Принцип действия парового двигателя: Паровой двигатель, принцип работы

Содержание

Появление универсального парового двигателя. Паровой двигатель без станков и инструментов Принцип работы паровой машины

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 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

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. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания , паровыми турбинами , электромоторами и атомными реакторами , КПД которых выше.

Паровая машина в действии

Изобретение и развитие

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном из Александрии в первом столетии — это так называемая «баня Герона», или «эолипил». Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Предполагается, что преобразование пара в механическое движение было известно в Египте в период римского владычества и использовалось в несложных приспособлениях.

Первые промышленные двигатели

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 Сейвери в 1698 году . На своё устройство Сейвери 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», который был первым паровым двигателем, на который мог быть коммерческий спрос. Это был усовершенствованный паровой двигатель Сейвери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Ньюкомен, возможно, базировался на описании экспериментов Папена, находящихся в Лондонском королевском обществе , к которым он мог иметь доступ через члена общества Роберта Гука , работавшего с Папеном.

Схема работы паровой машины Ньюкомена.
– Пар показан лиловым цветом, вода — синим.
– Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые — красным

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. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную.

Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

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.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме . К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления (американец Оливер Эванс и англичанин Ричард Тревитик). Р.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 миль в час . Пароход Дж. Фитча не был коммерчески успешным, поскольку с его маршрутом конкурировала хорошая сухопутная дорога. В 1802 году шотландский инженер Уильям Симингтон построил конкурентоспособный пароход, а в 1807 году американский инженер Роберт Фултон использовал паровой двигатель Уатта для привода первого коммерчески успешного парохода. 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

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.

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 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. 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.

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.

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 мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объем цилиндра.

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 нем 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.

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).

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 четверного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объем 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 цилиндры высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины

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 остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного 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 одинарного, так и двойного действия.

Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные 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 нее 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.

Другие типы паровых двигателей

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

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

  • Сухопутные транспортные средства:
    • Паровой автомобиль
    • Паровой трактор
    • Паровой экскаватор, и даже
  • 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.

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 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) -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.

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

,

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода – например, со дна шахты – засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740‑х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все‑таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь‑то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди‑профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем‑то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро‑атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм – «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев – рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно‑поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно‑поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности – лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

12 апреля 1933 г. Уильям Беслер стартовал с муниципального аэродрома города Окленд в Калифорнии на самолете с паровым двигателем.
Газеты написали:

«Взлет был нормальным во всех отношениях, за исключением отсутствия шума. Фактически, когда самолет уже отделился от земли, наблюдателям казалось, что он не набрал еще достаточной скорости. На полной мощности шум был заметен не более, чем при планирующем самолете. Можно было слышать только свист воздуха. При работе на полном паре винт производил только небольшой шум. Можно было различать через шум винта звук пламени…

Когда самолет шел на посадку и пересекал границу поля, то винт останавливался и пускался медленно в обратную сторону с помощью перевода реверса и последующего малого открывания дросселя. Даже при очень медленном обратном вращении винта снижение заметно становилось круче. Немедленно после касания земли пилот давал полный задний ход, который вместе с тормозами быстро останавливал машину. Краткий пробег особенно был заметен в этом случае, так как во время испытания была безветренная погода, и обычно пробег при посадке достигал нескольких сот футов».

В начале XX века рекорды высоты, достигнутой самолетами, ставились чуть ли не ежегодно:

Стратосфера сулила немалые выгоды для полета: меньшее сопротивление воздуха, постоянство ветров, отсутствие облачности, скрытность, недосягаемость для ПВО. Но как взлететь на высоту, например, 20 километров?

Мощность [бензинового] мотора падает быстрее, чем плотность воздуха.

На высоте 7000 м мощность мотора уменьшается почти в три раза. С целью повышения высотных качеств самолетов еще в конце империалистической войны делались попытки применять наддув, в период 1924-1929 гг. нагнетатели еще больше внедряются в производство. Однако обеспечить сохранение мощности двигателя внутреннего сгорания на высотах свыше 10 км становится все труднее.

Стремясь поднять «предел высоты», конструкторы всех стран все чаще и чаще обращают свои взоры на паровую машину, имеющую ряд преимуществ в качестве высотного двигателя. Отдельные страны, как, например, Германию, толкнули на этот путь и стратегические соображения, а именно — необходимость на случай большой войны добиться независимости от привозной нефти.

За последние годы были сделаны многочисленные попытки установить паровой двигатель на самолет. Быстрый рост авиационной промышленности накануне кризиса и монопольные цены на ее продукцию позволили не спешить с реализацией опытных работ и накопившихся изобретений. Эти попытки, принявшие особый размах в период экономического кризиса 1929-1933 гг. и наступившей затем депрессии, — не случайное явление для капитализма. В печати, в особенности в Америке и Франции, часто бросались упреки крупным концернам о наличии у них соглашений об искусственной задержке реализации новых изобретений.

Наметились два направления. Одно представлено в Америке Беслером, установившим на самолет обычную поршневую машину, другое же обусловлено применением турбины в качестве авиационного двигателя и связано, главным образом, с работами немецких конструкторов.

Братья Беслер взяли за основу поршневую паровую машину Добля для автомобиля и установили ее на биплан Тревел-Эр [описание их демонстрационного полета приведено в начале поста].
Видео того полета:

Машина снабжена реверсивным механизмом, при помощи которого можно легко и быстро изменять направление вращения вала машины не только в полете, но и при посадке самолета. Двигатель помимо пропеллера приводит в движение через соединительную муфту вентилятор, нагнетающий воздух в горелку. При старте пользуются небольшим электрическим моторчиком.

Машина развивала мощность в 90 л.с., но в условиях известной форсировки котла ее мощность можно довести до 135 л. с.
Давление пара в котле 125 aт. Температура пара поддерживалась около 400-430°. В целях максимальной автоматизации работы котла был применен нормализатор или прибор, помощью которого вода впрыскивалась под известным давлением в перегреватель, как только температура пара превышала 400°. Котел был снабжен питательным насосом и паровым приводом, а также первичным и вторичным подогревателями питающей воды, обогреваемыми отработанным паром.

На самолете были установлены два конденсатора. Более мощный переделан из радиатора мотора ОХ-5 и установлен сверху фюзеляжа. Менее мощный сделан из конденсатора парового автомобиля Добля и расположен под фюзеляжем. Производительность конденсаторов, как утверждали в печати, оказалась недостаточной для работы паровой машины на полном дросселе без выпуска в атмосферу «и приблизительно соответствовала 90% крейсерской мощности». Опыты показали, что при расходе 152 л горючего необходимо было иметь 38 л воды.

Общий вес паровой установки самолета составлял 4,5 кг на 1 л. с. По сравнению с мотором ОХ-5, работавшим на этом самолете, это давало лишний вес в 300 фунтов (136 кг). Не подлежит сомнению, что вес всей установки мог быть значительно снижен при облегчении деталей двигателя и конденсаторов.
Топливом служил газойль. В печати утверждали, что «между включением зажигания и пуском на полный ход прошло не более 5 мин.».

Другое направление в развитии паросиловой установки для авиации связано с использованием паровой турбины в качестве двигателя.
В 1932-1934 гг. в иностранную печать проникли сведения о сконструированной в Германии на электрозаводе Клинганберга оригинальной паровой турбине для самолета. Автором ее называли главного инженера этого завода Хютнера.
Парообразователь и турбина вместе с конденсатором здесь были объединены в один вращающийся агрегат, имеющий общий корпус. Хютнер замечает: «Двигатель представляет силовую установку, отличительная характерная особенность которой состоит в том, что вращающийся генератор пара образует одно конструктивное и эксплоатационное целое с вращающейся в противоположном направлении турбиной и конденсатором».
Основной частью турбины является вращающийся котел, образованный из целого ряда V-образных трубок, причем одно колено этих трубок соединено с коллектором для питательной воды, другое — с паросборником. Котел показан на фиг. 143.

Трубки расположены радиально вокруг оси и вращаются со скоростью в 3000-5000 об/мин. Поступающая в трубки вода устремляется под действием центробежной силы в левые ветви V-образных трубок, правое колено которых выполняет роль генератора пара. Левое колено трубок имеет ребра, нагреваемые пламенем от форсунок. Вода, проходя мимо этих ребер, превращается в пар, причем под действием центробежных сил, возникающих при вращении котла, происходит повышение давления пара. Давление регулируется автоматически. Разность плотностей в обеих ветвях трубок (пар и вода) дает переменную разность уровней, являющуюся функцией центробежной силы, а следовательно, и скорости вращения. Схема такого агрегата показана на фиг. 144.

Особенностью конструкции котла является расположение трубок, при котором во время вращения создается разрежение в камере сгорания, и таким образом котел выполняет как бы роль всасывающего вентилятора. Таким образом, как утверждает Хютнер, «вращением котла обусловливаются одновременно и питание его, и движение горячих газов, и движение охлаждающей воды».

Пуск турбины в ход требует всего 30 сек. Хютнер рассчитывал получить к. п. д. котла 88% и к. п. д. турбины 80%. Турбина и котел нуждаются для запуска в пусковых моторах.

В 1934 г. в печати промелькнуло сообщение о разработке проекта большого самолета в Германии, оборудованного турбиной с вращающимся котлом. Два года спустя во французской прессе утверждали, что в условиях большой засекреченности военным ведомством в Германии построен специальный самолет. Для него сконструирована паросиловая установка системы Хютнера мощностью в 2500 л. с. Длина самолета 22 м, размах крыльев 32 м, полетный вес (приблизительный) 14 т, абсолютный потолок самолета 14000 м, скорость полета на высоте в 10000 м — 420 км/час, подъем на высоту 10 км — 30 минут.
Весьма возможно, что эти сообщения в печати значительно преувеличены, но несомненно, что германские конструкторы работают над этой проблемой, и предстоящая война может здесь принести неожиданные сюрпризы.

В чем же заключается преимущество турбины перед двигателем внутреннего сгорания?
1. Отсутствие возвратно-поступательного движения при высоких скоростях вращения позволяет сделать турбину довольно компактной и меньших размеров, нежели современные мощные авиационные моторы.
2. Важным преимуществом является также относительная бесшумность работы парового двигателя, что важно как с точки зрения военной, так и в смысле возможности облегчения самолета за счет звукоизолирующего оборудования на пассажирских самолетах.
3. Паровая турбина, не в пример моторам внутреннего сгорания, почти не допускающим перегрузки, может быть перегружаема на короткий период до 100% при постоянной скорости. Это преимущество турбины дает возможность уменьшить длину разбега самолета и облегчает его подъем в воздух.
4. Простота конструкции и отсутствие большого количества подвижных и срабатывающихся деталей составляют также немаловажное преимущество турбины, делая ее более надежной и долговечной по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
5. Существенное значение имеет также отсутствие на паровой установке магнето, на работу которого можно воздействовать с помощью радиоволн.
6. Возможность использовать тяжелое топливо (нефть, мазут) помимо экономических преимуществ обусловливает большую безопасность парового двигателя в пожарном отношении. Создается к тому же возможность теплофицировать самолет.
7. Главное же преимущество парового двигателя заключается в сохранении его номинальной мощности с подъемом на высоту.

Одно из возражений против парового двигателя исходит, главным образом, от аэродинамиков и сводится к размерам и возможностям охлаждения конденсатора. Действительно, паровой конденсатор имеет поверхность в 5-6 раз большую, нежели водяной радиатор двигателя внутреннего сгорания.
Вот почему, стремясь снизить лобовое сопротивление такого конденсатора, конструкторы пришли к размещению конденсатора непосредственно по поверхности крыльев в виде сплошного ряда трубок, следующих точно контуру и профилю крыла. Помимо придания значительной жесткости это уменьшит и опасность обледенения самолета.

Имеется, конечно, еще целый ряд других технических трудностей в эксплоатации турбины на самолете.
— Неизвестно поведение форсунки на больших высотах.
— Для изменения быстрой нагрузки турбины, что является одним из условий работы авиационного двигателя, необходимо иметь либо запас воды, либо паросборник.
— Известные трудности представляет и разработка хорошего автоматического устройства для регулировки турбины.
— Неясно также и гироскопическое действие быстро вращающейся турбины на самолете.

Все же достигнутые успехи дают основания надеяться, что в ближайшее время паровая силовая установка найдет свое место в современном воздушном флоте, в особенности на транспортных коммерческих самолетах, а также на больших дирижаблях. Самое трудное в этой области уже сделано, и практики-инженеры сумеют добиться конечного успеха.

Паровая машина за всю свою историю имела много вариаций воплощения в металл. Одним из таких воплощений — был паровой роторный двигатель инженера-механика Н.Н. Тверского. Этот паровой роторный двигатель (паровая машина) активно эксплуатировался в различных областях техники и транспорт. В русской технической традиции 19-го века такой роторный двигатель назывался — коловратная машина. Двигатель отличался долговечностью, эффективностью и высоким крутящим моментом. Но с появлением паровых турбин был забыт. Ниже представлены архивные материалы, поднятые автором этого сайта. Материалы весьма обширны, поэтому пока здесь представлена только часть их.

Пробная прокрутка сжатым воздухом (3,5 атм) парового роторного двигателя.
Модель расчитана на 10 кВт мощности при 1500 об/мин на давлении пара в 28-30 атм.

В конце 19-го века паровые двигатели — «коловратные машины Н.Тверского» были забыты потому, что поршневые паровые машины оказались проще и технологичнее в производстве (для производств того времени), а паровые турбины давали большую мощность.
Но замечание в отношении паровых турбин справдливо лишь в их больших массо-габаритных размерах. Действительно — при мощности болше 1,5-2 тыс. кВТ паровые многоцилиндровые турбины выигрывают по всем параметрам у паровых роторных двигателей, даже при дороговизне турбин. И в в начале 20-го века, когда судовые силовые установки и силовые агрегаты электростанций начинали иметь мощность во многие десятки тысяч киловатт, то только турбины и могли обеспечить такие возможности.

НО — у паровых турбин есть другой недостаток. При масштабировании их массо-габаритных парамеров в сторону уменьшения, ТТХ паровых турбин резко ухудшаются. Значительно снижается удельная мощность, падает КПД, при том что дороговизна изготовления и высокие обороты главного вала (потребность в редукторе) — остаются. Именно поэтому — в области мощностей менее 1,5 тыс. кВт (1,5 мВт) эффективную по всем параметрам паровую турбину найти практически невозможно, даже за большие деньги…

Именно поэтому в этой диапазоне мощностей появился целый «букет» экзотических и мало известных конструкций. Но чаще всего- так же дорогостоящих и малоэффективных… Винтовые турбины, турбины Тесла, осевые турбины и проч.
Но- почему-то все забыли про паровые «коловратные машины» — роторные паровые двигатели. А между тем — эти паровые машины многократно дешевле, чем любые лопаточные и винтовые механизмы (это я говорю со знанием дела- как человек изготовивший на свои деньги уже более десятка таких машин). При этом паровые «коловратные машины Н.Тверского» — имеют мощный крутящий момент с самых малых оборотов, обладают средней частотой вращения главного вала на полных оборотах от 1000 до 3000 об/мин. Т.е. такие машины хоть для электрогенератора, хоть для парового авто (автомобиля- грузовика, трактора, тягача) — не будут требовать редуктора, счепления и проч., а будут своим валом на прямую содиняться с динамо-машиной, колесами парового автомобиля и проч.
Итак- в виде парового роторного двигателя — системы «коловратной машины Н.Тверского» мы имеем универсальную паровую машину, которая прекрасно будет вырабатывать электричество питаясь от котла на твердом топливе в отдалённом лесхозе или таежном поселке, на полевом стане или вырабатывать электричество в котельной сельского поселения или «крутиться» на отходах технологического тепла (горячем воздухе) на кирпичном или цементном заводе, на литейном производстве и пр и др.
Все подобные источники тепла как раз и имеют мощность менее 1 мВт, поэтому и общепринятые турбины тут малопригодны. А других машин для утилицации тепла путем перевода в работу давления полученного пара- общая техническая практика пока не знает. Вот и не утилизирыется это тепло никак — оно просто теряется глупо и безвозвратно.
Я уже создал «паровую коловратную машину» для привода электрогенератора в 3.5 — 5 кВт (зависит от давления в пара), если все будет как планирую- то скоро будет машина и в 25 и в 40 кВт. Как раз — то что надо, чтобы обеспечивать дешевым электричеством от котла на твердом топливе или на отходах технологического тепла сельскую усадьбу, небольшое фермерское хозяйство, полевой стан и пр. и др.
В принципе — роторные двигатели хорошо масштабируются в сторону увеличения, поэтому — насаживая на один вал множество роторных секций легко многократно увеличивать мощность таких машин, просто увеличивая количество стандартных роторных модулей. Т.е вполне можно создавать паровые роторные машины мощностью 80-160-240-320 и более кВт…

Но, кроме средних и относительно крупных паросиловых установок, паросиловые схемы с малыми паровыми роторными двигателями будут востребованы и в малых силовых установках.
Например- одно из моих изобретений- «Походно-туристический электрогенератор на местном твердом топливе».
Ниже представлено видео, где испытывается упрощенный прототип такого устройства.
Но маленький паровой двигатель уже весело и энергично крутит свой электрогенератор и на дровах и прочем подножном топливе выдает электроэнергию.

Основное направление коммерческого и технического применения паровых роторных двигателей (коловратных паровых машин) — это выработка дешевого электричества на дешевом твердом топливе и горючих отходах. Т.е. малая энергетика- распределенная электрогенерация на паровых роторных двигателях. Представьте, как будет отлично вписываться роторный паровой двигатель в схему работы лесопилки- пилорамы, где нибудь на Русском Севере или в Сибири (Дальнем Востоке) где нет центрального электроснабжения, электричество дает задорого дизель-генератор на привозной издалека солярке. Зато сама лесопилка производит в день минимум полтонны щепы- опилок — горбыля, который девать некуда…

Таким древесным отходам — прямая дорога в топку котла, котел дает пар высокого давления, пар приводит в действие роторный паровой двигатель и тот крутит электрогенератор.

Точно так же можно сжигать безграничные по объемам миллионы тонн пожнивных отходов сельского хозяйства и проч. А есть еще дешевый торф, дешевый энергетический уголь и проч. Автор сайта посчитал, что затраты на топливо при выработке электричества через малую паросиловую установку (паровую машину) с паровым роторным двигателем мощностью в 500 кВт будут от 0,8 до 1,

2 рубля за киловатт.

Еще интересный вариант применения парового роторного двигателя — это установка такой паровой машины на паровой автомобиль. Грузовик — тягач паровой автомобиль, с мощным крутящим моментом и применяющий дешевое твердое топливо — очень нужная паровая машина в сельском хозяйстве и в лесной отрасли. При применении современных технологий и материалов, а так же использование в термодинамическом цикле «Органичесокго цикла Ренкина» позволят довести эффективный КПД до 26-28% на дешевом твердом топливе (или недорогом жидком, типа «печного топлива» или отработанного машинного масла). Т.е. грузовик — тягач с паровой машиной

и мощностью роторного парового двигателя около 100 кВт, будет расходовать на 100 км около 25-28 кг энергетического угля (стоимость 5-6 руб за кг) или около 40-45 кг щепы- опилок (цена которых на Севере- забирай даром)…

Есть еще много интересных и перспективных областей применения роторного парового двигателя, но размеры этой странички не позволяют все их подробно рассмотреть. В итоге- паровая машина может занять еще очень заметное место во многих областях современной техники и во многих отраслях народного хозяйства.

ЗАПУСКИ ОПЫТНОЙ МОДЕЛИ ПАРОСИЛОВОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА С ПАРОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Май -2018г. После длительных экспериментов и опытных образцов сделан малый котел высокого давления. Котел опрессован на 80 атм давления, так что будет держать рабочее давление в 40-60 атм без затруднений. Запущен в работу с опытной моделью парового аксиально-поршневого двигателя моей конструкции. Работает прекрасно- смотри видео. За 12-14 минут от розжига на дровах готов давать пар высокого давления.

Сейчас я начинаю готовиться к штучному производству таких установок- котел высокого давления, паровой двигатель (роторный или аксиально-поршневой), конденсатор. Установки будут работать по замкнутой схеме с оборотом «вода- пар- конденсат».

Спрос на такие генераторы весьма большой, ибо 60% теорритории России не имеют центрального электроснабжения и сидят на дизельгенерации. А цена солярки все время растет и уже достигла 41-42 руб за литр. Да и там где электричество есть- энергокомпании тарифы все поднимают, а за подключение новых мощностей требуют больших денег.

Принципы работы парового двигателя | reshebniki-online.com

Принцип действия парового двигателя

Rīga 2011

Содeржание

Аннотация

Ведение

1. Теоретическая часть

1.1 Временная цепочка

1.2 Паровой двигатель

1.2.1 Паровой котёл

1.2.2 Паровые турбины

1.3 Паровые машины

1.3.1 Первые пароходы

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

1.4 Применение паровых двигателей

1.4.1 Преимущество паровых машин

1.4.2 Коэффициент полезного действия

2. Практическая часть

2.1 Построение механизма

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

2.3 Анкетирование

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

паровой двигатель полезное действие

Данная научная работа состоит из 32листов. Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использованияэнергиипара.

Введение

Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц — таким был мир техники до создания парового двигателя.Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель. И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы — весь сложный и могучий мир паротехники созданный человекомПаровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.

Гипотеза:

Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.

Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.

Задача исследования:

1. Изучить научную литературу.

2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.

3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.

Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема.

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги.

2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.

1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.

312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.

1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи.

1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.

1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.

1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.

1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.

1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.

1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.

1690 г. — Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.

1698 г. — англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.

1741 г. — русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».

1769 г. — французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.

1784 г. — Джеймс Уатт создал первую паровую машину.

1791 г. — Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.

1794 г. — паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.

1800 г. — существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.

1808 г. — на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.

1810 г. — в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.

1816 г. — немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.

1834 г. — в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.

1868 г. — считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.

1871 г. — французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.

1874г. — в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».

1875г. — в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.

1884 г. — американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.

1901г. — в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».

1902г. — Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости — 120 км/ч.

Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч.

1905 г. — американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км

1.2 Паровой двигатель

Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.

Паровые двигатели, такие как раньше использовались в локомотивах, работают на производимом при нагревании воды паре. На Рис(1.) показана угольная или дровяная топка (1) нагревает котел, напол-ненный водой (2), который производит пар. Пар поднимается и через сухопарник(3) выталкивается через трубы в цилиндр (4), где он вызывает обратное движение поршня (5). Связанный с поршнем рычаг (6) это золотниковый клапан (7), который сначала позволяет пару попасть в цилиндр (как показано), закрывая выпускное окно (8). Это создает давление, которое двигает поршень вперед и приводит к тому, что золотниковый клапан становится в такое положение, когда выпускное окно открывается и пар выходит наружу. Движение колес заставляет поршень двигаться назад, и все начинается снова.

Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой. Поэтому пара они производили очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой. Большая часть топлива при этом сгорала впустую.В начале XVIIIв. конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, со всех сторон окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах.В конце XIXв. были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар.

1.2.2 Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные 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 нее 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.

Теоретически задача постройки автомобиля, то есть повозки, которая бы ездила сама, была уже почти решена. Необходимо было лишь построить экипаж с механизмом управления, приводимый в движение находящимся в нем двигателем. В XVIIIв. таким двигателем могла стать только паровая машина.

Впервые эту идею высказали Дени Папен и Томас Севе-ри — авторы единицы мощности «лошадиная сила», но, к сожалению, они не могли подтвердить свои мысли практически. Реализация оставшихся в теории английских проектов Севери и Уатта удалась французу Никола Жозефу Кюньо.Кюньо родился в 1725 г. в Лотарингии. Он был хорошо образован и с детства проявил исключительный интерес к технике. Инженер детально интересовался приспособлением паровой машины для привода «безлошадного экипажа», досконально знал конструкцию машины Папена и ряда паровых машин Уатта. К сожалению, слишком большие размеры этих конструкций не позволяли разместить их на повозке. Кюньо начал постройку собственной паровой машины небольших размеров. Но так как получавшиеся конструкции все равно были слишком велики, изобретатель вскоре был вынужден прекратить работы, на которые уже не хватало средств, а попытки добиться дополнительного финансирования от правительства не дали результата.

На рисунке(2.), выполненном неизвестным художником согласно указаниям Исаака Ньютона, показано устройство упрощенного экипажа, использующего для движения реактивную силу струи пара.Однако в 1764 г., когда изобретатель был готов полностью отказаться от исполнения своей мечты, ему улыбнулась удача. Подаваемая много раз просьба об аудиенции у министра обороны была удовлетворена. Естественно, министр не имел намерения интересоваться работой и проектами Кюньо, а поручил генералу де Грибьеву, знающему толк в механике, ознакомиться с изобретением. Генерал, исключительно интеллигентный и умный человек, сразу понял, какой переворот может совершить в армии «механический мул» в качестве артиллерийского тягача. Он поддержал идею построения опытного образца машины Кюньо. Однако первых пробных поездок пришлось ждать пять лет. Они с полным успехом прошли в Брюксе в присутствии небольшого числа зрителей. Результат этих испытаний позволил устроить демонстрацию машины в Париже, на которую был приглашен министр обороныФранции.

Первый автомобиль, так называемая малая телега Кюньо, с собственным именем «Фардье», развивал на дороге скорость 4,5 км/ч, но только в течение 12 мин, поскольку на большее не хватало ни воды, ни пара. Необходимо было наполнить котел водой и вновь разжечь под ним костер, так как у первого автомобиля отсутствовала даже топка. Несмотря на свои недостатки, телега так понравилась министру, что он приказал тотчас же приступить к постройке улучшенного и увеличенного экземпляра, который можно было бы изготовлять в больших количествах для использования в войсках для транспортировки пушек. На Рис.(3.) показан первый в мире паровой автомобиль, построенный в 1769 г. Кюньо.

Известный французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо одним из первых попытался использовать паровую машину для нужд транспорта. Построенный Кюньо в 1769 г. паровой экипаж в настоящее время хранится в Музее искусств и ремесел в Париже, а его изображение стало эмблемой французского общества автомобильных инженеров.

Получив в свое распоряжение 20 000 франков в качестве вознаграждения за первую конструкцию, Кюньо с энтузиазмом взялся за дело. В конце 1770 г. были проведены испытания нового, более мощного парового автомобиля Кюньо в присутствии официальных военных экспертов. Они дали похвальное заключение, когда тягач полностью выполнил поставленные перед ним задачи, хотя его скорость не превышала 4 км/ч вместо требуемых 15. Движение было непрерывным, поскольку котел имел собственную топку и не требовалось разжигать на земле костер. К тому же Кюньо уже придумал, как увеличить скорость хотя бы до скорости марша войсковых колонн, чтобы артиллерия не оставалась позади. Лишь в 20-х гг. XIXв., после значительного улучшения качества дорог, паровые повозки вновь сталипоявляться в Англии.Со временем к дилижансу присоединили повозку с запасами топлива и воды. Это позволило пятнадцатиместным паровым дилижансам совершить около 700 рейсов и преодолеть почти 7 тыс. км со скоростью 30 км/ч. Правительство ввело налоги на паровые автомобили. Сокрушительным ударом по владельцам любых механических повозок стал принятый парламентом «Закон о дорожных локомотивах», который уничтожил самое главное преимущество парового транспорта — скорость, ограничив ее до 15 км/ч.Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми. Рисунок (4.)показывает «дорожного локомотива», построенного Тревитиком и Виваном в 1803 г.В 1865 г., когда железные дороги покрыли своей сетью основную часть территории Англии, их владельцы совместно с владельцами конного транспорта нанесли окончательный удар по паровым каретам. Начиная с этого года паровые машины должны были на загородных участках дороги двигаться со скоростью 7 км/ч, в пределах города — до 4 км/ч. Кроме этого, перед паровой повозкой обязательно должен был бежать специальный человек с красным флажком, предупреждая всех оприближающейся опасности.Так, в Англии на несколько десятилетий был уничтожен такой вид транспорта, как паровые дилижансы. Однако паровозы, приводимые в движение тем же паровым двигателем, беспрепятственно и с выгодой для их владельцев продолжали катить по рельсам. Принятый закон был смягчен лишь в 1878 г. и полностью отменен в 1896 г., когда по дорогам Европы ездили десятки сотен автомобилей с бензиновыми двигателями. Первый паровой колесный тягач в России был построен в 1874 г. на Мальцевском заводе в Людиново. В качестве прототипа был взят английский автомобиль «Эвелин Портер», однако русский тягач получился мощнее и тяжелее. Кроме этого, он был приспособлен к работе на дровах, а не на угле. Всего было построено семь таких тягачей.Как и во Франции, большой интерес к паровым тягачам в России проявило военное ведомство. Как только в России появился первый рутьер, приобретенный бароном Буксгев-деном для своего имения под Ригой, военные провели его испытания. Паровой тягач «системы Томсона» достойно выдержал испытания, и в 1876 г. после испытаний еще нескольких моделей рутьеров было принято решение об их закупке для нужд российской армии.На рис.(5.)-Рутьер — паровой тягач, способный буксировать специальные вагоны, платформы или прицепы.

Следующим паровым автомобилем после рутьеров Мальцевского завода был построенный в 1901 г. легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс». На машине этой довольно удачной конструкции был совершен не только пробег в Крым и обратно, но и восхождение на Ай-Петри. Однако паровым автомобилям так и не удалось прижиться в России. Последней попыткой в этом направлении стала постройка в конце 1949 г. двух паровых грузовых автомобилей НАМИ-012. Испытания подтвердили работоспособность и долговечность машин, при этом их ходовые качества были не хуже, чем у дизельного грузовика. Лесовозный автопоезд с тягачом НАМИ-012 показан на рисунке.(6.).Максимальная скорость — 42 км/ч, запаса дров в бункерах хватало на 80 км пробега.

Вернемся во Францию конца XIXв. Здесь в это время паровые автомобили пережили свое второе рождение. Двигатели оснастили керосиновыми горелками вместо угольных топок, теперь они не нуждались в запасе угля и долгом разогреве. Леон Серполле (1858—1907) в своей модели парового экипажа заменил водяной котел длинной многократно изогнутой трубой — змеевиком. Это была настоящая удача, поскольку такая замена позволила уменьшить объем используемой воды. Кроме этого, на повозке Серполле были установлены эластичные шины, повышающие комфорт поездки, и специальный механизм, соединяющий вал паровой машины и ведущие колеса — кардан. Он получил свое название от имени итальянского изобретателя Джероламо Кардано и позволял передать вращение от неподвижно закрепленной паровой машины к покачивающимся на рессорах колесам повозки.В1875 г. первая паровая машина Болли была продемонстрирована в Париже. Она представляла собой паровой дилижанс, рассчитанный на 12 мест, и получила название «Послушная». Имея общую массу 5 т, паровик расходовал на 1 км пути 2,5 кг угля и 14 л воды. По этим показателям Болли удалось опередить подобные паровые омнибусы англичан в 1,5—2 раза. Впереди сидел управляющий поездом (по терминологии тех лет — кондуктор), а сзади — кочегар (шофер), который обслуживал паровой котел. Четырехцилиндровая паровая машина (точнее, две двухцилиндровые) давала возможность на ровной горизонтальной дороге развивать скорость до 40 км/ч.Его новая модель, изготовленная в 80-х гг. XIXв. и получившая название «Новая», имела еще более высокие показатели. Масса омнибуса составляла 3,5 т, при этом на 1 км пути ей требовалось 1,5 кг угля и 7 л воды. По своим скоростным характеристикам машина Болли могла соревноваться даже с только что появившимися бензиновыми автомобилями. Кстати, если отбросить паровой двигатель, то по конструкции и внешнему виду повозка Болли больше была похожа на современный автомобиль, чем первые бензиновые «безлошадные экипажи», официально считающиеся автомобилями. В ее конструкции присутствовали даже такие элементы, как независимая подвеска колес и металлический кузов, получившие распространение на автомобилях лишь в середине 30-х гг. XXв.В дальнейшем часто использовали паровую машину в качестве двигателя легких трех- и четырехколесных повозок. Во Франции этим занимались Леон Серполле и фабрика «Де Дион-Бутон и Трепарду». Использование вертикального трубчатого котла намного меньшего размера, чем обычные, позволило уменьшить массу двигателя, упростить обслуживание и устранить опасность взрыва. Получившиеся в результате усовершенствования небольшие, похожие на брички четырехместные паровые экипажи были очень популярны в начале XXв. во Франции и особенно в США, где паровые автомобили выпускались до начала 30-х гг.Но несмотря на все усовершенствования, паровые автомобили второй половины XIXв. оставались весьма неудобными для эксплуатации. Водитель должен был владеть теми же знаниями и сноровкой, что и машинист на железной дороге.

Это привело к тому, что паровая машина была практически недоступна массовому потребителю. Несмотря на это, именно она сыграла важную роль в развитии автомобильной техники. Благодаря этой машине была доказана реальная возможность механического передвижения экипажа, опробованы и усовершенствованы различные механизмы будущего автомобиля. Со времен паровых автомобилей нам осталось и слово «шофер» (его раньше писали через два «ф»), что в переводе с французского означает «кочегар». И хотя на автомобиле давно уже нет ни котла, ни топки, часто современного водителя называют шофером.К началу XXв. паровые двигатели могли достигать мощности 15 млн. Вт, а скорость вращения их вала составляла 1000 об/мин. На одной из своих поздних машин Серполле в 1902 г. установил мировой рекорд скорости автомобиля — 120 км/ч. Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч. А еще через два года, в 1905 г., американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км/ч.В 80-х гг. XIXв. появились автомобили с бензиновыми двигателями. Их главное преимущество заключалось в малой массе и быстром запуске, хотя они были не лишены ряда недостатков, от которых уже «вылечились» паровые машины.

Несмотря на все старания ученых и инженеров спасти паровики, они уже не соответствовали современным требованиям. Паровые двигатели были тяжелыми, громоздкими, требовали большого количества топлива и воды и не обещали дальнейшего повышения экономичности. На транспорте их все больше вытесняли появившиеся в конце XIXв. двигатели внутреннего сгорания.

1.3.1 Первые пароходы

Началом применения паровых двигателей «на воде» был 1707 год, когда французский физик Дени Папен сконструировал первую лодку с паровым двигателем и гребными колесами. Предположительно после успешного испытания ее сломали лодочники, испугавшиеся конкуренции. Через 30 лет англичанин Джонатан Халлс изобрел паровой буксир. Э ксперимент закончился неудачно: двигатель оказался тяжелым и буксир затонул.В 1802 году шотландец Уильям Саймингтон продемонстрировал пароход «Шарлотта Дундас» на рисю(7.)Широкое использование паровых машин на судах началось в 1807 году с рейсов пассажирского парохода «Клермонт», построенного американцем Робертом Фултоном. С 1790-х годов Фултон занялся проблемой использования пара для приведения в движение кораблей. В 1809 году Фултон запатентовал конструкцию «Клермонта» и вошел в историю как изобретатель парохода. Газеты писали, что многие лодочники в ужасе закрывали глаза, когда «чудовище Фултона», изрыгающее огонь и дым, двигалось по Гудзону против ветра и течения. Уже через десять-пятнадцать лет после изобретения Р. Фултона пароходы серьезно потеснили парусные суда. В 1813 г. в Питтсбурге в США заработали два завода по производству паровых двигателей. Через год к Нью-Орлеанскому порту было приписано 20 пароходов, а в 1835 г. на Mиссисипи и ее притоках работало уже 1200 пароходов. Речной пароход США 1810-1830гг- на рис.(8.)К 1815 г. в Англии на р. Клайд (Глазго) работало уже 10 пароходов и семь или восемь на р. Темзе. В том же году был построен первый морской пароход «Argyle», который выполнил переход из Глазго в Лондон. В 1816 г. пароход «Majestic» выполнил первые рейсы Брайтон — Гавр и Дувр — Кале, после чего начинали открываться регулярные морские паровые линии между Великобитанией, Ирландией, Францией и Голландией.В 1813 г. Фултон обратился к русскому правительству с просьбой предоставить ему привилегию на постройку изобретенного им парохода и употребление его на реках Российской империи. Однако в России пароходов Фултон не создал. Начало 19 века и в России отмечается строительством первых судов с паровыми машинами. В 1815 году владельцем механико-литейного завода в Петербурге Карлом Бердом был построен первый колесный пароход «Елизавета» на рис. (9.) На деревянную «тихвинку» была установлена изготовленная на заводе паровая машина Уатта мощностью 4 л. с. и паровой котел, приводившие в действие бортовые колеса. Машина делала 40 оборотов в минуту. После успешных испытаний на Неве и перехода из Петербурга в Кронштадт пароход совершал рейсы на линии Петербург — Кронштадт. Этот путь пароход проходил за 5 ч 20 мин со средней скоростью около 9,3 км/ч.К 20-м годам 19 века в Черноморском бассейне был всего лишь один пароход — «Везувий», не считая примитивного парохода «Пчелка» мощностью 25 л.с., построенного киевскими крепостными крестьянами, который через два года был проведен через пороги в Херсон, откуда и совершал рейсы до Николаева.Крупный сибирский золотопромышленник Мясников,. получивший привилегию на организацию пароходства по оз. Байкал и рекам Оби, Тоболу, Иртышу, Енисею, Лене и их притокам, в марте 1843г. спустил на воду пароход “Император Николай I” мощностью 32 л. с., который в 1844 г. был выведен на Байкал. Вслед за ним был заложен и в 1844 г. закончен постройкой второй пароход мощностью 50 л. с., получивший название “Наследник Цесаревич”, который также был переведен на оз. Байкал, где оба парохода и использовались на перевозках.В 40-50-е годы 19века пароходы стали регулярно ходить по Неве, Волге, Днепру и другим рекам. К 1850 г. в России было около 100 пароходов.

В 1819 американское парусное почтовое судно на рис.(10.)-«Саванна», дооборудованное паровой машиной и съемными бортовыми колесами вышло из г. Саванна США на Ливерпуль и совершило переход через Атлантику за 24 дня. В качестве двигателя на «Саванне» использовалась одноцилиндровая паровая машина низкого давления, простого действия. Мощность машины составляла 72 л.с., скорость при работе двигателя — 6 узлов (9 км/час). Двигателем пароход ьпользовался не более 85 часов и только в пределах прибрежной зоны.Рейс «Саванны» проводился для оценки необходимых запасов топлива на океанских маршрутах, т.к. сторонники парусного флота утверждали, что ни один пароход не сможет вместить достаточно количество угля для перехода через Атлантику. После возвращения судна в Соединенные Штаты паровой двигатель был демонтирован, а судно до 1822 г. использовалось на линии Нью-Йорк – СаваннаЛегендарный гигант «Титаник» .В котельных помещениях судна было установлено 29 паровых котлов — каждый весом в 100 тонн, которые разогревались жаром 162 топок. Угольные печи разогревали воду в котлах, чтобы получить пар. Затем пар подавался на поршневые двигатели. Как только пар попадал в один из четырех цилиндров двигателя, вырабатывалось необходимое усилие для вращения одного из гребных винтов. Лишний или потеряный пар конденсировался в испарителях и полученная вода могла быть возвращена в котлы для повторного нагревания. Изменение количества пара, поданного надвигатели управляло скоростью судна. Дым от топок и выхлопы двигателей выбрасывались через 3 первых трубы. Четвертая труба была фальшивой и использовалась для вентиляции. На «Титанике» все соответствовало последнему слову техники того времени. Первый военный пароход был построен в США по проекту Р. Фултона в 1815г. Он предназначался для охраны акватории Нью-Йоркского порта и представлял из себя батарейный катемаран. Военные моряки называли его паровым фрегатом, однако Р. Фултон предпочитал называть его паровой батареей и дал ему имя «Demologos» («Глас народа»). В 1829 г. пароход взорвался на рейде Нью-Йорка из-за неосторожного обращения матросов с огнем. В России первый пароходофрегат «Богатырь», ставший предтечей крейсеров, был построен в 1836 г.Применение паровой машины на подводной лодке откладывалось в течение многих лет. Главной проблемой была подача воздуха для сжигания топлива в топке парового котла при нахождении лодки в подводном положении, т.к. при работе машины расходовалось топливо и изменялась масса подводной лодки, а она должна быть постоянно готовой к погружению. Несмотря на препятствия в истории изобретательства подводных кораблей было много попыток построить подводную лодку, снабженную паровым двигателем. Проект подводной лодки с паровой машиной первым разработал в 1795 г. французский революционер Арман Мезьер, но ему не удалось осуществить его. В 1815 году Роберт Фултон построил в Нью-Йорке большое подводное судно, снабженное мощной паровой турбиной, длиной восемьдесят футов и шириной двадцать два фута с экипажем в 100 человек. Однако Фултон умер до того, как «Mute» был спущен на воду, и эта подводная лодка пошла на слом.Летом 1866 г. была создана подводная лодка талантливого русского изобретателя И. Ф. Александровского. Она испытывалась в течение нескольких лет в Кронштадте на рис.(11.). Было вынесено решение о ее непригодности ее для военных целей и нецелесообразности проведения дальнейших работ по устранению недостатков.

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

Параллельно с развитием первых автомобилей изобретатели продолжалисовершенствовать конструкции мотоциклов и установленных на них моторов. Наиболее интересными работами в этой области были аппараты французского инженера Луи Гийома Перро, который создал собственный паровой мотоцикл. Начал он, как и его соотечественник Эрне Мишо, с велосипеда, оснастив его в 1868 г. большим маховиком, благодаря чему ездок мог определенное время двигаться по инерции. Через год Перро стал применять в своих конструкциях одинарную трубчатую раму.Революционным стал велосипед, разработанный Луи Перро, с электроприводом на заднем колесе. А ведь это было во времена, когда электротехника только зарождалась и хороших электромоторов не существовало, поэтому фантастический для того времени проект тик и остался на бумаге.Итогом всех этих изобретений стала паровая машина для велосипеда, разработанная Перро в 1871 г. Через некоторое время мотоцикл был изготовлен и опробован на ходу. Топливом для горелки должны были служить винный спирт, керосин или растительное масло. Двигатель — одноцилиндровая паровая машина. Вдоль рамы крепился рабочий цилиндр, а бачки для топлива и воды располагались поперек рамы. С помощью специального регулятора можно было менять количество подаваемого в цилиндр пара, изменяя тем самым скорость мотоцикла. Тормоза на машине Перро не было.Основой рамы была толстая изогнутая труба, которая крепилась к рулевой колонке и проходила к заднему колесу. Обода колес были деревянными, заделанными снаружи металлом. Металлическими были и спицы. Седло крепилось на длинной рессоре и могло перемещаться вдоль машины — вперед летом, дабы отодвинуться от горячего мотора, а зимой назад, чтобы согреться от него. На рис.(12.)-Перро предлагал свое детище за три тысячи франков. Но, к сожалению, накануне франко-прусской войны его изобретение не смогло завоевать поклонников и принести прибыль.Мотоцикл Перро имел трубчатую раму с закрепленным на ней рабочим цилиндром и бачками для топлива и воды что виднно на рисунке (13.).Стоит упомянуть еще об одном изобретателе «пароциклов» — американце Луисе Копленде. В 1884 г. он поставил провой мотор впереди водителя над маленьким передним колесом, чтобы разгрузить заднее (масса водителя плюс масса двигателя). Этот мотоцикл мог разогнаться до 18 км/ч, несясь по улицам, как «исчадие ада», и пугаяграждан. Позднее Копленд основал собственную фирму по производству мотоциклов.В дальнейшем развитие мотоциклов приостановилось. Люди, занимавшиеся их изготовлением, столкнулись с той же проблемой, что и автомобильные мастера, — с отсутствием легкого и экономичного двигателя. Лишь появление двигателя внутреннего сгорания в корне изменило ситуацию, дав мощный толчок дальнейшему развитию этого оригинального вида транспорта.

1.4 Применение паровых двигателей

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. Позднее 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.

1.4.1 Преимущество 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.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 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.

1.4.2 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

Wout— механическая работа, Дж;

Qin— 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.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. 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°С.

В практической части была сделана попытка сконструировать механизм, способный двигаться на пару.

Для работы мы использовали различные материалы, которые можно купить в хозяйственном магазине.

Механизм состоял из различных подручных средств.

Были использованы такие материалы как:

железная платформа размером,

банка из-под освежителя воздуха,

различные металлические крепежи,

металлический винт,

различного диаметра трубочки,

различные держатели,

металлическая проволока,

свеча,

сухой спирт.

В первую очередь чтобы собрать механизм мы приготовили основание, на чем будет стоять наш механизм выбор пал металлическую платформу размерами (11*23)см.

Металлическая платформа по своим качествам и свойствам: прочная, способная выдержать длительные нагрузки и приличный вес механизма, а так же, способна выдержать длительный жар и не деформироваться под его воздействием.

Потом мы подготовили емкость, в которую будет наливаться вода и в дальнейшем нагреваться. Для емкости мы использовали банку из под освежителя воздуха размерами в высоту 12см и в 7см в диаметре.

Так как нам продеться её нагревать, наружный металлический корпус идеально подходил для этого. А так же плюсы этой емкости были в том, что она была практически герметична. Подача воздуха и выход пара происходил через одно отверстие. Была приделана металлическая узкая трубочка на выходе из емкости, чтобы увеличить давление в ней при нагревании и создать как можно больший поток пара на выходе из емкости.

Для того чтобы установить емкость на металлической платформе были использованы металлические крепежи.

Металлические крепежи были сделаны специально из толстого металла, для того чтобы они были способны выдержать вес емкости с водой, а так же стойкими к огню.

Так как при нагревании емкости выходящий из неё пар сконцентрирован в одном месте и создает горячий поток воздуха. Именно эту особенность мы решили использовать и по закону сохранения энергии, что энергия может переходить из одной формы в другую.

И возникла идея превратить пар в механическую энергию.

Чтобы это сделать, был использован металлический винт.

Поток пара направленный на лопасть винта заставил бы его крутиться винт вокруг своей оси, что наглядно показывало на переход энергии в механическую.

Ось винта с одной стороны должна быть с удлинением 2-3 см. Поскольку на неё будет крепиться резинка, соединяющая ее с колесом механизма. И за счет того, что винт будет крутиться под напором пара, то через резинку это движение будет переходить на колесо. Что в конечно итоге должно заставить медленно двигаться механизм.

Одно из важнейших особенностей этого механизма это нагревание воды в емкости. Были использованы 2 вида источника тепла: первый это обычная свечка, которая даем не достаточно теплоты, чтобы заставить воду кипеть и сухой спирт, который значительно больше дает теплоты, но тоже не способная быстро выпаривать воду.

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

В предыдущем прототипе мы при благоприятных условиях могли бы получить от 1-3% КПД, но при данном улучшении КПД должен увеличиться до 3-6%.Идея очень простая и работает за счет давления пара образованного в емкости.

Улучшения заключается в том, что изменяется положение емкости и способ перехода энергии. На емкости в том месте, где выходит пар, приделана трубочка внутри которой находиться металлический шарик, который закрывает емкость. Шарик подпирает пружинка, которая соединяет шарик и поршень. В самой трубочке образованны отверстия, чтобы пару было куда уйти. И принцип заключается в том, что в емкости при нагревании образуется пар и в момент увеличения давления, когда давление увеличивается до определенного момента, давление вытесняет шарик. Вытесненный шарик по цепной реакции задействует пружинку, а она в свою очередь переходит на поршень и так через рычаги механическая энергия переходит на колеса. И так продолжается пока в емкости может образоваться давление для вытеснения шарика. Таким образом, если урегулировать механизм мы можем, получит частое поднятие шарика, а это приведет к созданию скорости.

2.3 Анкетирование

Результаты анкетирования показали, что из 20 учеников 2 классов на 10 вопросов правильно ответили 65% учеников.

На самые актуальные вопросы сделана таблица на рис.(20.) для наглядного сравнения.

Заданные вопросы:

1.Как вы думаете, какой будет КПД у этой машины и почему? на рисунке (21.)

2. В каких промышленных предприятиях используют паровой двигатель?

3. В каком году французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль?

4. Кто такой англичанин Томас Севери?

5. Какую максимальную скорость развивал паровой автомобиль?

Заключение

После написания работы были сделаны выводы, что паровая техника до сих пор окружает нас и используется и по сей день: паровозы сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами, насосные станциями и множество других мест.Проанализировав научную литературу, стало очевидно, что именно паровой двигатель изменил наш мир, и наши жизни, поскольку именно с его открытия настала эра развития технологий и разного вида транспорта.

Изучив принцип работы паровых двигателей, сконструировали и построили простейший механизм, работавший на пару. Рассмотрели возможности увеличения КПД в дальнейшем.

В работе при создании механизма мы столкнулись с рядом проблем, которые помешали добиться желаемого результата и что, в конечном счете, привело к малой мощности нашего механизма. Что частично опровергает нашу гипотезу. Чрезмерное влияние внешних факторов и большая потеря тепла, энергии впустую, были причинами неудачи. Так же не достаточное быстрое и малое количество образования пара привело к тому, что не создавалось нужное давление и что в последствии привело нехватке мощности.

При конструировании механизма следующего поколения большинство факторов было учтено, чтобы избежать прежней участи. Чертежи были основанные, для того чтобы улучшить механизм и добиться желаемого результата.

По этой работе можно судить, что в мире паровых технологий и по сей день, есть куда стремиться и развиваться. И может именно эта технология станет самой экономичной, экологической и мощной в дальнейшем в мире.

Список используемой литературы

Статья основана на материалах Большой советской энциклопедии 2-го издания.eo:Vapormaŝinohu:Gőzgéplt:Garo mašinann:Dampmaskin

Паровой двигатель – изобретение прошлого с перспективным будущим

Любой человек знает, что сердцем всякого транспортного средства является мотор. И большинство современных автомобилей работают от двигателей внутреннего сгорания. Но все эти навороченные движки являются внуками или даже правнуками такого агрегата, как паровой двигатель. А началось все с изобретения Томаса Сэйвери. Он в 1689 году построил первый паровой агрегат, который исполнял роль насоса. С его помощью откачивали воду, которая заливала шахты. Конструкция этой машины была совсем простой. В этом насосе пар конденсировался и превращался в небольшое количество воды. Это позволяло создать в нем частичный вакуум, благодаря которому вода отсасывалась из глубины шахтного ствола.

Но изобретение Сэйвери было лишь первым шагом в длинном пути развития паровых машин. И еще до второй половины 18 века в «ходу» были только водяные двигатели. Их использовали для производственных нужд, то есть на фабриках и заводах. Это были очень громоздкие и дорогостоящие устройства. В них механическое движение передавалось от водяного колеса. Для этого приходилось эти фабрики строить на берегах рек, а это не всегда было удобно. К тому же, чтобы водяной двигатель эффективно работал, нужно было строить плотины, устраивать пруды, короче делать много подготовительных работ. Да и мощности таких агрегатов не всегда хватало для нужд производства. А зимой или в засуху они вообще «умирали». Такая ситуация долго продолжаться не могла. И паровые двигатели стали в то время именно «двигателями прогресса».

И большой вклад в это дело внес Томас Ньюкомен, который в 1712 году изобрел поршневой насос. Этот агрегат приводился в действие паром. А в 60-е годы 18 века Джеймс Ватт усовершенствовал конструкцию этого аппарата и создал более эффективный паровой двигатель. Его изобретение нашло свое применение на производстве. С помощью такого двигателя работали станки на фабриках того времени. А первая паровая турбина появилась в конце 19 века, в 1883 году. Ее создал швед Густав Лаваль. А англичанину Чарльзу Парсону достался патент за изобретение многоступенчатой реактивной турбины, которую он разработал специально для того, чтобы приводить в действие электрогенератор. И эта турбина стала широко применяться на тепловых электростанциях.

Паровые турбины используются и сейчас. Они крутят генераторы электростанций и винты больших кораблей. Эти турбины тепловую энергию превращают во вращательное движение. И работать они могут как на обычном топливе (мазут), так и от атомного реактора. А устройство парового двигателя немного отличается от устройства турбины. Он тоже работает на пару, который получается при нагреве воды. И этот пар двигает поршни, которые расположены в цилиндрах. Эти поршни создают возвратно-поступательное движение. А специальный механизм уже преобразует его во вращательное движение. И такие поршневые двигатели стоят на паровозах.

В свое время паровой двигатель пытались внедрить и в автомобильном транспорте. Так в СССР в 50-е годы прошлого века разрабатывали специальную «всеядную» модель Победы. Это было связано с тем, что в послевоенном Союзе были проблемы с энергоносителями. И советские инженеры в качестве парогенератора решили использовать водотрубный котел. Тогда такой котел был самым эффективным паровым двигателем. С его помощью можно было получать высокий теплосъем с рабочей поверхности, создавая при этом давление до 170 кг/см2 , и без опасности взрыва этого котла. В этих агрегатах были некоторые недостатки. Но советским специалистам их удалось устранить.

И в начале 1956 года на экспериментальном заводе при НИИ 21 подготовили первые четыре такие машины. А весной того же года эти автомобили участвовали в сравнительном автопробеге, цель которого — выявить преимущества и недостатки этих моделей. В этом пробеге принимали участие также традиционные модели Победы. И в процессе испытаний паровой двигатель показал себя с самой лучшей стороны. Во время автопробега применялось топливо самых разных видов. Это горючие сланцы, каменный уголь, торф и сырая нефть. Также машина прекрасно работала на таком топливе как мазут, керосин, бензин, березовые дрова, отработанное машинное масло и спиртовые смеси. Правда, подготовка к старту такого автомобиля занимала до 35 минут. Зато она обладала более высокой проходимостью в условиях бездорожья. Испытания эти прошли весьма успешно, но вскоре энергетический кризис миновал и в серийное производство эта разработка не попала. И в наше время, когда с энергоносителями опять становится туго, возможно придется пересматривать отношение к паровым двигателям.

Повышение КПД двигательных установок способом рекуперации сбросного тепла от их работы с помощью парового двигателя Емелина

Повышение КПД двигательных установок способом рекуперации сбросного тепла от их работы с помощью парового двигателя Емелина, на примере паротурбинной и дизельной силовой установки.

В статье описан принцип действия и конструкция парового двигателя Емелина. Описано применение устройства с целью повышения КПД двух таких распространённых типов двигателей как паровая турбина и дизельный двигатель. Рассказано об аспектах работы паровой турбины, ограничивающих её КПД.

Известно, что все существующие в настоящее время типы двигателей прошли большой путь развития и достигли высокой степени совершенства. КПД современного дизельного двигателя 40-45%, бензинового двигателя около 30%, КПД современных паротурбинных силовых установок достигает 40–42 %. В попытках повысить КПД инженеры борются сейчас уже не за проценты, а за доли процентов. Одним из способов значительно повысить КПД, является рекуперация тепла, вырабатываемого двигателям, получение за счёт этого дополнительной механической энергии и снижения за счёт этого расхода топлива. Например, у дизельного двигателя около 60 процентов тепловой энергии теряются в виде тепла, причем примерно половина из них это теплота выхлопных газов, а остальное — теплота, поглощённая в системе охлаждения двигателя.

Почему именно это устройство?

Двигатель Емелина способен использовать для своей работы пар низкого давления, с высокой степенью влажности. Это уникальное свойство, присущее только этому типу парового двигателя, позволяет эффективно использовать бросовую теплоту, остающуюся после работы технических устройств и рекуперировать её в полезную механическую энергию на валу. В том числе способен использовать теплоту, остающуюся после работы паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. Изобретение защищено заявкой в Роспатент №  2013129116 от 25 июня 2013г. Полное название: «Способ преобразования тепловой энергии в механическую с помощью двигателя внешнего сгорания и двигатель Емелина»

А будет-ли это работать?

Увидев чертежи этого двигателя, многие воскликнут: «Что-же тут нового! Этот механизм давно известен и широко используется в технике!» Это и к лучшему. Меньше сомнений в работоспособности предложенного технического решения. Основу конструкции двигателя составляет ротационно-лопастной механизм. Известны: пневматический двигатель, газовый компрессор, гидравлический мотор и гидравлический насос ротационно-лопастной конструкции. Теперь появился и ротационно-лопастной паровой двигатель, он же двигатель Емелина.

Рассмотрим аспекты работы паровой турбины.

Скорость потока пара внутри турбины превышает скорость звука. Большая скорость необходима для получения большой мощности. Пока пар сухой, горячий, турбина работает отлично. Но пар, совершая механическую работу, теряет температуру и набирает влажность. Внутри потока пара появляются мелкие капли жидкой воды и начинают увеличиваться в размерах.

Известно, что капля воды диаметром 2 мм, движущаяся со скоростью 750 м/с, вызывает разрушение алмаза, карбида вольфрама и деформацию высокопрочных сплавов. При меньших скоростях – порядка 200-600 м/с, многократные удары вызывают эрозию материала. Появляются и растут усталостные микротрещины внутри поверхностного слоя материала лопаток турбины. Затем начинается выкрашивание частиц металла. Это явление называется каплеударной эрозией. Появляется дисбаланс, вибрации, и как результат- поломки лопаток. 

Как это выглядит, видно на фотографиях с комментариями, с сайта научно-технического журнала «Надежность и безопасность энергетики», адрес в интернете http://www.sigma08.ru/jur1-11.htm

  

Рис. 1а и 1б. Эрозия входных кромок рабочих лопаток ротора низкого давления турбин Т-250/300-240. Наиболее часто возникающий дефект этих лопаток – эрозионный износ входных кромок. Рабочие лопатки последних ступеней изготавливаются из стали 15Х11МФ и связываются тремя рядами демпферных связей из двух разных материалов – титанового сплава ВТ-5 (наружная связь) и стали 20Х13 (внутренние связи).

Можно подать на вход турбины пар такого высокого давления и температуры, что на выходе турбины пар будет иметь низкую влажность. Лопатки турбины будут работать неограниченно долго. Но из-за плохого использования теплоты конденсации упадёт общий КПД процесса. Остаточная теплоемкость пара будет очень велика.

Можно наоборот, подать на вход турбины пар относительно небольшого давления. Влажность пара на выходе турбины будет высокая. Благодаря хорошему использованию теплоты конденсации общий КПД процесса будет высокий. Но из-за каплеударной эрозии лопаток ресурс турбины будет низким.

Вывод: У паровой турбины КПД находится в противоречие с ресурсом. Чем выше КПД, тем ниже ресурс и наоборот.

На практике применяют компромиссный вариант. Выбирают такой режим работы, при котором влажность пара на выходе из турбины составляет 13-14%. Ресурс турбины при этом составляет несколько лет. Хотя конечный итог всегда одинаковый-капитальный ремонт с заменой лопаток. Для защиты от повреждений, наносимых каплеударной эрозией, применяют высокопрочные высоколегированные стали и сплавы, специальные виды термообработки, многослойные покрытия и т.д. В результате характеристики улучшаются, но гораздо скромнее, чем хотелось бы. Проблема капле-ударной эрозии стоит как непреодолимая преграда на пути повышения КПД паровых турбин.

Но ведь если проблема не решается «в лоб», можно найти обходное решение. Например, можно пар, достигший критической для турбины степени влажности, дорабатывать на паровой машине, работающей по другому принципу, которая способна использовать влажный пар низкого давления без ущерба для своей работоспособности. Именно таким является паровой двигатель Емелина.

О том, какой КПД будет иметь связка паровая турбина плюс паровой двигатель Емелина, сейчас можно только гадать. Можно надеяться, что к 40% КПД паровой турбины двигатель Емелина добавит 15-20%, по скромным прикидкам. Остаточная теплоемкость пара, после работы в двух паровых машинах, будет относительно небольшой и может быть рассеяна в радиаторе, охлаждаемом набегающим потоком воздуха, аналогично радиатору системы охлаждения автомобиля или тепловоза. Пар будет конденсироваться в воду и снова подаваться в паровой котёл. Таким образом, будет обеспечен полностью замкнутый оборот воды. Важным следствием будет являться то, что паровая силовая установка станет независимой от источников воды, по настоящему мобильной.

Повышение КПД двигателя автомобиля

Одним из способов значительно повысить КПД автомобильного двигателя внутреннего сгорания, является рекуперация тепла, вырабатываемого двигателем и снижения за счёт этого расхода топлива. Попытки решения этой задачи предпринимались неоднократно. Последнюю по времени такую попытку предприняли разработчики баварского концерна BMW. Проект называется Turbosteamer. Система Turbosteamer состоит из двух ключевых узлов. Первый — двухступенчатый теплообменник, в котором выхлопные газы нагревают рабочую жидкость, превращающуюся в результате в пар высокого давления с температурой несколько сотен градусов. Второй главный узел — паровая турбина, куда перегретый пар поступает по магистрали, расширяется и выполняет полезную работу, помогая вращаться коленчатому валу основного мотора. После прохождения через турбину пар преобразуется обратно в жидкость в теплообменнике-конденсаторе, прежде чем попасть обратно в резервуар жидкости.

Остаточная теплота пара через теплообменник передается жидкости системы охлаждения двигателя и рассеивается в атмосфере с помощью радиатора. Экономичность двигателя возрастает на 10%-15%. Естественно, радиатор системы охлаждения должен иметь увеличенные размеры.

То, что прирост эффективности составляет всего 10%-15%, объясняется просто. Малогабаритная турбина имеет те-же недостатки, что и большая, Не способна использовать пар с влажностью выше 13-14% и потому КПД процесса не более 40%.

Усовершенствовать такую систему рекуперации тепла можно, заменив паровую турбину паровым двигателем Емелина. Причём в данном случае он может применяться самостоятельно, а не в связке с турбиной.

Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

  • Генератор пара будет настроен на выработку пара низкого давления. Пар низкого давления безопаснее, чем пар высокого давления, требуемый для работы паровой турбины.
  • Меньше остаточная теплоёмкость отработавшего пара, требуется радиатор охлаждения меньшего размера
  • Меньше вес, не требуются толстые стенки, способные выдерживать большое давление

Для работы в составе автомобильной двигательной установки двигатель Емелина имеет полезные опции. Предусмотрена возможность предварительного прогрева перед пуском после нахождения в условиях отрицательных температур. Предусмотрен режим запуска двигателя с обеспечением максимального вращающего момента, начиная с нулевой скорости вращения.

 

Устройство двигателя Емелина

Двигатель состоит из статора 1, ротора 2, имеющего вал. На валу ротора установлен шкив (или звездочка или шестерня или полумуфта, в зависимости от типа передачи), закрепленный при помощи гайки. К торцам статора 1 с обеих сторон прикреплены при помощи болтов передняя и задняя крышки, соответственно 3 и 4.  В пазах ротора 2 свободно установлены лопатки 5. Ротор 2 расположен эксцентрично относительно внутренней цилиндрической поверхности статора 1. Лопатки 5 могут свободно перемещаться в пазах ротора 2 в радиальном направлении.  Вал ротора 2 установлен в двух подшипниковых узлах. В передней крышке 3 находится передний подшипниковый узел. В задней крышке 4 находится задний подшипниковый узел. В передней и задней крышках 3 и 4 установлены уплотнения.

Изюминкой конструкции парового двигателя является то, что все поверхности внутри двигателя, контактирующие с паром, покрыты фторопластом, выполняющим 3 важные функции.

1. Удаление конденсата пара из двигателя происходит под воздействием центробежной силы. Водоотталкивающие свойства фторопластового покрытия не позволяет воде задерживаться на поверхностях деталей двигателя даже в виде тонкой плёнки. Свежий пар, попадая в двигатель, не тратит никакой части своей энергии на испарение остатков воды.

2. Фторопластовое покрытие снижает трение между деталями двигателя. Фторопласт называют «Скользким чемпионом» за низкий коэффициент трения.

3. Покрытие резко снижает вредный теплообмен между паром и поверхностями деталей двигателя, поскольку теплопроводность фторопласта в 180 раз меньше, чем у стали.

Статор двигателя, состоит из гильзы, расположенной в центре, к которой с обоих торцов присоединены два фланца. На гильзе имеются: Впускные отверстия, тангенциально расположены относительно внутреннего диаметра гильзы. Для размещения впускных отверстий, на наружной поверхности гильзы имеется прилив материала. Выпускные отверстия, группа, для выброса отработавшего пара и конденсата. Расположены в шахматном порядке в пределах сектора выпуска. Внутренний диаметр гильзы покрыт фторопластом.

 

Ротор двигателя имеет пустотелую сборную  сварную конструкцию. Все поверхности ротора, кроме концов вала, имеют фторопластовое покрытие. Перед сваркой на все поверхности деталей, предназначенные под нанесение покрытия, наносят искусственную шероховатость (насечки).

Сборка ротора выполняется поочередной приваркой к валу отдельных сегментов. Сначала приваривают боковые стенки 7 сварным швом изнутри сегмента, потом к ним  шпангоуты 8 сварными швами изнутри сегмента. Потом приваривают крышку 9 наружным сварным швом. После проведения сварки наружные сварные швы зачищают. Ширина пазов между сегментами после сварки больше, чем у готового ротора, за счёт толщины покрытия на стенках. Для снятия остаточных напряжений после сварки  выполняют отжиг по технологии, обычной для сварных корпусов.

Наносят фторопластовое покрытие толщиной в несколько миллиметров, с припуском на механическую обработку. Пазы заполняют полностью материалом покрытия. При последующей механической обработке пазы вновь прорезают дисковой фрезой с использованием делительной головки. Обработку паза производят в два приема, черновое и чистовое прорезание фрезой.

Подшипниковые узлы двигателя могут иметь различные варианты конструкции, в зависимости от типов используемых подшипников. На чертеже, показан вариант конструкции с использованием в подшипниковых узлах  шариковых радиальных однорядных подшипников с защитными шайбами.

С целью недопущения перегрева подшипников, подшипниковые узлы отодвинуты от центральной, нагреваемой паром, части двигателя. Находятся в удлиненных пустотелых бобышках, снабжённых вентиляционными окнами.

Лопатки изготавливаются из листового материала, например стеклотекстолита. Покрыты со всех сторон слоем фторопласта.

 

Подготовка к работе двигателя после хранения в условиях отрицательных температур.

С целью прогрева замёрзшего двигателя, без вращения вала, в дополнительное отверстие для пара в одной из крышек 3 или 4, подают пар. Через другое отверстие пар выпускают. Пар, проходя через пазы ротора 2 под лопатками 5, вдоль оси вращения двигателя, нагревает двигатель изнутри.

 

Пуск двигателя

С целью обеспечения полного вращающего момента на валу, начиная с нулевой скорости вращения, в конструкции двигателя применено принудительное поджатие лопаток 5 к статору 1 в момент пуска.

Для этого перед пуском двигателя подают пар в дополнительное отверстие для  пара в одной из крышек 3 или 4. Дополнительное отверстие в другой крышке при этом заглушают.

Давление пара, попавшего в пазы ротора 2 под лопатки 5, раздвигает лопатки 5 и прижимает их к внутренней поверхности гильзы статора 1.

После этого подают пар во впускные отверстия в статоре 1, двигатель запускается, набирает рабочие обороты. После этого прекращают подачу пара в дополнительное отверстие в крышке. На рабочих оборотах поджатие лопаток 5 к статору 1 обеспечивается центробежными силами.

 

Работа двигателя

Пар низкого давления, поступая в двигатель через впускные отверстия, давит на выступающие части лопаток 5 и заставляет ротор 2 вращаться. Лопатки 5 при вращении прижимаются центробежной силой к внутренней поверхности статора 1, препятствуя перемещению пара из одной камеры в другую. Резко расширившись и совершив механическую работу, пар охлаждается и в нём начинается интенсивный процесс конденсации. Отработавший пар и конденсат, под действием центробежной силы, через выпускные отверстия в статоре 1, выбрасывается из двигателя. Свежий пар, поступающий в двигатель при следующем такте, встречает сухие стенки рабочих камер и не тратит энергию на испарение оставшейся жидкой воды.

 

Подробнее о принципе действия.

В отличии от паровой турбины, в которой для получения механической энергии на валу используют кинетическую энергию потока пара, в паровом двигателе Емелина для получения механической энергии на валу используют потенциальную энергию давления пара. Таким образом, по принципу действия двигатель Емелина ближе к поршневой паровой машине. Циклы работы этих двух двигателей включает одинаковые фазы:

  • фаза впуска пара, завершающаяся отсечкой заполнения
  • фаза расширения пара, совершающего механическую работу
  • фаза выпуска отработавшего пара
  • фаза сжатия оставшегося отработавшего пара
  • циклическое повторение указанных процессов

 

Собственно, конструкция двигателя Емелина появилась в результате попыток улучшить конструкцию поршневой паровой машины, устранив её недостатки. Основным недостатком поршневой паровой машины является плохое использование теплоты конденсации пара. Как известно, теплоёмкость пара состоит из двух составляющих-теплоты конденсации (парообразования) и  теплоты перегрева пара. Теплоту перегрева пара поршневая паровая машина использует отлично. Если говорить в кулинарных терминах, то для паровой машины теплота перегрева пара является полезной легкоусвояемой пищей, а теплота парообразования (конденсации) — пища тяжёлая, плохо перевариваемая. Проблема в том, что из-за особенностей физических свойств воды, теплота парообразования (конденсации) водяного пара, как правило, значительно больше теплоты перегрева пара.

Логически рассуждая, при хорошем использовании теплоты конденсации значительная часть пара будет переходить в жидкое состояние прямо внутри двигателя, в течении фазы расширения пара, совершающего механическую работу. В фазе выпуска отработавшего пара конденсат должен полностью удаляться из поршневой полости. Но выпуск из поршневой паровой машины возможен только в виде пара. Выпуск жидкости не предусмотрен конструкцией.

У поршневой паровой машины есть и другие недостатки, которые были хорошо изучены ещё во времена её широкого использования, в том числе на железнодорожном транспорте. Ниже приведена цитата из книги «Курс паровозов. Устройство и работа паровозов и техника их ремонта: 2 тома, под редакцией профессора Сергея Петровича Сыромятникова. Государственное транспортное железнодорожное издательство. Москва. 1937год. – 524 с.», том 2, стр. 31:

«Основным источником тепловых потерь, возникающих в паровом цилиндре, на почве теплообмена между паром и стенками цилиндра, является то обстоятельство, что впуск свежего и выпуск мятого пара происходит через одни и те же каналы и окна.

Порция свежего пара, попадая в цилиндр, встречает там металлические поверхности стенок, только что перед этим охлажденные током уходящего в конус отработанного пара. Вследствие этого в период впуска пара происходит интенсивное отнятие от него тепла, вызывающее в случае насыщенного пара частичную его конденсацию, а при работе перегретым паром — контракцию, т.е. снижение температуры, сопровождающееся уменьшением удельного объёма пара. И в том и в другом случае для осуществления в цилиндре заданной индикаторной работы приходится впускать в него большее количество пара, чем его требуется по теоретическому расчёту для заполнения объёма отсечки.

Отдача тепла холодным стенкам продолжается в течении всего периода впуска и на части периода расширения, пока быстро падающая при расширении температура пара не сделается ниже температуры стенок.

Начиная с этого момента, теплообмен меняет своё направление, — происходит обратная отдача тепла пару, особенно интенсивная в период предварения выпуска. К сожалению, эта запоздалая компенсация приносит мало пользы, так как в конце периода расширения тепло отдаётся пару при давлении его в цилиндре, гораздо более низком, чем в период получения тепла стенками; возвращаемое же пару тепло в период выпуска не приносит никакой пользы, так как целиком уносится в конус».   Конец цитаты.  

Недостатки поршневой паровой машины

Как это решено в двигателе Емелина

Вредный теплообмен между рабочим телом (пар) и металлическими поверхностями в поршневой полости цилиндра.

Покрытие резко снижает вредный теплообмен между паром и поверхностями деталей двигателя, поскольку теплопроводность фторопласта примерно в 180 раз ниже, чем у стали.

Впускают свежий и выпускают отработавший пар через одни и те же каналы и окна.

Впуск и выпуск происходит через раздельные отверстия и каналы

Отработавший мятый пар выпускают только в виде пара. Даже та часть пара, которая успела перейти в жидкое состояние, повторно испаряется за счёт тепла окружающей цилиндр паровой рубашки, и вместе с теплотой конденсации «целиком уносится в конус».

Удаление конденсата пара из двигателя происходит под воздействием центробежной силы. Водоотталкивающие свойства фторопластового покрытия не позволяет воде задерживаться на поверхностях деталей двигателя даже в виде тонкой плёнки. Свежий пар, попадая в двигатель, не тратит никакой части своей энергии на испарение остатков воды.

Какой величины КПД можно достичь?

Чтобы достигнуть максимального КПД, требуется максимально использовать теплоту конденсации пара, что соответствует максимально возможной конденсации пара в жидкость. Как добиться конденсации пара? Тут всё просто: пар, совершая механическую работу и одновременно расширяясь, охлаждается и конденсируется. Всё дело только в коэффициенте расширения. То-есть, во сколько раз увеличился первоначальный объём пара. Для пара низкого давления — один коэффициент расширения, для перегретого пара высокого давления потребуется гораздо больший коэффициент расширения.

Конечный результат одинаков. Пар превратится в воду. Почти весь. Небольшая часть останется в виде насыщенного пара. Если есть жидкая вода, есть и пар над её поверхностью, независимо от температуры. Даже над поверхностью снега и льда всегда есть небольшое количество водяного пара. КПД равный 100% невозможен, потому что весь пар не может перейти в жидкость. Да и для перехода всего пара в жидкость, возможно, потребуется коэффициент расширения, равный бесконечности. У любого парового двигателя коэффициент расширения пара — величина конечная и не очень большая. Практически увеличить степень расширения можно, использовав многоступенчатое расширение пара, подобно тому, как это сделано в поршневых паровых тандем-машинах. Чем больше степень расширения, тем выше КПД. Насколько близко удастся приблизиться к недостижимой отметке 100%, зависит от конструктивных ограничений. Использование больших коэффициентов расширения требует увеличенных габаритов и веса оборудования. Другими словами, чем больше габариты, тем выше КПД. Насколько большого КПД удастся достичь, покажет только время. В любом случае, паровой двигатель низкого давления должен иметь большие габариты, обусловленные большим объёмом и низкой плотностью пара.

Одно из достоинств двигателя Емелина то, что основные элементы конструкции двигателя пустотелые и тонкостенные. Это позволяет при росте габаритов сохранить вес оборудования в разумных пределах.

Тут кстати стоит вспомнить о винтовых паровых машинах, они также допускают использование влажного пара. Но их рабочие органы представляют из себя винтовые валы, выполненные из монолитной стали. При увеличении габаритов винтовых валов будет резкое нарастание веса. Это ограничивает их использование в области пара низкого давления.

 

Заявка на изобретение №  2013129116 от 25 июня 2013г.

«Способ преобразования тепловой энергии в механическую с помощью двигателя внешнего сгорания и Двигатель Емелина».

Автор: Емелин Сергей Александрович.

E-mail: [email protected]

Идея устройства создана с использованием ТРИЗ. Ход выработки технического решения освещен на сайте ТРИЗ по адресу  http://www.metodolog.ru/node/896

Статья об использовании двигателя Емелина в энергетике «Деньги на ветер или как решить проблему современной энергетики» по адресу: http://izobretatel.by/

 

 

Критическая диссертация по паровым, воздушным и газовым двигателям

В самом строгом смысле этого слова топливо можно назвать «основной движущей силой» двигателя, поскольку от его количества зависит вся экономия паровой энергии. Это не просто цена топлива, оно может быть в десять раз дороже или в десять раз дешевле, чем оно есть на самом деле, и все же не давать человеку никакой пользы. Так, например, если бы 200 тонн одного вида угля могли произвести достаточно пара, чтобы переправить пароход Pacific через Атлантику, было бы дешевле заплатить за него 40 долларов за тонну, чем 8 долларов за тонну за вид угля, для которого потребуется 1000 тонн. для работы двигателей в течение одного рейса.Количество используемого угля определяет продолжительность пароходства. Главной целью всех изобретений, направленных на улучшение силы пара или ее замену, должно быть развитие силы при экономии топлива; мы хотим чего-то лучшего, чем паровой двигатель, если мы можем его получить, и полная чепуха говорить, что горячий воздух вместо пара сэкономит топливо, как сейчас говорят о корабле с горячим воздухом, и тем не менее этот корабль плыть не так быстро, как пароход. Если этот принцип действительно экономит топливо, он должен заставить корабль плыть быстрее.Если спросить причину, то почему? это легко дается. Пароход, требующий на 300 тонн меньше угля и равный другому во всех отношениях, несомненно, должен идти быстрее, по крайней мере так же быстро, и иметь то преимущество, что перевозит на 300 тонн больше платного груза. Наибольшее внимание и изобретательность были приложены к судовым двигателям и котлам, чтобы сэкономить топливо и его количество, ибо если бы для плавания корабля такого тоннажа через Атлантику потребовалось бы 2000 тонн угля, не будет океанского парового судоходства.Существует два типа паровых машин, полностью различающихся по принципам их работы: одна — «конденсационная машина», а другая — «неконденсирующая» машина, которую обычно называют «машиной высокого давления». Первый позволяет пару выйти (после воздействия на поршень) в камеру, где он встречается со струей воды и внезапно конденсируется в свой первоначальный объем, таким образом оставляя вакуум для следующей струи пара из цилиндра и забирая снять все противодавление со следующего хода поршня.Двигатель без конденсации позволяет пару выходить в атмосферу, действуя против давления воздуха, которое составляет 15 фунтов. на квадратный дюйм. Конденсационный двигатель экономит топливо, потому что он сохраняет давление 13 фунтов. на квадратный дюйм (остальные 2 фунта вычитаются из мощности, необходимой для работы воздушного насоса), за счет образования вакуума за поршнем за счет конденсации выходящего пара в конденсаторе вместо того, чтобы позволить ему уйти в атмосферу. По этой причине, а также благодаря большей безопасности пара низкого давления, конденсационная машина применяется исключительно на пароходах.Однако есть один принцип, в котором обе машины одинаковы, мы имеем в виду выпуск пара из цилиндра в место, где давление ниже давления пара. Таким образом, если давление атмосферы было 45 фунтов. вместо 15 фунтов. на квадратный дюйм двигатель без конденсации с давлением пара в три атмосферы (45 бар. ст.) вообще не работал бы. Если бы пар нельзя было снова внезапно превратить в воду, то о конденсационной машине не могло бы быть и речи, так что успех паровой машины высокого давления зависит от давления (15 фунтов на дюйм).,) атмосферы, а конденсационного двигателя — на качество пара, который внезапно конденсируется до своего первоначального объема струей воды. Таким образом, принцип, по которому приводится в действие всякая паровая машина, зависит от среды, в которую уходит пар после воздействия на поршень; эта среда должна быть более холодной, чем пар. Эагин, работающий на горячем воздухе, не может действовать ни по какому другому принципу; необходимо позволить горячему воздуху выйти в более холодную среду, иначе он не будет работать.Например, предположим, что двигатель, работающий на горячем воздухе в точке 491, помещен в комнату, в которой атмосфера нагрета до 491, двигатель горячего воздуха, если его выпускные отверстия, открытые в комнату, как двигатель высокого давления, вообще не будут работать, потому что воздух в комнате имеет одинаковое напряжение — горячий воздух внутри цилиндра и горячий воздух снаружи будут в равновесии; статическое давление. Как же тогда возможно, чтобы горячий воздух приводил в движение двигатель, как это предполагалось, и сохранял все тепло воздуха?Это химическая невозможность, и неудивительно, что Фарадей сбился с толку, когда объяснил, как было сказано в статье, скопированной из иностранного журнала, в одном из умных журналов нашего города. Например, позволяя горячему воздуху в точке 491 быть движущим агентом двигателя и позволяя горячему воздуху перемещать поршень к концу цилиндра, прежде чем указанный поршень может быть снова отброшен назад, горячий воздух с одной стороны необходимо допустить выход в конденсирующую или более холодную среду, прежде чем горячий воздух, подаваемый с другой стороны поршня, сможет заставить его двигаться к другому концу цилиндра, чтобы совершить полный ход. Что ж, допустим, что горячий воздух уходит в ряд слоев проволочной сетки; или регенератор, как это было предложено Стирлингом и упомянуто, как он утверждает, в своем первом патенте 1827 года (см. London Mechanics Magazine, Vol. 45). , за 1846 год, стр. 563 и 564) очевидно, что точно так же, как проволочная сетка поглощает тепло воздуха, по мере того, как увеличивается их теплота, их эффективность в качестве поглощающей среды — конденсатор, холодильник или назовите это как бы оно ни называлось, искажается, и результатом этого является то, что обратное сопротивление увеличивается, и если нагреть сетку до 491, двигатель вообще не будет работать, как в случае с паровым двигателем. конденсатор без воздушного насоса.Делать вид, что один и тот же нагретый воздух можно переносить на проволочную сетку в регенераторе и использовать снова и снова, причем регенератор действует одновременно как конденсатор и котел, — это аномалия. По тому же принципу экономии топлива каждый инженер должен выбрасывать свой пар в свой котел. Конечно, будет использовано не так много топлива, но так же мало будет выработана мощность. Если можно заставить определенное количество горячего воздуха воздействовать на поршень, выпускать его, отдавать свою теплоту и снова поглощать ее, и таким образом поддерживать цикл действия, как одна струя пара, заставляющая вращающийся двигатель вращаться вечно, тогда то же самое можно сделать и с паром, ибо пар есть газ, как и воздух, и подчиняется тем же законам в сочетании с теплотой выше 212°.Воздушная машина не может действовать иначе, как по принципу расширения и сжатия, а паровая машина — по тому же самому принципу (испарения и конденсации). Машинист никогда не мог бы заставить свой локомотив лететь по железным рельсам, как вихрь, если бы не поглощающая сила атмосферы и ее охлаждающее действие на выход отработавших газов; также охлаждающее свойство испарения жидкости. Если бы такого закона не существовало, то котел скоро раскалился бы докрасна и разорвался бы на части, но все свойство воды поглощать теплоту, которое, как сказано в нашей последней статье, делает ее столь превосходной по сравнению с горячим воздухом, и что уносится паром при сравнительно низкой температуре, отнимает энергию у печи, делает его более безопасным и экономичным в использовании, чем горячий воздух, и позволяет быстро генерировать силу для целей движения, намного превосходящую силу газы.

Страница не найдена — Inpressco

Международный журнал передовой промышленной инженерии

IJAIE приглашает статьи во всех областях промышленного проектирования, включая торговые центры и перерабатывающую промышленность, целлюлозно-бумажную промышленность, кожевенную промышленность, текстильную промышленность, керамическую промышленность, стекольную промышленность, производство шелка, киноиндустрию и т. д.

Людей, которых мы обслужили

INPRESSCO опубликовала около 3500 статей с 2010 года и объединила более 10000 исследователей по всему миру, включая различные области технических наук и технологий

Международный журнал тепловых технологий

International Journal of Thermal Technologies ISSN: 2277 – 4114, публикуется ежеквартально

Международный журнал современной техники и технологий

International Journal of Current Engineering and Technology индексируется Регенсбургским университетом Германии

Добро пожаловать в международную пресс-корпорацию

Inpressco является международным издателем серии международных журналов и книг с открытым доступом, рецензируемых экспертами, которые охватывают широкий спектр академических дисциплин.

Каков принцип работы паровой машины? – Sluiceartfair.com

Каков принцип работы паровой машины?

Паровая машина работает по принципу первого закона термодинамики, согласно которому работа и теплота взаимозаменяемы. Это очень простое определение паровой машины. В паровой машине цилиндр снабжен поршнем.

Почему паровозы дымят черным дымом?

A Цвет выхлопных газов, выходящих из дымовой трубы паровоза, показывает, насколько эффективно он сжигает топливо.Более темный или черный дым указывает на то, что мелкие частицы топлива (уголь, древесина, мазут и т. д.) прошли через топку несгоревшими и, следовательно, тратятся впустую.

Каков принцип действия парогенератора?

Паросиловая установка состоит из котла, паровой турбины, генератора и другого вспомогательного оборудования. Котел вырабатывает пар высокого давления и высокой температуры. Паровая турбина преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию. Затем генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

Какой цикл используется для паровой электростанции?

паровой цикл Ренкина
Паровой цикл Ренкина является одним из наиболее часто используемых типов термодинамических циклов для производства электроэнергии в мире [1]. Паровые электростанции работают по циклу Ренкина, используя пар в качестве рабочего тела. Простой идеальный цикл Ренкина на самом деле является самым основным паросиловым циклом.

Для чего используется паровая машина?

Паровые машины использовались для откачки воды из рек, привода роторных шахтных подъемников и в качестве стационарных двигателей для буксировки грузовиков по железнодорожным путям.

Белый дым лучше черного дыма?

Белый дым также может указывать на легкое и яркое топливо, такое как трава или ветки. Густой черный дым указывает на то, что тяжелое топливо не расходуется полностью. Как правило, чем темнее дым, тем летучее пламя. Серый дым может указывать на то, что огонь замедляется и заканчиваются материалы для горения.

Почему пар используется для производства электроэнергии?

Этот пар является важной частью производства электроэнергии, поскольку его можно использовать для вращения турбины (которая соединена с генератором для выработки электроэнергии).Когда пар высокого давления проходит через турбины, он расширяется и выходит с повышенной скоростью, но с более низким давлением.

Как работает паровая машина двойного действия?

Показанный двигатель является паровым двигателем двойного действия, поскольку клапан позволяет пару высокого давления воздействовать попеременно на обе стороны поршня. Следующая анимация показывает двигатель в действии.

Откуда у паровоза мощность?

Паровоз — это тип железнодорожного локомотива, тяговое усилие которого обеспечивается паровым двигателем.Эти локомотивы работают на сжигании горючих материалов — обычно угля, древесины или нефти — для производства пара в котле.

Как теплота преобразуется в работу в паровой машине?

Это технология, которая преобразует тепловую энергию (тепло) в механическую энергию (работу). Котел нагревает воду, превращая ее в пар. Создаваемое давление затем используется для привода поршня в цилиндре.

Как работает клапан в паровой машине?

Как работают паровые двигатели.Управляющий стержень клапана обычно зацепляется за рычажный механизм, прикрепленный к траверсе, так что движение траверсы также скользит по клапану. (На паровозе эта связь также позволяет машинисту пустить поезд задним ходом.)

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.