести двигатель Ватта. Карно смог доказать, что существует максимальный теоретический предел эффективности любого двигателя, и что это зависит от разницы температур в двигателе.Он показал, что для обеспечения высокого КПД пар должен проходить через широкий диапазон температур, поскольку он расширяется внутри двигателя. Наивысшая эффективность достигается за счет использования низкой температуры конденсатора и высокого давления в котле. Пар был успешно адаптирован для работы на лодках в 1802 году и на железных дорогах в 1829 году. Позже некоторые из первых автомобилей приводились в движение паром, а в 1880-х годах английский инженер Чарльз А. Парсонс (1854–1931) произвел первую паровую турбину. Эта мощная и высокоэффективная турбина могла вырабатывать не только механическую, но и электрическую энергию.К 1900 году паровая машина превратилась в сложный и мощный двигатель, который приводил в движение огромные корабли в океанах и приводил в действие турбогенераторы, снабжавшие электричеством.

Когда-то доминирующим источником энергии, паровые двигатели со временем потеряли свою популярность по мере того, как стали доступны другие источники энергии. Хотя в период с 1897 по 1927 год в Соединенных Штатах было произведено более 60 000 паровых машин, паровая машина в конечном итоге дала

КЛЮЧЕВЫЕ УСЛОВИЯ

Конденсатор — инструмент для сжатия воздуха или газов.

Цилиндр — камера двигателя, в которой движется поршень.

Регулятор — механическое регулирующее устройство, которое работает автоматически и позволяет саморегулировать скорость двигателя.

Поршень — скользящая деталь, которая перемещается или движется против давления жидкости внутри цилиндрического сосуда или камеры.

путь к двигателю внутреннего сгорания для приведения в движение автомобиля. Сегодня интерес к пару в некоторой степени возродился, поскольку усовершенствования делают его более эффективным, а низкий уровень загрязнения — более привлекательным.

См. Также Дизельный двигатель; Реактивный двигатель.

КНИГИ

Хиндл, Брук и Стивен Любар. Двигатели перемен. Вашингтон: Smithsonian Institution Press, 1986.

Lohani, Ashwani. Курящие красавицы: паровозы мира. Нью-Дели, Индия: Дерево мудрости, 2004.

Ратленд, Джонатан. Эпоха Steam. Нью-Йорк: Рэндом Хаус, 1987.

ДРУГОЕ

Источники истории, Университет Рочестера. «Рост парового двигателя». (по состоянию на 29 октября 2006 г.).

Леонард К. Бруно

Я ПРОДАЮ ЗДЕСЬ, Сэр, ЧТО ХОЧЕТ ИМЕТЬ ВЕСЬ МИР — POWER

«Я ПРОДАЮ ЗДЕСЬ, Сэр, ЧТО ХОТЯТ ВСЕМ МИР — POWER »

Это версия этого выступления, подготовленного для собрания секции ASME North Texas, UT Арлингтон, Техас, 19:00 18 февраля 1999 г.

Джона Х.Линхард
Машиностроительный факультет
Университет Хьюстона
Хьюстон, Техас 77204-4792
[email protected]

Мэтью Бултон произнес свое замечательное двусмысленное выражение биографу Джонсона, Босвелл, когда Босуэлл посетил завод Бултон-Уотта в 1776 году:

Я продаю здесь, сэр, то, что желает весь мир — СИЛУ.

Это многое говорит об английском мышлении накануне промышленной революции. Для власть (в обоих смыслах) трансформировалась в Англии.

И что мы узнали из того периода, так это то, что мы, инженеры, являемся основными агентами изменение — в любом обществе. Конец 18 века был временем, когда инженеры принимали эту роль. Это было время, когда инженеры пришли и взяли на себя ответственность за переворачивая мир с ног на голову.

Бултон и Ватт начали производство двигателей спустя много времени после того, как Томас Савери сделал свой первый паровой насос в 1698 году. Паровая рабочая лошадка 18 века не принадлежала ни Савери, ни Двигатель Ватта.Это был двигатель, построенный Томасом Ньюкоменом в 1711 году. Двигатель Ньюкомена имел устройство отбора мощности, чтобы вы могли применять его на разных работах. Когда Ватт подал свой первый патент на двигатель в 1769 году, было построено почти 600 двигателей Ньюкомена. Они осушали шахты и заменяли другую рабочую силу в течение долгого времени.

Но патент на внешний конденсатор Ватта сразу же удвоил эффективность паровой машины. К 1784 году двигатели Уатта были в четыре раза эффективнее старых двигателей Ньюкомена. Первые двигатели Watt выдавали всего около 6 лошадиных сил.Но менее чем за 20 лет он построил двигатели мощностью до 190 лошадиных сил.

Старые двигатели Ньюкомена были огромными, с цилиндрами от двух до десяти футов в диаметре. Они образовали двухэтажные строения. У двигателей Ватта все еще были цилиндры от 1,5 до 5 футов. в диаметре, и, как бы они ни были хороши, они ни в коем случае не были основой английского производство к 1800 году. К тому времени было изготовлено всего 2000 английских паровых машин, и менее 500 из них были новыми двигателями Watt. В 18 веке наибольшая мощь по-прежнему происходили от водяных колес и ветряных мельниц.

Но происходили две вещи: Steam подбирал те специализированные задачи, которые были абсолютно необходимы для промышленной революции — как откачка воды из шахт. И Steam позиционировал себя, чтобы привести в действие действительно . тяжелая промышленность, которая так изменила бы жизнь , 19, века.

К 1800 году общая установленная мощность всех когда-либо построенных паровых машин составляла около такой же, как один из наших больших стационарных дизельных двигателей сегодня.Большинство англичан сельская местность по-прежнему оставалась таинственным миром, о котором писал Оливер Голдсмит.

К 1827 году, через 58 лет после патента Ватта, преподобный Дионисий Ларднер подвел итоги. в своем справочнике «. Знакомое объяснение и иллюстрации парового двигателя» . Он включает все, от истории паровых двигателей до правил для инвесторов железных дорог. Позволь мне прочитать какой-нибудь Ларднер тебе:

В [недавнем] сообщении было объявлено, что паровая машина… в Корнуолле, поднял 125 миллионов фунтов, 1 фут высотой, с бушелем углей. … Великий пирамида Египта [весит 13 миллиардов] фунтов. Его строительство стоило труда 100000 мужчин за 20 лет. [Сегодня это могло] быть поднято … сгоранием 479 тонн угля.

Огромное потребление угля в промышленности и производстве пара судоходство, вызвало опасения … истощения наших мин. Эти опасения, тем не менее, это может быть смягчено заверениями в высочайшем горно-геологическом властям, что только угольных месторождений Нортумберленда и Дарема достаточно снабжать [нас] на 1700 лет, а… великий угольный бассейн Южного Уэльса … удовлетворить тот же спрос на 2000 лет дольше.

Сегодня эти запасы мало подходят для удовлетворения энергетических потребностей Англии. Но Ларднер не сделано еще. Он продолжает:

… в подобных рассуждениях … прогресс улучшений и открытий не следует упускать из виду. … Философия уже указывает пальцем на источники неиссякаемая сила. … Мы находимся на пороге еще больших открытий в области механики. чем все, что еще появилось.

Ларднер конечно недооценил наши аппетиты. Но, полагаю, он был прав в осознавая ужасающий факт, что человеческая изобретательность сделает больше, чем мы смеем мечтать чтобы продолжать удовлетворять наши легкомысленные желания, а также наши реальные потребности.

Энергетический кризис, от которого Ларднер так легко отмахнулся в 1827 году, был острым. еще в 1698 году. Шахтеры вывозили уголь, вплоть до уровня грунтовых вод. Без эффективных источников энергии для привода аварийных насосов они застряли.

Томас Савери указал путь своим неуклюжим паровым насосом в 1698 году. как две огромные фляги с вином, стоящие бок о бок. Вы поочередно наполняли каждую пар под давлением, вытесняющий воду по напорной трубе. Тогда вы конденсировали пар, всасывает воду из отстойника внизу. И вы повторили процесс.

Аристократ Савери называл свою машину «Друг шахтера», но это было вероломный друг. Эти огромные колбы были сделаны из спаянной меди, скрепленной стальные ленты.Это не была технология для удержания пара с плотностью 100 фунтов на квадратный дюйм. Колбы иногда взрывались.

Затем кузнец из Девона Томас Ньюкомен разработал новую паровую мощность. системы в 1711 году. Он построил большой цилиндр с поршнем в нем, наполнил цилиндр паром при атмосферном давлении, затем впрыснули в холодную воду. Пар конденсированный, создавал вакуум и всасывал поршень вниз во время рабочего хода.

В отличие от Савери, ему не требовалась еще не существующая технология удержания давления.Ньюкомен наконец-то дал нам эффективные практические средства для того, чтобы добраться до этих огромных недоступных запасы угля — те запасы, которые внушали уверенность Ларднеру столетие спустя.

К концу 1700-х годов версия двигателя Ньюкомена с огромной шагающей балкой Cornish Pump была по всем горнодобывающим регионам юго-запада Англии. Около 1800 г. Эразм Дарвин (врач, поэт и друг Джеймса Ватта) писал об одном:

Под давлением тяжелого воздуха Поршень падает.
Неустанно, скользит сквозь свои железные стены;
Квик перемещает Уравновешенный луч, рожденный гигантом,
Владеет своими большими конечностями и кивком сотрясает землю.

Насос Корнуолла, простой и надежный, последовал за добычей полезных ископаемых на Западе Америки. An старая фотография 1890-х годов показывает одну в Надгробии, Аризона, с огромной железной балкой, высотой в три этажа, вбивая стержень в землю, приводя ступень за ступенью насосов в сотнях футов ниже. Всего столетие назад из него сливались тонны воды в минуту. Но это была машина , выпущенная до 1769 . Он застыл во времени.

Итак, новые паровые машины затмили энергию ветра и воды.Европейские теоретики написал теорию гидротурбины, но эта теория не принесла плодов до тех пор, пока 1820-е и 30-е годы, когда Франция наконец-то подарила нам современные гидротурбины, производящие энергию.

Но это была Франция, когда она снова начала вставать под ноги. С 1780-х до
года Наполеон пал при Ватерлоо, Франция вложила почти 30 лет своей энергии в борьбу. Революция, а затем война дорого ей обошлись. Ее дороги, мосты и торговый флот были в разрушенном состоянии.Она мало что сделала, чтобы быть в курсе английской промышленной революции. Ее экономика находилась в застое. Теперь, когда дым рассеялся, также стали ясны масштабы повреждений .

Итак, познакомьтесь с молодым французским военно-морским инженером Шарлем Дюпеном, который увидел возможность сделать свою страну и его карьера неплохая. Он решил поехать в Англию, чтобы изучить ее секреты. Там было в этом мало нового. Франция шпионила за Англией еще до промышленной революции. В 1786 году один французский наблюдатель заметил, что английские рабочие были

надменный, сварливый, рискованный… легко подкупить. Когда новая машина производит выгода … французское правительство всегда может справиться с этим за шесть месяцев за небольшие деньги.

Конечно, подобные мысли в первую очередь обрекли Францию на второстепенную роль. Теперь у нее не было выбора. Если Франция должна была начать все сначала, ей пришлось бы начать в Англии.

Шарль Дюпен был высшим слоем общества с типичным французским обучением математике и физике. Он бы практически ничего не узнал из практического применения.Он не был родственником «сварливого риска». берущие «, которые построили английское промышленное величие. Но он не был глупцом.

В 1816 году Дюпен предпринял свой первый рейд по сбору информации в Англию. Ты поймаешь высокомерие молодого человека в его отчетах. Он насмехается над англичанами, когда может. Но ты также увидеть мощный дар наблюдательности. Он рассказывает о паровых земснарядах и портовых работах. Он пишет о новых процессах. Самое главное, он видит разрушение классового разделения. Он видит, как Англия обучает свой рабочий класс.

В конце концов, Дюпен вернулся во Францию, чтобы заявить о политическом преимуществе, которое он получил благодаря посещения. Но теперь, будучи членом палаты депутатов, он не забыл то, чему научился. Дюпен стал поборником практического образования. Он организовал бесплатное обучение рабочих. Он неустанно боролись за промышленную реформу. Он стал важным агентом французской промышленной восстановление в 19 веке.

Другой молодой французский аристократ также пытался перенести Францию в XIX век.Это был Франсуа Араго. Араго родился накануне Французской революции и учился в Cole Polytechnique — великий академический аналитический центр Наполеона. Когда ему было всего 23 года, Коул сделал его профессором математики. Он занимался основными работами в области оптики и электричества. Он помог доказать, что свет движется на волнах. Он измерил скорость звука во льду. Он работал над поляризацией света. Его электромонтажные работы предвосхитили Фарадея.

Но Араго смотрел за пределы этой науки в сторону его использования.Его работа по электричеству найдена использование в телеграфных системах. Принимал участие в исследовании взрывов паровых котлов.

Когда ему было за 40, он занялся политикой. Его воодушевление и харизма выиграли либеральные дела, такие как отмена рабства во французских колониях и улучшение условий жизни моряков. Затем, в 1834 году, Араго встал, чтобы обратиться к Французской академии наук. Он собирался взять на себя другая радикальная причина. К этой лекции Французская Академия не была готова. Это было о Джеймсе Ватте.

Он начал с того, что вспомнил двух французских мыслителей, у которых была идея парового двигателя. Но, — сказал он, — потребовалось, чтобы англичане воплотили эту идею в жизнь. Они построили настоящие двигатели, и единственной наукой, которая им помогла, была их собственная наука проницательные наблюдения. И, он добавил, эти двигатели улучшили жизнь бедняков.

С этим он зашел слишком далеко. Французские интеллектуалы предпочитали видеть английский машины как варварские. Араго вызвал гневный крик.Вскоре после этого он написал вторую статью защищаться. Он озаглавил его «О машинах, рассматриваемых в связи с процветанием». рабочих классов «. Он говорит о том, что большинство из нас считает само собой разумеющимся: машины не крадут рабочие места, они их создают. Машины делают товары доступными для бедных. И так далее.

Араго отметил гуманитарный импульс, который двигал такими людьми, как Ватт, в первую очередь. место. Ватт действительно создал машины в интересах простых людей, кем он был.

Теперь обратите внимание, как я отошел от механической силы на сторону двусмысленности Босвелла. в сторону политической власти . Эти двое, безусловно, связаны.

И если средства для крупномасштабного производства электроэнергии были единственной вещью, которая выросла из 18 век средство контроля власти было другим. Возможно, самым драматичным элементом
в двигателе Ватта был его регулятор flyball.

Регулятор

Watt был превосходным примером управления с обратной связью.Контроллеры обратной связи, механизмы, которые обнаруживают несоответствие и исправляют его, абсолютно простреливаются нашим мир сегодня. Мы почти не проживаем и часа дня без обратной связи. устройства — поплавковые клапаны в наших туалетах, термостаты в наших комнатах, контроль давления клапаны и карбюраторная электроника в наших автомобилях.

Эта замечательная и повсеместная часть нашей жизни отсутствовала в 1700 году. обратная связь впервые появилась 2000 годами ранее в эллинистической Северной Африке — в этот потрясающий век изобретений и экспериментов.

Евклид и Архимед работали в Александрии. Так же поступали такие инженеры, как Филон, Кцебиос, и Херон. Эти инженеры были художниками, работавшими на богатых покровителей. Их работа была интеллектуальная игра. Они использовали его, чтобы ослепить и развлечь.

Например, мы идем на банкет, скажем, в 100 году до нашей эры. Чаша с вином стоит в центре стол с краном над ним. Мы в гости окунаем вино из чаши. Когда уровень падает, вино волшебным образом начинает вытекать из крана, наполняя чашу.

Внутри, скрытый от глаз, находится поплавковый клапан с шаровой головкой, такой же, как в вашем унитазе
. Это чистый контроль с обратной связью. Он определяет, сравнивает и корректирует жидкость уровень — сам по себе, без вмешательства человека.

Подобные вещи были обычным явлением в эллинистическом мире. Один из первых отзывов устройств был водяной часовой регулятор расхода. Инженер III в. До н.э. Кцебиос. превратили древние водяные часы в точный хронометраж, изобретя поплавковый стопор для регулирования постоянного потока воды в индикаторный резервуар.

Теперь рассмотрим обратную связь — о саморегулировании машин: Когда мы отпускаем ручку, мы отказываемся от контроля. Для тоталитарного разума это очень неудобное занятие.

Императорский Рим захватил Египет незадолго до Рождества Христова. Римляне были великими пользователи техники. Но они не внесли много новых идей. И они конечно ничего больше не сделал с концепцией обратной связи. Арабские ученые и ремесленники сохранили водяные часы живы, но они также проигнорировали концепцию обратной связи, которая ее регулировала.За 1300 лет водяные часы были единственным остатком концепции обратной связи в тоталитарном мире. И во всем Тогда, , ни римляне, ни арабы, ни кто-либо еще не изобрели ни одного нового устройства обратной связи.

С водяными часами с обратной связью прямо перед ними — ученые читают и копирование эллинистической литературы — со всем доступом к этой чудесной идее — На протяжении большей части двух тысячелетий новых устройств обратной связи не появлялось.Мы могли бы сделать всевозможные устройства с доступной техникой — регулирование потока, терморегулирование, ветряк ориентация и так далее и так далее. Эти вещи были в пределах нашей досягаемости. Почему мы ничего не сделали с ними?

Что ж, у авторитарных умов действительно есть проблемы с обратной связью. Это противоречит кому-то кто хочет писать правила и следить за их соблюдением. Обратная связь возникла в золотой век интеллектуальной свободы. К 1300 году водяные часы были всем, что осталось от этого изобретательного излияние.

Затем его заменило новое изобретение с совершенно новым персонажем. Механические часы имели никаких функций обратной связи нет. Его точность полностью зависела от получения абсолютно всего. в самом начале.

Упорядоченные механические часы отвлекали средневековое воображение. Заводной механизм с колесами и шестерни, стали новой метафорой творения Бога. Бог приказал планетам просто как по маслу, сказали они. Он завел их и привел в движение.

Итак, последние остатки саморегулирования испарились. Мы приняли концепцию часового механизма, и к 1700 году мы расширили эту концепцию до предела.

Исаак Ньютон, описавший физику движения планет, все еще считал это второстепенным. возмущения, вызванные, скажем, метеоритами, дестабилизируют орбиты планет. Он не понял к тому, что орбиты устойчивы. Он верил, что Бог — небесный часовщик — время от времени приходилось вмешиваться, чтобы перенастроить Свою машину.

Французские короли — Луизы — не отражали эту точку зрения только в их фетишах. для сложных часов и заводных игрушек. Их торговая экономическая система отражала часовая концепция экономического контроля.

Меркантильная идея заключалась в том, что страны оговаривали торговый баланс заранее. В Предполагается, что нация имеет колонии, обеспечивающие сырьем и золотом. Рабочий класс производит товары внутри страны. Затем эти товары используются аристократией, и их продают обратно в колонии.Потребности рабочего класса должны быть сведены к минимуму. и его население увеличилось.

Эта формула была рассчитана, чтобы довести чрезмерно регулируемое население до революции. В Англия, революция приняла форму растущего осознания того, что технология может освободить рабочий класс. Английские торговцы видели, что люди, производящие товары, могут владеть ими. товары. Это нарушило заводское торговое уравнение. И, конечно же, это это собирая революцию, эта обратная связь внезапно снова нахлынула.

Революция началась среди протестантских английских торговцев-диссидентов. Сначала они построили сеть каналов. Затем они начали производить и перемещать товары вдали от Лондона. и вдали от контроля центрального правительства. Их революция прошла тихо и основательно. Простолюдины ухватились за изобретения. После того, как кузнец Ньюкомен изобрел пар движка, игра началась не на шутку.

Мы с вами удивляемся, когда находим промышленных гигантов, таких как Джозайя Веджвуд, Мэтью Бултон и Джеймс Ватт встречаются с такими учеными, как Эразм Дарвин, Джозеф Пристли и Уильям Гершель.Они сформировали революционную ячеечную группу под названием Лунное общество. Они говорили о науке, технологии и социальные вопросы. Джозеф Броновски сказал о Лунном обществе:

То, что проходило через это, было простой верой:
Хорошая жизнь — это больше, чем материальная порядочность,
но хорошая жизнь должна основываться на материальной порядочности.

Итак, концепция управления с обратной связью впервые вернулась в инженерное дело в Англии. Поплавковые клапаны начали появляться примерно в 1740 году.Впервые они появились как уровень воды контроллеры в новых паровых котлах, а вскоре за ними последовали унитазы со смывом. контроллеры уровня в своих расходных баках.

Обратная связь сыграла контрапункт назревающей промышленной революции. Он приехал новые претензии на свободу. И наше путешествие, наконец, приводит нас в Шотландию, где Дэвид Хьюм, Джеймс Ватт и Адам Смит активно использовали обратную связь; и их жизни были переплетены.

Флайбольный регулятор Ватта, изобретенный в 1789 году, был первым современным контроллером.Это была чистой обратной связью в очень сложной форме. Требования к мощности на любом двигателе различаются. поскольку пользователям требуется больше или меньше мощности. Уменьшите нагрузку, не меняя пар и двигатель разгоняется до тех пор, пока не станет слишком быстро для эффективного использования пара.

Ватт решил это путем раскручивания регулятора с ремнем от маховика. Когда маховик ускорился, и губернатор тоже. Инерция флайболов размахивала руками наружу, и это привело в действие механизм, который закрыл клапан подачи пара.Это было сочетание формы и функции, которое было чистой поэзией в движении. Это была обратная связь в в чистом виде.

Но самый известный процесс обратной связи в Шотландии был даже более поразительным, чем флайбол губернатор. Дэвид Хьюм применил идею обратной связи в замечательном и совершенно новом, способом в 1752 году. Юм изложил теорию саморегулирования международного денежного рынка. Он сказал, что если уровень цен в стране ниже, чем у ее соседей, ее экспорт возрастет.Что приносит больше денег, но также вызывает рост цен. Тогда экспорт товаров капли и так далее. Это было чисто обратное описание экономики.

Это был друг Юма Адам Смит, который действительно развил это мышление несколько лет спустя. с его отзывами laissez faire экономическая модель. Конечно, laissez faire означает что-то вроде: «Пусть природа идет своим чередом» или «Пусть все идет своим чередом». самих себя.»

Смит опубликовал свой решительный вызов меркантилизму, его «Богатство народов » , в 1776 году.Это было очень радикальное мышление. Это была не только чистая обратная связь. Это тоже была чистая революция.

Но идеи Смита теперь вошли в мир, готовый снова мыслить в этих терминах. Итак, наследие этих древних эллинистических инженеров, наконец, принесли свои плоды спустя 1800 лет. В Концепция обратной связи лежала в основе революции 18 века. Александрийский концепция самокоррекции — вот что такое демократия.

Язык идеи пронизан американской Конституцией, которая была разработана прямо в то же время, что и двигатель Ватта.»Система сдержек и противовесов», которую мы так ценим это регулирующие клапаны конституционной системы. Они еще один пример чистого управления с обратной связью.

Мы забрали власть у князей и других лидеров. Мы дали возможность обратной связи Контроллер — к нашей Конституции. Мы создали механизм, с помощью которого мы могли регулировать мы сами.

Сегодня нас окружают контроллеры обратной связи. Мы задаемся вопросом, как мы когда-либо могли подумать иначе! Но мы это сделали.Мы с вами удивлены, что Ньютон регулярно видел Бога прерывая исполнение Его собственных законов, чтобы Его творение продолжало работать. Но Рационалисты 18-го века видели Бога не только как часовщик , . Они видели Его как Great Clock- Winder тоже. Чтобы понять это, мы должны понять степень, в которой наши технологии отражают наше мировоззрение. Это определяет то, что мы есть.

Механические часы ярко выразили наш культурный центр притяжения. надолго.Сегодня идея регулирующего клапана гораздо глубже. в наш язык и в наше существо, чем большинство из нас думает.

Наша технология, частью которой являются наше искусство и наше оборудование, наша технология течет из какой-то точки глубоко внутри нас. Он могущественнее королей и императоров. Раскин сказал, что

Великие народы записывают свои биографии в трех рукописях, книге их дел, книгу их слов и книгу их искусства — и из трех, единственный заслуживающий доверия — последний.

Итак, мы пытаемся читать книгу об искусстве и технологиях 18 века. Люди, которые в конечном итоге цивилизацию создают не ее лидеры и ее воины. Цивилизации сделаны людьми, которые на самом деле имеют в руках машины, которые в конечном итоге определить цивилизацию.

Мэтью Бултон сделал гораздо больше, чем остроумное замечание, когда сказал Босвеллу, что он продал «вот, сэр, то, что желает весь мир — СИЛУ». Он действительно был вернуть политическую власть людям, когда он продал им эти великие Ватт-двигатели.

Я рассказал эту историю сегодня вечером, чтобы напомнить вам о масштабности работы. которую вы, студенты, изучаете. Ни на минуту не думай, что ты работайте только на фоне вашей культуры. Отнюдь не! Вы действительно определите мир для всех остальных. И лучше сделай это правильно!

НЕКОТОРЫЕ ИСТОЧНИКИ

Линхард, Дж. Х., «Я продаю здесь, сэр, то, что желает иметь весь мир — ВЛАСТЬ.» Информационный бюллетень энергетической лаборатории , № 31, Хьюстон, Техас: Университет Хьюстона Energy Lab., 1994, стр. 3-9.

Канефски Дж., Роби Дж. Паровые двигатели в Британии XVIII века: количественный анализ. Оценка. Технологии и культура , Vol. 21, No. 2, 1980, pp. 161-186.

Ларднер, преподобный Дионисий, Паровая машина, знакомая с объяснением и иллюстрацией . Филадельфия: Кэри и Харт, 1836.

Хан, Р., Араго, Доминик Франсуа Жан. Словарь научной биографии, Vol. 1 (C.C. Gilespie, ed.) Chas. Сыновья Скрибнера, 1970-1980 гг.

Араго, М., Жизнь Джеймса Ватта . 2-е изд., Эдинбург: Адам и Чарльз Блэк, 1839. (М. должен обозначать месье. Инициалы Араго были Д. Ф. Дж. Этот том также включает реплику Араго «Об рассматриваемом оборудовании …», «Элогиум» лорда Джеффри. Джеймса Ватта из «Британской энциклопедии » и «Исторического Учет состава воды.»

В 1905 году американский провидец Эндрю Карнеги также написал биографию Джеймс Ватт. (Карнеги, А., Джеймс Ватт, , Нью-Йорк: Doubleday, Page & Co., 1905.) Он сделал несколько ссылок на важную лекцию Араго.

Брэдли, М. и Перрин, Ф., Ознакомительные поездки Чарльза Дюпена на Британские острова. Технологии и культура , Vol. 32, № 1, январь 1991 г., стр. 47-68.

Янг, Отис Э., младший, Черная пороха и ручная сталь: горняки и машины на старом Западная граница .Норман, ОК: Univ. Oklahoma Press, 1975 г. (для фотографии 1890 г. двигатель Корнуолла.)

Майр О., Истоки управления с обратной связью . Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 1970.

Испытание парового двигателя Fth5, пример лабораторного отчета

Введение

Изобретение паровой машины, изобретенное Джеймсом Ваттом во время промышленной революции, было началом современной технологии. Паровые двигатели были стандартной технологией, которая использовалась в течение 18 ^{-х годов} века для производства большого количества энергии, и фактически 75% энергии, производимой сегодня, используют паровые циклы.К ним относятся атомные электростанции и преобразование геотермальной энергии. (Struchtrup, 1) С момента изобретения эффективность паровых двигателей была исследована и улучшена за счет развития термодинамики. Средний тепловой КПД паровых электростанций в Северной Америке составляет 36%. Если паровые двигатели сочетаются с циклами газовой турбины, выхлоп турбины увеличивает КПД до 60%, поскольку он обеспечивает теплом парогенератор. (Sturchtrup, 1) Постоянно проводятся лабораторные эксперименты, чтобы получить общее представление о тепловом двигателе, а также понять и рассчитать эффективность цикла.Цель этого лабораторного эксперимента состояла в том, чтобы наблюдать реальную модель мощности пара и оценить, как работает тепловая машина, и требования, которые необходимы для того, чтобы тепловая машина извлекала тепло из горячего источника и отводила тепло в холодный сток, чтобы производить работу. Кроме того, целью было понять, как рассчитать КПД цикла, а также получить опыт использования пара в качестве рабочего тела. (Лабораторный эксперимент FTH5, 1)

Методы

В эксперименте использовался двигатель Стюарта «Сириус» с цилиндрами двойного действия.Каждому партнеру лаборатории были поручены три основные функции. Один человек отвечал за то, чтобы уровень воды в бойлере не опускался ниже уровня на стеклянном манометре. Одному человеку было поручено пополнять масляную смазку в верхнем цилиндре парового двигателя каждые 15 минут. По истечении каждых 15 минут паровой клапан в верхней части котла B закрывается, крышка маслозаливной горловины C откручивается, сливной кран D откручивается и снова затягивается, крышка маслозаливной горловины C снимается, клапан регулятора пара E был закрыт, масло было повторно залито в крышку маслозаливной горловины, а клапан регулятора пара был открыт на пол-оборота.Другой человек отвечал за контроль давления в котле, включая и выключая нагреватели. Этот человек следил за тем, чтобы толщина котла не превышала 300 кН / м2.

Было проведено два теста. Производительность двигателя оценивалась и поддерживалась путем заполнения котла до верхней отметки на указателе уровня. Пружинные противовесы регулярно корректировались. Когда давление достигло 40 кН / м2, паровой клапан открыли и двигатель запустили. Было замечено, что давление пара достигло 1800 об / мин, и были произведены и рассчитаны следующие измерения: количество, давление, средняя скорость двигателя, нагрузка, начальные показания счетчика электроэнергии, окончательные показания счетчика электроэнергии, электрические работы в = окончательный — начальный, температура охлаждающей жидкости Вход, температура охлаждающей жидкости на выходе, разница температур охлаждающей жидкости = выход, объемный расход охлаждающей жидкости, массовый расход охлаждающей жидкости.

Результаты

Результаты эксперимента проиллюстрированы в таблицах 1, 2, 3 и 4. Было проведено два теста для сравнения результатов по тепловой мощности, работе, КПД и потерям тепла. Результаты для теста 1 составили 34,9% эффективности и 29,3% для теста 2 (таблица 2 и таблица 4). Потери тепла для теста 1 составили 1490,49 Вт и 1003,0 Вт для теста 2.

Таблица 1. Измерения Теста 1.

Кол-во	Символ	Измерение
Давление	П	300 кН / м2
Средняя частота вращения двигателя (из таблицы ниже)		656.40 об / мин
Нагрузка	N	3 N
Первоначальные показания счетчика электроэнергии	Т	17,66 кВтч
Окончательные показания счетчика электроэнергии		1767,16 кВтч
Электромонтажные работы in = Final — Initial	E	0,56 кВтч
Температура охлаждающей жидкости на входе		20 ºC
Температура охлаждающей жидкости на выходе		30 ºC
Разница в температуре охлаждающей жидкости = на выходе		10 ºC
Объемный расход охлаждающей жидкости	Θдифф	160 л / час
Массовый расход охлаждающей жидкости	м	0.04 кг / с

Таблица 2. Расчеты тепловой мощности, работы, КПД и потерь тепла во время испытания 1.

Измерение	Результат
Тепловая мощность, Q дюйм	3,36 кВт
Тепловая мощность на выходе, Q на выходе	1,86 кВт
Тренировка, Вт	11,71 Вт
КПД	0.349 или 34,9%
Потери тепла	1490,49 Вт

Таблица 3. Измерения Теста 2

Кол-во	Символ	Измерение
Давление	П	200 кН / м2
Средняя частота вращения двигателя (из таблицы ниже)		590,87 об / мин
Нагрузка	N	3 N
Первоначальные показания счетчика электроэнергии	Т	1767.30 кВтч
Окончательные показания счетчика электроэнергии		1767,70 кВтч
Электромонтажные работы in = Final — Initial	E	0,40 кВтч
Температура охлаждающей жидкости на входе		25,5 ºC
Температура охлаждающей жидкости на выходе		18 ºC
Разница в температуре охлаждающей жидкости = на выходе		7,5 ºC
Объемный расход охлаждающей жидкости	Θдифф	160 л / час
Массовый расход охлаждающей жидкости	м	0.04 кг / с

Таблица 4. Расчеты тепловой мощности, работы, КПД и потерь тепла во время испытания 2.

M Осмотр	Результат
Тепловая мощность, Q дюйм	2,4 кВт
Тепловая мощность на выходе, Q на выходе	1,39 кВт
Тренировка, Вт	7,03 Вт
КПД	0.293 03 29,3%
Потери тепла	1003.0 Вт

Обсуждение

Паровая машина — это устройство, преобразующее тепловую энергию сжатого пара в работу. В текущем эксперименте паровой двигатель Стюарта Сириуса использовался в качестве источника парового двигателя. Устройство работает в соответствии с законами термодинамики, так что тепловая энергия, подаваемая в систему, демонстрирует изменение внутренней энергии, а изменение работы выполняется системой против внешних сил (Законы термодинамики 1).В этом двигателе, когда газ в цилиндре расширяется, сила, оказываемая газом на поршень, перемещается, и пар высокого давления течет в левый цилиндр, заставляя поршень опускаться. (Лабораторный эксперимент FTH5, 1) Следовательно, в этом оборудовании источником тепла является пар, а радиатором — поршень.

Замкнутый цикл имеет равные начальное и конечное состояния; следовательно, теплообмен, произведенный во время замкнутого цикла, должен равняться объему выполненной работы. (Термодинамика) Для возникновения замкнутого цикла тепловая машина должна работать с двумя резервуарами с постоянной температурой.(Термодинамика) В текущем эксперименте произошли изменения в температурных резервуарах.

Существует множество различных факторов, которые могут повлиять на производительность или эффективность теплового силового устройства, например, схема цикла, параметры пара на входе и выходе, а также сам двигатель. В конечном итоге производительность или эффективность определяется компонентами пара, такими как клапаны или колпачки. (Достижения в технологии Steam Path, 1) В текущем эксперименте вычисленная эффективность составила 34.9% и 23,9%. Это означает, что паровая машина может преобразовывать только 34,9% и 23,9% тепла в полезную работу. Это низкий процент эффективности, поскольку паровые двигатели теряют тепло из-за большой открытой поверхности, и невозможно поддерживать пар при высоких температурах. (Национальный совет по исследованиям и образованию) В обоих проведенных тестах наблюдалась потеря тепла. Поскольку у паровых двигателей такой низкий процент эффективности, постоянно ведутся исследования по разработке устройств паровых машин с различными циклами для увеличения процента эффективности.

Цитируемых работ

CliffNotes. 2012. Законы термодинамики. Интернет. Получено 19 апреля 2012 г. с сайта: http://www.cliffsnotes.com/study_guide/The-Laws-of-Thermodynamics.topicArticleId-10453,articleId-10429.html

Кофер Дж., Райнкер Дж., Самнер У. Достижения в технологии парового тракта . GE Power Systems GER-3713E. 40стр.

Национальный совет по исследованиям и образованию. Двигатель внутреннего сгорания. Интернет. Получено 19 апреля 2012 г. с: http: // www.ncert.nic.in/html/learning_basket/energy10class/combustion%20engine1.htm

Struchtrup, H. 2005. Университет Виктории, факультет машиностроения. Паровоз МЕЧ 390 Лаборатой 2. 5 стр.

Термодинамика. Интернет. Получено 19 апреля 2012 г. с сайта: http://www.innovatia.com/Design_Center/rktprop1.htm

Машиностроительный университет Бирмингема. Лабораторный эксперимент FTH5. Испытание парового двигателя.

This Month in Physics History

Тем не менее, дизайн Savery вдохновил более поздних инженеров на разработку улучшенных версий.Одним из таких людей был кузнец по имени Томас Ньюкомен, которого Савери нанял для изготовления собственного двигателя. Он позволил кузнецу выковать копию машины для собственного исследования на заднем дворе. Ньюкомен изобрел атмосферный паровой двигатель, который использовал (как следует из названия) атмосферное давление для закачки пара в цилиндр. Воздействие холодной воды затем приводило к конденсации пара и созданию вакуума внутри цилиндра, в результате чего давление приводило в движение поршень. Он и Джон Калли построили рабочий прототип в 1712 году и использовали его для откачки шахты, затопленной водой.

Savery имел настолько широкий патент на паровой двигатель, а именно на использование поверхностной конденсации, что он был указан как соавтор патента на атмосферный паровой двигатель, хотя двигатель Ньюкомена показал значительно улучшенные характеристики, значительные механические отличия, в нем не было необходимости. для давления пара, а вакуум использовался иначе. Так что у Ньюкомена не было иного выбора, кроме как начать с ним бизнес, продавая свой собственный превосходный дизайн под патентом Савери. Срок действия патента истек в 1733 году, через четыре года после смерти Ньюкомена (Савери умер в 1717 году).Сегодня компания Savery в Соединенном Королевстве продолжает производство ряда электрогидравлических систем.

Конструкция была достаточно хороша, чтобы доминировать в горнодобывающей промышленности на протяжении десятилетий, а также использовалась для осушения заболоченных земель, но она все еще страдала от чрезмерного использования пара, поскольку насосы приходилось охлаждать после каждого хода, а затем повторно нагревать. Полный потенциал паровой машины не будет реализован в ближайшие 50 лет. Джеймсу Ватту, производителю инструментов из Университета Глазго в Шотландии, было поручено решить проблемы с паровым двигателем Ньюкомена.

Ватт понял во время воскресной прогулки в 1765 году, что он может конденсировать пар без охлаждения цилиндра, используя отдельный конденсатор. Уже на следующий день он протестировал эту концепцию в своей лаборатории, построив импровизированный поршень и конденсатор из латунного шприца. Это сработало, хотя прошло еще 11 лет, прежде чем Уатт получил рабочий прототип. Его устройство вскоре стало самой популярной конструкцией паровых двигателей в 18 веке — как раз вовремя, чтобы способствовать промышленной революции.Ваттная единица мощности названа в его честь.

Дополнительная литература

Hulse, D.K. 1999. Ранняя разработка паровой машины . Лимингтон-Спа, Великобритания: TEE Publishing.

Марсден, Б. 2002. Идеальный двигатель Ватта . Нью-Йорк: издательство Колумбийского университета.

Savery, T. 1827. Друг шахтера: или двигатель для подъема воды . Лондон: С. Крауч.

% PDF-1.4 % 1005 0 объект > эндобдж xref 1005 78 0000000016 00000 н. 0000002630 00000 н. 0000002790 00000 н. 0000003769 00000 н. 0000004295 00000 н. 0000004568 00000 н. 0000005210 00000 н. 0000005467 00000 н. 0000005580 00000 н. 0000005695 00000 п. 0000005747 00000 н. 0000005800 00000 н. 0000005852 00000 н. 0000005904 00000 н. 0000005957 00000 н. 0000006010 00000 н. 0000006062 00000 н. 0000006114 00000 п. 0000006167 00000 н. 0000006220 00000 н. 0000006272 00000 н. 0000006324 00000 н. 0000006377 00000 н. 0000006429 00000 н. 0000006481 00000 н. 0000006534 00000 н. 0000006998 00000 н. 0000007770 00000 н. 0000008627 00000 н. 0000009501 00000 п. 0000010264 00000 п. 0000011029 00000 п. 0000011809 00000 п. 0000012612 00000 п. 0000013309 00000 п. 0000014093 00000 п. 0000049584 00000 п. 0000075188 00000 п. 0000075522 00000 п. 0000075698 00000 п. 0000075888 00000 п. 0000076136 00000 п. 0000076366 00000 п. 0000076478 00000 п. 0000076906 00000 п. 0000077287 00000 п. 0000077525 00000 п. 0000077729 00000 п. 0000078155 00000 п. 0000078467 00000 п. 0000078592 00000 п. 0000078708 00000 п. 0000078977 00000 п. 0000079179 00000 п. 0000079294 00000 п. 0000119801 00000 н. 0000119842 00000 н. 0000120166 00000 н. 0000120265 00000 н. 0000120416 00000 н. 0000121955 00000 н. 0000123751 00000 н. 0000125033 00000 н. 0000127018 00000 н. 0000127801 00000 н. 0000128066 00000 н. 0000130563 00000 н. 0000132941 00000 н. 0000146340 00000 н. 0000146827 00000 н. 0000147197 00000 н. 0000149825 00000 н. 0000151313 00000 н. 0000151816 00000 н. 0000152079 00000 н. 0000154668 00000 н. 0000002428 00000 н. 0000001856 00000 н. трейлер ] / Назад 464134 / XRefStm 2428 >> startxref 0 %% EOF 1082 0 объект > поток hb«b`X Ā

Прокатная мембрана, приводимая в действие низкотемпературным паром, как новый подход к генерированию механической энергии

Прокатка мембраны, приводимая в действие водяным паром

В этой работе генерация механической энергии из низко- а высокотемпературный пар реализуется полимерной мембраной асимметричной формы.Мембрана изготовлена на основе перфторированной ионной сульфоновой кислоты ^32,33, подробности см. В разделе «Материалы и методы». Стеклянную чашку с деионизированной водой помещали на нагревательную пластину, и температуру воды одновременно измеряли инфракрасным датчиком и термопарой. Сначала воду нагревали до определенной температуры. Затем водонасыщенную мембрану осторожно прижимали к воде пинцетом. При температуре выше 50 ° C мембрана плавает по воде и повторяет перекатывание из стороны в сторону.Соответствующие видео отображаются в дополнительной информации (видео 1 и видео 2 показывают, как мембрана катится по воде при 85 ° C и 90 ° C соответственно). При повышении температуры от 50 до 90 ° С мембрана скатывается быстрее.

Принципиальная схема прокатки мембраны показана на рис. 1. Как показано на рис. 1А, мембрана была насыщена водой. На Фигуре 1B мембрана аккуратно прижата к поверхности воды, а внешние края мембраны (обозначены прямоугольником и треугольником) изогнуты вверх.Это искривление происходит из-за усадки (уменьшения степени набухания) мембраны на противоположной стороне от воды из-за испарения водяного пара ^32,33. На рис. 1C один из внешних краев мембраны изгибается в первую очередь внутрь (в качестве примера используется внешний край справа, отмеченный треугольником). Положение изгиба мембраны обозначено красной пунктирной рамкой на фиг. 1С. Наружная поверхность изгиба мембраны демонстрирует высокую степень набухания, поскольку она подвергается воздействию водяного пара и увлажняется.Однако внутренняя поверхность изгиба мембраны продолжает испаряться и сжиматься. Следовательно, асимметричное набухание мембраны приводит к изгибу мембраны и заставляет изгиб продолжаться. На фиг.1D мембрана перекрывается из-за дальнейшего изгиба. На рис. 1Е внешний край, отмеченный треугольником, продолжает двигаться вперед до тех пор, пока не выходит за край мембраны и не соприкасается с водой. На рис. 1F мембрана растекается по воде. На рис. 1G правая и левая части мембраны перевернуты, т.е.е. мембрана полностью переворачивается. Затем эти процессы начинаются и повторяются, и мембрана катится по воде. В природе такое перекатывание мембраны объясняется разницей в концентрации водяного пара (пара) на двух сторонах мембраны (ближняя и дальняя вода), что также вызывает различия в содержании воды. как коэффициент набухания мембраны с двух сторон. Физически это вращение мембраны приводится в движение водяным паром (паром), как «паровой двигатель».

Рисунок 1

Принципиальная схема качения мембраны по воде, приводимой в действие паром. Прямоугольник и треугольник используются для обозначения левого и правого внешних краев мембраны соответственно.

Чтобы подтвердить, что вращение мембраны происходит за счет пара, а не тепла, был проведен дополнительный эксперимент, показанный на видео 3 и видео 4 в дополнительной информации (на рис. 2 показана схематическая диаграмма). Если надеть сухую мембрану над водяным паром (рис.2A) многочисленные молекулы воды были поглощены мембраной около воды (рис. 2B). В результате мембрана около воды сильно набухла и заставила мембрану изгибаться в направлении от воды (рис. 2С). Видео 3 отображает подробности. Однако, когда сухая мембрана помещается непосредственно над нагревательной пластиной, не наблюдается явной деформации мембраны (рис. 2F и видео 4).

Рисунок 2

Принципиальная схема воздействия пара ( A , B , C ) и тепла ( E , F , G ) на сухую мембрану.

На рис. 3 показана асимметричная форма мембраны, причем асимметричная форма разработана специально. Однозначно, изгиб мембраны под действием пара начинается с внешних краев. В эксперименте для мембраны симметричной формы (например, квадратной или закругленной) ее внешние края всегда изгибаются вместе и сжимают друг друга, что сильно замедляет скатывание мембраны. Однако для мембраны асимметричной формы, показанной на фиг. 3, выступающая часть более гибкая, чем плоская, что гарантирует, что изгиб предпочтительно начинается с выступающей части, что облегчает скатывание мембраны.Кроме того, даже если выступающие части время от времени изгибаются вместе, они будут качаться друг с другом и продолжать скатывание мембраны.

Рисунок 3

Асимметричная форма мембраны. Пунктирными прямоугольниками ( A ) и ( B ) отмечены выступающие части и плоские части мембраны соответственно.

Скорость прокатки мембраны как функция температуры воды

В настоящей работе, как показано на рис. 1, процессы от A до G определены как один раз прокатки мембраны.Скорость прокатки мембраны как функция температуры воды была измерена и отображена на рис. 4. При повышении температуры от 50 до 90 ° C скорость прокатки мембраны увеличивается. Это вызвано более быстрым испарением воды из мембраны из-за более высокой температуры. Как упоминалось выше, испарение воды с дальней водной стороны мембраны вызывает асимметричное набухание, искривление и непрерывное качение мембраны. Соответственно, более быстрое испарение воды способствует скатыванию мембраны.Кроме того, этот результат подтвердил, что вращение мембраны приводится в движение водяным паром.

Рисунок 4

Скорость прокатки мембраны в зависимости от температуры воды. При каждой температуре измерение проводилось 20 раз, и окончательный результат представлен в виде среднего значения и шкалы погрешности.

В частности, раскатывание мембраны может быть достигнуто при относительно очень низкой температуре 50 ° C, что очень ценно. На сегодняшний день большинство тепловых двигателей в мире по-прежнему работают на ископаемом топливе с использованием низкоэффективных процессов.В традиционном паровом двигателе воду необходимо кипятить для получения пара, и только высокотемпературный пар может использоваться для выработки механической энергии. Однако большое количество низкопотенциальной тепловой энергии в виде низкотемпературного пара низкого давления тратится впустую ^1,2,3,4. Кроме того, низкотемпературная тепловая энергия богата разнообразием и в огромных количествах доступна во всем мире ^9,10,11,12. Использование этой низкотемпературной тепловой энергии имеет большое значение ^34,35, что превышает возможности традиционных паровых двигателей.В настоящей работе результаты убедительно свидетельствуют о том, что катание мембраны может приводиться в действие паром с температурой всего 50 ° C, что указывает на новый подход к генерированию механической энергии из обильной низкотемпературной тепловой энергии в мире.

При температуре 90 ° C средняя скорость прокатки мембраны достигает максимального значения 21,6 раз в минуту (/ мин). Однако дальнейшее повышение температуры приводит к быстрому снижению скорости прокатки. При температуре выше 97 ° C скорость прокатки снижается до менее 3 / мин, из-за того, что пузыри кипяченой воды мешают скатыванию мембраны.Кипяченая вода производила слишком много пара, который увлажнял обе стороны мембраны. Таким образом, одинаковая степень набухания двух сторон мембраны снижает асимметричную деформацию мембраны, которая неблагоприятна для изгиба, а также для скатывания мембраны. Соответственно, настоящая «паровая машина» на основе мембраны способна генерировать механическую энергию от источника тепла с температурой в диапазоне от 50 ° C до 100 ° C, а скорость генерации достигает максимума при 90 ° C.

В заключение, в настоящей работе сообщается о новом методе преобразования тепловой энергии в механическую с помощью полимерной мембраны.И принцип, и конструкция «паровой машины» на основе мембраны просты, что свидетельствует о невысокой стоимости ее строительства и эксплуатации. Кроме того, в идеале, принимая во внимание некоторые технологии сбора механической энергии, механическую энергию прокатки мембраны можно напрямую преобразовать в другие формы полезной энергии. Например, трибоэлектрическая технология ^{36,37,38,39,40} может быть возможным подходом для использования окружающей механической энергии, генерируемой катящейся мембраной.Как сообщили проф. Ван, З. Л. и соавторы, трибоэлектрический генератор в форме пленки является гибким и легким, он основан на полимере и может вырабатывать электрическую энергию при нажатии или деформации (механическая деформация) ³⁹. Таким образом, если к настоящей мембране может быть присоединен трибоэлектрический генератор, вращение мембраны может приводить в действие трибоэлектрический генератор, таким образом осуществляя преобразование механической энергии в электрическую. Кроме того, как и трибоэлектрический генератор, пьезоэлектрический генератор ^{, 41, 42, 43,} также является возможным способом преобразования механической энергии, генерируемой катящейся мембраной, в электрическую энергию.Это предположения, и необходимо более глубокое исследование. Тем не менее, «паровая машина» на основе мембран может показать потенциал в создании теплового двигателя нового типа.

Прикладные науки | Бесплатный полнотекстовый | Паровой двигатель двойного действия Агустина де Бетанкура: анализ с помощью компьютерной техники

1. Введение

Агустин де Бетанкур-и-Молина был одним из отцов инженерии в период испанского Просвещения [1]. Эта статья направлена на анализ с инженерной точки зрения одного из самых спорных изобретений в его карьере — паровой машины двойного действия, первой паровой машины такого типа, достигшей европейского континента.Это изобретение уже было объектом детального изучения с точки зрения графической инженерии, что позволило нам получить надежную 3D-модель САПР [2], на основе которой было проведено настоящее исследование и которая привела к открытию концепция энергетической симметрии, с которой Бетанкур разработал это изобретение. Его новизна и научный интерес заключаются в том, что с точки зрения промышленной археологии и изучения технического исторического наследия не существует всемирного исследования этого изобретения, которое ознаменовало историческую веху в разработке паровых двигателей промышленной революции. (1760–1840).Это подчеркивает полезность и оригинальность данного исследования. До конца восемнадцатого века в Европе был известен паровой двигатель английского изобретателя Томаса Ньюкомена, простой паровой двигатель, работавший за счет разницы давлений в двух камерах цилиндра. . Это изобретение основывалось на охлаждении водяного пара внутри цилиндра, который создавал вакуум. Верхняя поверхность поршня, открытая для атмосферы, толкала его вниз, заставляя его вернуться в исходное нижнее положение.Это движение поршня приводило в действие коромысло, которое приводило в движение другие вращающиеся элементы через шатунно-кривошипный механизм [3]. Впоследствии Джеймс Ватт (инженер-механик и шотландский изобретатель) работал с 1765 года над паровым двигателем Ньюкомена, введя новый элемент (конденсатор), который утроил производительность по сравнению с его предшественником. Этот простой элемент позволил использовать не только вакуум, создаваемый водяным паром при конденсации, но и его расширение, уменьшая таким образом количество водяного пара, необходимое для движения поршня.Он также представил другие элементы для повышения производительности, такие как планетарная зубчатая передача, которая, среди прочего, облегчила движение инерционного маховика.

В 1782 г. патент Джеймса Ватта достиг совершенства, когда шотландский инженер приспособил верхнюю часть цилиндра так, чтобы впуск пара мог быть реализован как ниже, так и выше поршня, давая возможность пара толкать его с обеих сторон.

Он также усовершенствовал коромысло, разработанное Томасом Ньюкоменом. Первоначально коромысло было прикреплено к цилиндру с помощью цепи и поэтому передавало движение только тогда, когда поршень двигался в цилиндре вниз [3].Однако паровая машина двойного действия была прикреплена к коромыслу с помощью рычага, который соединял шток поршня с концом коромысла. Посредством этого соединения также использовался ход поршня вверх, но он представлял трудность адаптации определенного движения колебания в оси поршня, поскольку, в то время как коромысло описывало круговое движение, ось поршня перемещалась вертикально. Несмотря на шарниры (расширенный механизм Уатта, состоящий из шарнирно-сочлененного параллелограмма), предназначенные для устранения этого движения и обеспечения эффективного прямолинейного направления поршня, в используемом двигателе наблюдалась значительная дезадаптация [3].В сентябре 1785 года Бетанкур начал свое второе пребывание в Париже, куда он вернулся с двойной комиссией: контролировать группу испанских пенсионеров и получать планы и документы для Королевского кабинета машин в Буэн-Ретиро. В течение этих лет он путешествовал по разным фабрикам и французским портам, делая записи и делился в Испании множеством идей и новых методов, с помощью которых можно было бы стимулировать промышленный прогресс страны. Именно в этот период он узнал о существовании паровой машины Джеймса Ватта и о том огромном прогрессе, который она представляла по сравнению с паровой машиной Ньюкомена [4].Испанский инженер, заинтересованный новостями о паровом двигателе, в ноябре 1788 года взял интервью у его изобретателей Джеймса Ватта и Мэтью Бултона, чтобы рассказать об их патенте. Они показали ему свои фабрики пуговиц и плакированного серебра, но не свои паровые машины. Тем не менее, ему удалось побывать на Мельницах Альбиона, которые строились возле моста Блэкфрайарс. Эта установка состояла из трех паровых машин, одна из которых была завершена [5]. Поэтому 16 декабря 1789 года он представил Парижской академии наук паровую машину двойного действия, основанную на конструкции Ватта, но улучшенную там, где она была. включало теоретическое исследование расширенного механизма Ватта, а также решение впервые в истории механизмов задачи синтеза генерации траекторий с тремя точками точности [6].В результате своих исследований парового двигателя он написал мемуары о расширяющейся силе водяного пара, которые получили одобрение Парижской академии наук в сентябре того же года [7]. работы испанского инженера по паровым двигателям в то время [8,9], но это изобретение никогда не анализировалось с инженерной точки зрения, что подчеркивает оригинальность и удобство настоящего исследования. Конечной целью этого исследования является выполнение статический анализ [10] паровой машины двойного действия методом конечных элементов [11] в реальных условиях эксплуатации, чтобы определить, имеет ли она надлежащие размеры и будет ли она правильно функционировать.

2. Материалы и методы

Исходным материалом была только информация, доступная на веб-сайте проекта Бетанкур Канарского Оротавского фонда истории науки [12]. Здесь представлена информация, относящаяся к изобретению, а также письмо, написанное его брату Хосе 6 марта 1789 года, в котором он сообщает новости о своем паровом двигателе, и отчет Парижской академии наук об исследовании изобретения. , подписанные Жаном-Шарлем Борда, Матюрен-Жаком Бриссоном и Гаспаром Монжем [5].С другой стороны, есть две работы Бетанкура, непосредственно связанные с этим изобретением. С одной стороны, в 1790 году Бетанкур написал свою «Mémoire sur la force expansive de la vapeur de l’eau» [7], который был одним из первых трактатов по прикладной термодинамике, в котором были представлены результаты экспериментов, проведенных с двойным фильтром. показана действующая паровая машина; и, с другой стороны, «Explication d’une machine destinée à curer les ports de mer» (1808 г.) [13], в котором он предлагает конструкцию механического земснаряда, установленного на корабле, механизм которого приводится в движение его двойным — действующая паровая машина.Во втором случае, как на чертежах, так и в мемуарах, Бетанкур объясняет механизм парового двигателя двойного действия, хотя и менее подробно. Чтобы получить 3D-модель парового двигателя в САПР [2], как шесть листов, так и 34-страничная память использовалась для объяснения изобретения и его действия, которые фигурируют в исходном файле Betancourt [5]. После получения 3D-модели САПР методология, применявшаяся для объекта статического анализа настоящего исследования, была такой же, как и та. использовался при изучении других изобретений Бетанкура [14,15,16,17], что придает ему значительную степень достоверности.

2.1. Работа парового двигателя двойного действия

Хотя 3D-модель парового двигателя двойного действия и его работа полностью описаны в ранее упомянутой публикации [2], было сочтено удобным кратко ее обобщить, чтобы облегчить понимание читателя, в связи с большим количеством компонентов и сложностью изобретения. Это объяснение основано на двух планах с указанием элементов, составляющих изобретение (Рисунок 1 и Рисунок 2).На рис. 1 представлен вид в изометрии, где сначала можно увидеть кирпичное здание, в котором находится котел (18) паровой машины. Это небольшая постройка по моделям угольных котлов того времени. Во-вторых, имеется большой коромысел, балансировочная ось которого поддерживается двумя колоннами квадратного сечения (предыдущая опущена, чтобы лучше видеть остальные элементы). Наконец, слева и справа от этих колонн находятся две хорошо различимые части: справа кривошипно-рычажный механизм, который приводит в движение инерционный маховик (5) больших размеров, а слева — гидропневматический контур, состоящий из серия компонентов, регулирующих его движение.

Через металлические двери кирпичного дома есть выход в помещение, где нагревается вода, находящаяся в большом котле над вогнутым пространством. В этом помещении сжигается уголь, вызывая тепловой шлейф в нижней зоне котла, так что вода в котле достигает температуры 100 ° C, превращая ее в пар, и она покидает здание котла через верхнюю трубу A (20 ).

Пар с высокой температурой достигает паровой камеры FF (22), которая функционирует как двухходовой клапан, то есть одно положение позволяет входить в верхнюю часть парового цилиндра (23), а другое положение направляет пар в нижний паровой ящик PQ (16).Таким образом, клапанная система позволяет направлять водяной пар к верхней или нижней поверхности поршня (27). Клапаны B и C (44) соотносятся с клапанами D и E (37), так что, когда правый клапан верхней паровой камеры открыт, левый клапан закрывается, а в клапанах нижней паровой камеры происходит обратное, правое клапан закрывается, а левый клапан открывается.

На рис. 3 показан путь водяного пара в трубах в зависимости от действия клапанов. На рис. 3а показан водяной пар под высоким давлением и температурой, воздействующий на верхнюю поверхность поршня парового цилиндра и вызывающий его падение, в то время как на рис. 3б происходит обратное: водяной пар при высоком давлении и температуре воздействует на нижнюю поверхность поршня. поршень, вызывающий движение вверх того же самого.Попадание водяного пара — не единственная причина движения поршня парового цилиндра. В конденсаторе (35) также создается вакуум, который создает значительную разницу давлений, которая способствует его движению. Это можно увидеть на рисунке 3b. Когда поршень достигает своей наивысшей точки, водяной пар с более низкой температурой вытесняется из цилиндра. В этот момент открывается клапан Y (13), позволяя мгновенно поступать холодной воды. Это падение температуры вместе с увеличением пространства, в котором находится пар (поскольку поршень воздушного насоса поднимается), вызывает конденсацию части водяного пара.Таким образом, при конденсации этого пара давление локально понижается, становясь ниже атмосферного, и, следовательно, поршень парового цилиндра и воздушный насос (29) опускаются вниз.

Поршень воздушного насоса имеет два небольших клапана, E ’и F’ (28), которые обеспечивают прохождение водяного пара вверх и предотвращают его возврат, облегчая также удаление неконденсированного водяного пара. Кроме того, последняя труба соединяет насос с атмосферой, представляя на своем конце колпак для конденсата, так что вода, сконденсированная в этом колпаке, возвращается в котел для повторного использования через обратную трубу M (19).

Движение поршня парового цилиндра и движение вниз поршня воздушного насоса вызывают движение коромысла (2). Он соединен с инерционным маховиком с помощью кривошипно-рычажного механизма. На одной стороне коромысла соединены поршни парового цилиндра и воздушного насоса, а на противоположном конце находится шатунно-кривошипный механизм. Шатун (4) соединен посредством шарнира с сателлитной шестерней (9), и эта шестерня находится в зацеплении с планетарной шестерней (6), жестко соединенной с инерционным маховиком (5).Наконец, инерционный маховик может привести в движение любой механизм.

Наконец, следует отметить, что есть водяной насос, приводимый в движение тем же движением коромысла, который служит для затопления пространства (Рисунок 3), в которое погружены как воздушный насос, так и нижняя труба, соединяющая паровой цилиндр. к воздушному насосу. Таким образом, этот насос поддерживает постоянный уровень воды и служит резервуаром для воды для использования в конденсаторе.

2.2. Компьютерное проектирование (CAE)

На основе 3D-модели САПР, полученной в предыдущих исследованиях [2], надежные результаты могут быть получены на этапе автоматизированного проектирования, что позволяет правильно проводить статический анализ с помощью программного обеспечения Autodesk Inventor Professional ( выпуск 2016, Autodesk, Inc., Сан-Рафаэль, Калифорния, США).

2.2.1. Предварительная обработка

CAE-анализ парового двигателя двойного действия Betancourt требует высоких вычислительных затрат, поскольку он состоит из большого количества деталей, подвергающихся различным типам напряжений. По этой причине важно упростить модель, облегчающую анализ (рис. 4). Аналогичным образом механизм работает в нескольких положениях, и клапаны заметно изменяют напряжения различных частей механизма в зависимости от того, открыты они или закрыты.Наконец, для статического анализа двигателя были выбраны два положения, в которых работают клапаны, поскольку априори нельзя увидеть, какое из них будет испытывать большее напряжение.

Во-первых, было решено удалить водогрейный котел и кирпичное здание, в котором он находится, поскольку он не является конструктивным элементом механизма и его напряжения не влияют на остальную часть сборки. Однако трубы, которые входят в здание и выходят из него, были приняты во внимание, и планируется ограничить их движение, чтобы смоделировать то, что мы имели бы, если бы эта конструкция существовала.

Во-вторых, сняты все элементы, служащие фундаментом, а именно кирпичные опоры коромысла и инерционного маховика. Эти элементы были заменены действиями, имитирующими их поведение. В частности, были устранены кирпичные опоры и, напротив, действуют опоры осей, которые позволяют движение коромысла и инерционного маховика. Обе опоры определены как шарнирные опоры, так что нижние поверхности не имеют никакой степени свободы, но ось поддерживаемого элемента может свободно вращаться.

В-третьих, последним элементом, который исключен из моделирования, является резервуар для воды, в который погружен конденсатор, и вода, которая его охлаждает, поскольку оба элемента не вносят конструктивного вклада в механизм и, с другой стороны, вода не может быть изучал статический анализ. Этот элемент важен при объяснении напряжений, которым подвергаются трубы из-за разницы давления и температуры, которой он способствует, но его влияние не распространяется дальше.

В заключение этого раздела можно сказать, что для исследования были взяты две разные позиции, основанные на открытии клапанов паровых ящиков. Клапаны B и C, как уже объяснялось, позволяют пропускать водяной пар с высоким давлением и температурой в верхнюю часть камеры цилиндра или в нижнюю часть. В первом положении, когда клапан B открыт, а клапан C закрыт, водяной пар проходит в трубу из полипропилена и входит в нижнюю часть цилиндра, толкая нижнюю поверхность поршня и, следовательно, заставляя коромысло подниматься.Во втором положении клапан C открыт, а клапан B закрыт, так что водяной пар входит непосредственно в верхнюю часть цилиндра, толкая верхнюю поверхность поршня и тем самым опуская коромысло. Давление и вакуум, создаваемые в каждом из них, будут учтены при подготовке исследования.

2.2.2. Присвоение материалов

Следующим этапом является присвоение материала каждому из элементов, составляющих сборку. Однако в исходных документах изобретения не указаны материалы, хотя в них показаны различные части машины, изготовленные из дерева, металла или кирпича.

Из описаний других паровых машин того времени известно, какие материалы использовались в них (например, паровая машина Уатта и Бултона была широко изучена) и в соответствии с этими спецификациями и простыми материалами, к которым Бетанкур мог бы получить доступ. чтобы они были указаны. В качестве материалов, выбранных из библиотеки материалов, предоставленной программой Autodesk Inventor Professional, были дуб, чугун для металлических деталей и кирпич для конструктивных элементов. Следует отметить, что, поскольку конструктивные элементы были исключены из анализа по причинам, указанным в предыдущем разделе, описание свойств кирпича будет опущено.

Autodesk Inventor Professional устанавливает определенные физические характеристики для каждого материала, такие как термические, механические, эластичность и разрушающие свойства, а также другие. Чугун имеет изотропное поведение, и его основные физические свойства: модуль Юнга (120 500 МПа), коэффициент Пуассона (0,30), плотность (7150 кг / м ³) и разрывное напряжение (758 МПа). С другой стороны, древесина дуба имеет физические свойства, которые зависят от направления, в котором изучаются элементы, поскольку это ортотропный материал.Наиболее благоприятные условия возникают, когда материал работает в направлении волокон, поскольку в двух других ортогональных направлениях физические свойства более ограничены. По этой причине важно, чтобы в деревянных частях главные оси всегда совпадали с направлением волокон. Таким образом, его основные физические свойства будут следующими: модуль Юнга (9300 МПа), коэффициент Пуассона (0,0001), плотность (760 кг / м ³) и разрывное напряжение (46,6 МПа).

2.2.3. Граничные условия

После того, как материалы назначены и те элементы, которые не могут быть подвергнуты статическому анализу, исключены из моделирования, следующим этапом является определение граничных условий для элементов, которые имеют опорную функцию.Каждая опора может работать определенным образом в соответствии со степенями свободы, которые определяют ее подвижность, так что определение этой подвижности повлияет на статический анализ всей сборки. Опоры могут быть встроенными, шарнирно-сочлененными, подвижными или роликовыми. Таким образом, программа изучает граничные условия на основе свободы движения каждого компонента опоры.

В первую очередь определяются элементы, которые не имеют свободы движения, это поверхности, которые ввинчиваются в кирпич, такие как опоры различных осей (рис. 5a), а также те, которые геометрически вставляются в кирпич. кирпичная стена (рис. 5б).Во-вторых, определяются свободно вращающиеся сочленения или элементы (рис. 6). Эти компоненты не могут двигаться в продольном направлении, но могут вращаться, поэтому они имеют меньшую степень свободы. Среди них шарниры противовесов, шкивы и крепления вала.

Наконец, необходимо определить те поверхности опоры, которые имеют свободу только в одном направлении, а в паровой машине двойного действия ее нет.

С другой стороны, граничные условия не зависят от двух крайних положений, которые были предложены для статического анализа, но контакты между частями меняются в зависимости от положения, которое необходимо изучить.Autodesk Inventor Professional автоматически обнаруживает существующие контакты между смежными поверхностями, если поверхность не является чрезмерно сложной.

2.2.4. Приложенные силы

Следующим шагом перед выполнением моделирования является определение сил, действующих на изобретение, поскольку правильное определение каждой из них является ключом к количественной оценке напряжений, влияющих на паровой двигатель.

Первое действие, которое влияет на механизм, — это сила тяжести. Autodesk Inventor Professional позволяет пользователю определять серьезность, используя любое направление и величину.Для смоделированного двигателя он определяется как общий вектор интенсивности 9,81 м / с ² в направлении оси Z и в отрицательном направлении. В общем случае программа представляет вектор силы тяжести, приложенный к центру тяжести двигателя (рис. 7). Второе действие, которое будет охарактеризовано, — это сила, действующая на поверхность поршня двигателя. паровой цилиндр (рис. 8) и для этого использовался трактат английского инженера Томаса Тредгольда [18], в котором был предложен метод расчета влияния силы водяного пара, а также его потерь и полезной работы.

Согласно Tredgold, количественно измеримые потери в паровом двигателе будут:

(1): Сила, создаваемая движением пара при входе в паровой цилиндр: 0,007
(2): Охлаждение в в паровом цилиндре и в трубах: 0,016
(3): Трение и потери поршня: 0,125
(4): Сила, необходимая для выпуска пара: 0,007
(5): Сила, необходимая для открытия и закрытия клапанов, подъема нагнетаемой воды и преодоления трения осей: 0.063
(6): Потери, возникающие в результате перехвата пара до конца его траектории: 0,100
(7): Сила, необходимая для перемещения воздушного насоса: 0,050

Таким образом , сумма всех потерь составляет 0,368, и поэтому полезная энергия будет равна 0,632.

С другой стороны, прочность пара в котле обычно составляла 900 мм рт. Ст., Температура неконденсированного пара 50 ° C и его сила 100 мм рт. Таким образом, необходимо будет:

900 × 0.632-100 = 468,8 мм рт. Ст. = 0,6373 кг / см ²

(1)

Поскольку давление на поршень составляет 0,6373 кг / см ², а его площадь составляет 2827,43 см ², на него будет действовать сила:

Поршень F = 0,6373 кг / см ² × 2827,43 см ² × 9,81 м / с ² = 17,677 кН

(2)

Кроме того, сила, действующая на поршень, будет приходиться на нижнюю поверхность, когда клапан B открыт, и на верхнюю поверхность, когда клапан C открыт.

С другой стороны, давление, воспринимаемое лицевой стороной поршня, такое же, как давление в трубах, непосредственно подключенных к котлу (Рисунок 9). Таким образом, в зависимости от того, какие клапаны открыты или закрыты, можно охарактеризовать давление в этих трубах.

Когда клапан В открыт, в трубе, идущей от котла, в верхней клапанной коробке, в трубе из полипропилена, в нижней клапанной коробке, на входе в паровой цилиндр и в нижней его части давление составляет 0,6373 кг / см ².

Аналогичным образом, когда клапан C открыт, верхняя клапанная коробка, верхний вход парового цилиндра и его верхняя часть подвергаются давлению 0.6373 кг / см ². Давление, поступающее непосредственно из котла, называется верхним давлением пара. Расчет давления в нижнем участке трубы с паром при низких давлениях и температуре (рисунок 10) и в воздушном насосе несколько сложнее. Воздух с водяным паром, который покидает цилиндр, делает это под давлением 0,6373 кг / см ², но когда он достигает трубы CC ‘, водяной пар смешивается с небольшим количеством воды в баке, которое находится на более низком уровне. температура и более высокое давление, вызывая немедленную конденсацию части водяного пара и, следовательно, создавая вакуум.Точно так же давление за пределами трубопровода близко к атмосферному, поскольку труба погружена на глубину 0,75 м, поэтому при погружении на эту глубину внешнее давление будет:

P = 1000 кг / м ³ × 9,81 м / с ² × 0,75 = 7357,5 Па

(3)

Это давление эквивалентно 0,0725 атм, что в сумме с атмосферным давлением дает внешнее давление 1,0725 атм. С другой стороны, давление вакуума начинается с 0,2960 атм, поэтому разница в давлении будет той, которая требуется для погружного водяного насоса и трубопровода, а именно:

1.0725 — 0,2960 = 0,7765 атм, что эквивалентно 0,8023 кг / см ² = 78 678,8 Па

(4)

Наконец, поршень воздушного насоса перемещается из-за разницы давления в трубе и атмосферного давления, поэтому необходимо:

1 — 0,2960 = 0,704 атм, что эквивалентно 0,727 кг / см ² = 71 294,3 Па

(5)

2.2.5. Создание сетки

Дискретизация — это последний этап перед выполнением анализа напряжений согласно изобретению, и его цель — получить сетку, которая реалистично соответствует ее геометрии.Как правило, чем больше плотность сетки, тем лучше она адаптируется к своей геометрии. Однако для меньших элементов требуется меньший размер ячейки, чем для больших, хотя это правило допускает некоторые исключения в случае сложной геометрии. Точно так же в местах, где применяется определенная сила, рекомендуется устанавливать сетку с более высокой плотностью, потому что, если геометрия этих точек искажается, результаты претерпевают важные изменения.

Используемое программное обеспечение (Autodesk Inventor Professional) предоставляет возможность получения автоматического построения сетки детали путем простой настройки некоторых переменных (рис. 11).По умолчанию это программное обеспечение устанавливает сетку, образованную тетраэдрами, средний размер которых составляет 10% от длины элемента, минимальный размер тетраэдра составляет 20% от среднего размера, максимальное отклонение между тетраэдрами составляет 1,5 и максимальный угол поворот на 60 °. В случае настоящего изобретения эти значения являются приемлемыми, хотя в звеньях цепи и элементах меньшего размера потребуется сетка с более высокой плотностью. Чтобы изменить автоматическую дискретизацию, необходимо улучшить сетку на некоторых поверхностях, напрямую указывая размер стороны тетраэдра.Это процедура с небольшими элементами, такими как клапаны, оси клапанов и винты (Рисунок 12). С другой стороны, программное обеспечение имеет серьезный недостаток для звеньев цепи, которые появляются в некоторых элементах паровой машины, поскольку эти звенья, определяемые индивидуально путем протягивания кругового сектора на замкнутой кривой, имеют торическую геометрию, что означает, что сборка эти звенья осуществляются путем определения контакта между одной точкой поверхности верхнего звена и другой точкой нижнего звена.

Точно так же плотность сетки в зонах контакта между звеньями очень велика, и контакт устанавливается как единая точка, так что все напряжение прикладывается к бесконечно малой единице поверхности, создавая огромные давления в этих точках. и, следовательно, искажение результатов стресса.Чтобы контролировать и уменьшить эту ошибку в этих точках, ручное управление сеткой позволяет оператору выбирать плотность сетки ниже, чем та, которая установлена по умолчанию, достигая напряжений, более соответствующих реальной пропускной способности цепи.

Что касается анализа методом конечных элементов с помощью Autodesk Inventor Professional, критерий сходимости был установлен, поскольку этот анализ проводился итеративными методами и для максимального количества десяти циклов. Таким образом, программа сравнивает результат с результатом предыдущего цикла и, если этот результат отличается более чем на 5%, повторяет.Однако, если разница составляет менее 5%, анализ останавливается, принимая результат как окончательный. В этом исследовании с учетом вычислительных ресурсов при анализе использовалась сетка размером 1 924 288 элементов и 3 353 725 узлов.

3. Результаты и обсуждение

Перед демонстрацией результатов статического анализа парового двигателя двойного действия (распределение напряжений, коэффициенты безопасности, деформации и перемещения) удобно выполнить модальный анализ двигателя, чтобы определить, существуют любые моды твердого тела.

Autodesk Inventor Professional выполняет это моделирование, подвергая конструкцию вибрации с разными частотами. Если модальные частоты, полученные в ходе анализа, близки к 0 Гц, то исследуемый элемент ведет себя как механизм, и поэтому не имеет смысла выполнять статический анализ на нем.

Восемь модальных частот, полученных для парового двигателя: F1: 0,60 Гц, F2: 0,63 Гц, F3: 0,74 Гц, F4: 0,76 Гц, F5: 2,21 Гц, F6: 2,31 Гц, F7: 3,86 Гц и F8: 4.32 Гц. Моделирование показывает, что первые четыре (немного более низкие) частоты вызывают смещения двух свободных противовесов, которые имеет изобретение, функция которых заключается в передаче определенной инерции, которая облегчает открытие и закрытие клапанов. Эти противовесы могут быть исключены при моделировании для статического анализа, но это исключение повлияет на запрос, который влияет на открывающиеся клапаны паровых ящиков. Поэтому будет учитываться динамизм этих элементов, чтобы они не мешали интерпретации результатов.

Статический анализ изобретения предполагал изучение двух случаев, указанных выше: когда поршень парового цилиндра следует движению вниз, и когда он движется вслед за движением вверх.

Исследование сходимости сетки также было выполнено, чтобы установить достоверность результатов, поскольку высокие напряжения сосредоточены в очень узких областях механизма. Как объяснялось в разделе 2.2.5, дискретизация каждой из частей напрямую влияет на результаты анализа напряжений по Мизесу.Используемое программное обеспечение позволяет уточнять сетку в зависимости от мест, где напряжение больше. Этот процесс является циклическим, поскольку после определения областей, в которых напряжение больше, сетка уточняется и напряжение фон Мизеса пересчитывается. Кроме того, существуют некоторые критерии сходимости, и в настоящем исследовании было определено, что максимальное количество циклов равно 10, указывая, что, когда разница между результатами составляет менее 5%, процесс уточнения сетки останавливается.На рисунке 13 показана кривая сходимости для двух исследуемых случаев. Когда поршень движется вниз, степень сходимости на пятой итерации составляет 4,373% (рис. 13а). С другой стороны, когда поршень движется вверх, скорость сходимости ниже и, следовательно, более надежна, со значением 0,013%, хотя этот результат был получен на седьмой итерации (рис. 13b). Анализ показывает, что напряжения по Мизесу обычно равны низкое, не достигающее 5 МПа (Рисунок 14), хотя есть ряд особых точек, где напряжение выше.Это случай открывающейся оси клапана D, одного из клапанов, который направляет водяной пар в поршень или в конденсационную трубу и происходит, когда поршень опускается, достигая значения 188,4 МПа (рисунок 14a). Кроме того, когда поршень поднимается, максимальное напряжение находится в той же точке с несколько меньшим значением 129,6 МПа (рисунок 14b). Хотя эти значения высоки, они не слишком высоки, учитывая предел упругости материала, из которого изготовлена деталь (чугун). На рисунке 15 более подробно показана точка, в которой регистрируется максимальная нагрузка в направлении поршня вверх.Если исключить детали, регулирующие открытие клапанов, следующим набором деталей, подвергающихся более высоким напряжениям, будут штоки, соединяющие параллелограмм с поршнем парового цилиндра. На рисунке 16 это большее напряжение находится именно во втором стержне, как раз в точке вставки стержня с рамой, которая служит опорой. Значение напряжения по Мизесу для этой точки составляет 47,45 МПа (рис. 16а), когда поршень парового цилиндра движется вниз, и несколько выше со значением 47.57 МПа (рисунок 16b) при движении в восходящем направлении, что, с другой стороны, имеет смысл. Значения этого второго главного напряжения уже относительно низкие для металлических материалов, из которых они сделаны.

Еще один аспект, который необходимо изучить, — это коэффициент безопасности, который определяется как соотношение между нагрузкой, которой подвергается деталь, и пределом упругости материала, из которого она изготовлена. Этот параметр показывает, какие элементы конструкции работают с напряжениями, близкими к пределу упругости материала и, следовательно, подвержены риску разрушения, а какие элементы работают ниже этого предела в пределах определенного порога безопасности.

В настоящее время детали функционируют с коэффициентом безопасности со значениями от 2 до 4. Детали, работающие ниже 2, слишком близки к пределу упругости и испытывают значительную усталость, в то время как если значение выше 4, детали работают далеко от этого. предел и, следовательно, являются завышенными.

Во времена Агустина де Бетанкура знания о сопротивлении материалов были не очень широкими, и, кроме того, не проводились испытания для определения пределов эластичности материалов, что является причиной того, что механизмы, как правило, были слишком крупными. .Паровой двигатель двойного действия не исключение из этого правила.

На рисунке 17 показано распределение коэффициентов безопасности, при этом можно заметить, что почти все элементы изобретения имеют коэффициент безопасности выше 12 и что только несколько элементов работают в меньшем диапазоне значений, но в любом случае значительно выше 4. Кроме того, точкой, которая дает более низкое значение коэффициента безопасности, является открывающаяся ось клапана D. Детальное исследование коэффициента безопасности в этой оси показывает, что клапан D работает с большим напряжением, когда поршень цилиндра опускается и, следовательно, закрывается. и предотвращение прохождения пара под высоким давлением в нижнюю камеру.В этой ситуации ось клапана имеет минимальный коэффициент безопасности 4,02 (Рисунок 18a), что выше оптимальных рабочих значений. Точно так же, когда клапан открыт, позволяя пропускать пар под высоким давлением, коэффициент безопасности оси клапана больше и составляет 5,85 (рисунок 18b). Как указывалось ранее, если исследование выполняется без клапанов, элемент с Самый низкий коэффициент безопасности — это регулятор частоты вращения двигателя: значение 8,67 при падении поршня парового цилиндра (рис. 19а) и еще одно значение 8.62, когда он поднимается (рис. 19b). Таким образом, поскольку остальные элементы имеют более высокие коэффициенты, совершенно очевидно, что двигатель в значительной степени завышен. С другой стороны, изучение деформации элементов, составляющих механизм, важно, поскольку даже если элемент не работают в диапазоне напряжений, близких к пределу упругости материала, из-за своей тонкости он может чрезмерно деформировать свою геометрию, нарушая правильный контакт между этими элементами. Autodesk Inventor Professional показывает эквивалентную деформацию каждого элемента как взаимосвязь между деформацией элемента и его длиной.В настоящем исследовании максимальная деформация приходится на элемент, который подвергается наибольшему напряжению, то есть на открывающуюся ось клапана D. Однако его деформация составляет 0,14% по отношению к размеру элемента при опускании поршня (рис. 20а). ) и 0,10% при повышении (рис. 20b), поэтому его можно считать незначительным.

Наконец, мы должны проанализировать смещения некоторых единичных элементов, таких как подвижные противовесы, которые имеют самые высокие значения. Этот аспект был указан ранее при проведении модального анализа изобретения, поскольку, когда противовесы выполняли инерционную функцию, они испытывали наибольшие смещения.

Таким образом, когда поршень парового цилиндра движется вниз, противовес испытывает смещение на 18,73 мм (Рисунок 21a), а когда он движется в направлении вверх, на 18,74 мм (Рисунок 21b). Не зря и материал, из которого были изготовлены противовесы, и их эллиптическая конструкция, показывают, что они были разработаны, чтобы выдерживать износ, вызванный непрерывным движением, которому они подвергались.

История паровых машин

Первые наработки.

Применение паровых машин на практике.

первые паровые двигатели — устройство и принцип работы, паровые турбины

Предпосылки появления паровых двигателей

История изобретения и совершенствования паровых двигателей

Начало пути

Новый этап в разработке паровых двигателей

Применение паровых машин на транспорте

Паровые устройства в XXI веке

История изобретения паровых машин — сообщение доклад по физике 8 класс

История изобретения паровых машин

Интересные ответы

Реферат «История изобретения паровых машин»

Паровая машина

Паровая машина

Паровая машина — это… Что такое Паровая машина?

Значение паровых машин

Принцип действия

Изобретение и развитие

Паровые машины с возвратно-поступательным движением

Вакуумные машины

Паровые машины высокого давления

Паровые машины двойного действия

Парораспределение

Сжатие

Опережение

Простое расширение

Компаунд

Множественное расширение

Прямоточные паровые машины

Паровые турбины

Другие типы паровых двигателей

Применение

Стационарные машины

Транспортные машины

Преимущества паровых машин

Коэффициент полезного действия

Нетрадиционные машины

См. также

История паровых машин

Примечания

Литература

Ссылки

Доклад История и изобретения паровых машин 8 класс

История и изобретения паровых машин доклад

Вариант №3

История и изобретения паровых машин

Популярные темы сообщений

паровой двигатель | Encyclopedia.com

КЛЮЧЕВЫЕ УСЛОВИЯ

КНИГИ

ДРУГОЕ

Я ПРОДАЮ ЗДЕСЬ, Сэр, ЧТО ХОЧЕТ ИМЕТЬ ВЕСЬ МИР — POWER

Испытание парового двигателя Fth5, пример лабораторного отчета

This Month in Physics History

Прокатная мембрана, приводимая в действие низкотемпературным паром, как новый подход к генерированию механической энергии

Прокатка мембраны, приводимая в действие водяным паром

Скорость прокатки мембраны как функция температуры воды

Прикладные науки | Бесплатный полнотекстовый | Паровой двигатель двойного действия Агустина де Бетанкура: анализ с помощью компьютерной техники

1. Введение

2. Материалы и методы

2.1. Работа парового двигателя двойного действия

2.2. Компьютерное проектирование (CAE)

2.2.1. Предварительная обработка

2.2.2. Присвоение материалов

2.2.3. Граничные условия

2.2.4. Приложенные силы

2.2.5. Создание сетки

3. Результаты и обсуждение

Добавить комментарий Отменить ответ