Zainteresowanie parą wodną, jako niedrogim źródłem energii, pojawiło się wraz z pierwszą naukową wiedzą starożytnych. Od trzech tysiącleci ludzie próbują okiełznać tę energię. Jakie są główne etapy tej ścieżki? Czyje refleksje i projekty nauczyły ludzkość czerpać z tego maksymalne korzyści?
Warunki wstępne pojawienia się silników parowych
Potrzeba mechanizmów, które mogą ułatwić pracochłonne procesy, istniała od zawsze. Mniej więcej do połowy XVIII wieku wykorzystywano do tego celu wiatraki i koła wodne. Możliwość wykorzystania energii wiatru bezpośrednio zależy od kaprysów pogody. Aby móc korzystać z kół wodnych, wzdłuż brzegów rzek trzeba było budować fabryki, co nie zawsze jest wygodne i celowe. A skuteczność obu była wyjątkowo niska. Potrzebny był całkowicie nowy silnik,łatwe w zarządzaniu i pozbawione tych niedociągnięć.
Historia wynalezienia i udoskonalenia silników parowych
Stworzenie silnika parowego jest wynikiem wielu przemyśleń, sukcesów i niepowodzeń nadziei wielu naukowców.
Początek drogi
Pierwsze, pojedyncze projekty były tylko ciekawymi ciekawostkami. Na przykład, Archimedesa zbudował pistolet parowy Czapla Aleksandryjska wykorzystał energię pary, aby otworzyć drzwi starożytnych świątyń. A badacze znajdują w pracach notatki dotyczące praktycznego zastosowania energii pary do uruchamiania innych mechanizmów Leonardo da Vinci.
Rozważ najważniejsze projekty na ten temat.
W XVI wieku arabski inżynier Tagi al Din opracował projekt prymitywnej turbiny parowej. Nie znalazł on jednak praktycznego zastosowania ze względu na silne rozproszenie strumienia pary dostarczanego do łopatek wirnika turbiny.
Przewiń do średniowiecznej Francji. Fizyk i utalentowany wynalazca Denis Papin, po wielu nieudanych projektach, poprzestaje na następującym projekcie: pionowy cylinder został napełniony wodą, nad którym zamontowano tłok.
Cylinder był podgrzewany, woda gotowała się i odparowywała. Rozprężająca się para uniosła tłok. Został zamocowany w najwyższym punkcie wznoszenia, a cylinder miał ostygnąć, a para skondensować. Po skropleniu pary w cylindrze utworzyła się próżnia. Tłok uwolniony z mocowania pod działaniem ciśnienia atmosferycznego wpadł w próżnię. To właśnie ten spadek tłoka miał służyć jako skok roboczy.
Tak więc użyteczny skok tłoka był spowodowany tworzeniem się próżni w wyniku kondensacji pary i ciśnienia zewnętrznego (atmosferycznego).
Ponieważ silnik parowy Papin jak większość późniejszych projektów nazywano je maszynami parowo-atmosferycznymi.
Ten projekt miał bardzo istotną wadę - nie zapewniono powtarzalności cyklu. Denis wpada na pomysł, aby uzyskać parę nie w cylindrze, ale osobno w kotle parowym.
Denis Papin wszedł do historii tworzenia silników parowych jako wynalazca bardzo ważnego detalu - kotła parowego.
A ponieważ zaczęli otrzymywać parę poza cylindrem, sam silnik przeszedł do kategorii silników spalinowych. Jednak ze względu na brak mechanizmu dystrybucji zapewniającego nieprzerwane działanie, projekty te prawie nie znalazły praktycznego zastosowania.
Nowy etap w rozwoju silników parowych
Od około 50 lat służy do pompowania wody w kopalniach węgla. Pompa parowa Thomasa Newcomena. W dużej mierze powtórzył poprzednie projekty, ale zawierał bardzo ważne nowości - rurkę do odprowadzania skroplonej pary i zawór bezpieczeństwa do odprowadzania nadmiaru pary.
Jego istotną wadą było to, że cylinder musiał zostać podgrzany przed wtryśnięciem pary, a następnie schłodzony przed jej skropleniem. Ale zapotrzebowanie na takie silniki było tak duże, że pomimo ich oczywistej nieefektywności, ostatnie egzemplarze tych maszyn służyły do 1930 roku.
W 1765 Angielski mechanik James Watt, zaangażowany w ulepszanie maszyny Newcomen, oddzielił skraplacz od cylindra parowego.
Stało się możliwe, aby cylinder był stale ogrzewany. Natychmiast wzrosła wydajność maszyny. W kolejnych latach Watt znacznie ulepszył swój model, wyposażając go w urządzenie do dostarczania pary z jednej strony na drugą.
Stało się możliwe wykorzystanie tej maszyny nie tylko jako pompy, ale także do napędzania różnych obrabiarek. Watt otrzymał patent na swój wynalazek - ciągłą maszynę parową. Rozpoczyna się masowa produkcja tych maszyn.
Na początku XIX wieku w Anglii działało ponad 320-watowe silniki parowe. Inne kraje europejskie również zaczęły je kupować. Przyczyniło się to do znacznego wzrostu produkcji przemysłowej w wielu gałęziach przemysłu, zarówno w samej Anglii, jak iw krajach sąsiednich.
Dwadzieścia lat wcześniej niż Watt, w Rosji, nad projektem silnika parowego pracował mechanik Ałtaju Iwan Iwanowicz Polzunow.
Władze fabryki zaproponowały mu zbudowanie zespołu napędzającego dmuchawę pieca do topienia.
Zbudowana przez niego maszyna była dwucylindrowa i zapewniała ciągłą pracę podłączonego do niej urządzenia.
Po udanej pracy przez ponad półtora miesiąca kocioł zaczął przeciekać. Sam Polzunow już nie żył. Samochód nie został naprawiony. I zapomniano o cudownym stworzeniu jednego rosyjskiego wynalazcy.
Z powodu zacofania ówczesnej Rosji świat dowiedział się o wynalazku I. I. Polzunova z dużym opóźnieniem ....
Tak więc, aby napędzać silnik parowy, konieczne jest, aby para wytwarzana przez kocioł parowy, rozprężając się, naciskała na tłok lub na łopatki turbiny. A potem ich ruch został przeniesiony na inne części mechaniczne.
Wykorzystanie parowozów w transporcie
Pomimo tego, że sprawność ówczesnych maszyn parowych nie przekraczała 5%, pod koniec XVIII wieku zaczęto je aktywnie wykorzystywać w rolnictwie i transporcie:
- we Francji jest samochód z silnikiem parowym;
- w USA parowiec zaczyna kursować między miastami Filadelfia i Burlington;
- w Anglii zademonstrowano lokomotywę parową;
- rosyjski chłop z prowincji Saratów opatentował zbudowany przez siebie ciągnik gąsienicowy o mocy 20 KM. Z.;
- Wielokrotnie podejmowano próby budowy samolotu z silnikiem parowym, niestety mała moc tych jednostek przy dużej masie samolotu sprawiła, że próby te nie powiodły się.
Pod koniec XIX wieku maszyny parowe, odgrywając swoją rolę w postępie technicznym społeczeństwa, ustąpiły miejsca silnikom elektrycznym.
Urządzenia parowe w XXI wieku
Wraz z pojawieniem się nowych źródeł energii w XX i XXI wieku ponownie pojawia się potrzeba wykorzystania energii pary. Turbiny parowe stają się integralną częścią elektrowni jądrowych. Para, która je napędza, jest uzyskiwana z paliwa jądrowego.
Turbiny te są również szeroko stosowane w elektrowniach kondensacyjnych.
W wielu krajach przeprowadza się eksperymenty w celu uzyskania pary z energii słonecznej.
Nie zapomniano również o silnikach parowych tłokowych. Na terenach górskich jako lokomotywa lokomotywy parowe są nadal używane.
Ci niezawodni pracownicy są zarówno bezpieczniejsi, jak i tańsi. Nie potrzebują linii energetycznych, a paliwo – drewno i tanie gatunki węgla – są zawsze pod ręką.
Nowoczesne technologie pozwalają na wychwytywanie do 95% emisji do atmosfery i zwiększenie wydajności nawet do 21%, dzięki czemu ludzie postanowili jeszcze się z nimi nie rozstawać i pracują nad nową generacją parowozów.
Gdyby ta wiadomość była dla Ciebie przydatna, chętnie Cię zobaczę
Pominę oględziny ekspozycji muzealnej i udam się prosto do maszynowni. Zainteresowani mogą znaleźć pełną wersję wpisu w moim LiveJournal. Maszynownia znajduje się w tym budynku:
29. Wchodząc do środka zapierało mi dech w piersiach z zachwytu - w hali była najpiękniejsza parowóz, jaki kiedykolwiek widziałem. Była to prawdziwa świątynia steampunku - święte miejsce dla wszystkich wyznawców estetyki epoki pary. Byłem zdumiony tym, co zobaczyłem i zdałem sobie sprawę, że nie na próżno wjechałem do tego miasta i odwiedziłem to muzeum.
30. Oprócz ogromnej maszyny parowej, która jest głównym obiektem muzealnym, prezentowane były tu także różne próbki mniejszych maszyn parowych, a na licznych stoiskach informacyjnych opowiadano historię techniki parowej. Na tym zdjęciu widać w pełni działający silnik parowy o mocy 12 KM.
31. Ręka do wagi. Maszyna powstała w 1920 roku.
32. Kompresor z 1940 r. jest wystawiony obok głównego okazu muzealnego.
33. Sprężarka ta była używana w przeszłości w warsztatach kolejowych stacji Werdau.
34. A teraz przyjrzyjmy się bliżej centralnemu eksponatowi muzealnej ekspozycji – 600-konnej maszynie parowej wyprodukowanej w 1899 roku, której poświęcona będzie druga połowa tego wpisu.
35. Lokomotywa parowa jest symbolem rewolucji przemysłowej, która miała miejsce w Europie na przełomie XVIII i XIX wieku. Chociaż pierwsze egzemplarze maszyn parowych zostały stworzone przez różnych wynalazców na początku XVIII wieku, wszystkie nie nadawały się do użytku przemysłowego, ponieważ miały szereg wad. Masowe zastosowanie silników parowych w przemyśle stało się możliwe dopiero po tym, jak szkocki wynalazca James Watt ulepszył mechanizm silnika parowego, czyniąc go łatwym w obsłudze, bezpiecznym i pięciokrotnie mocniejszym niż modele, które istniały wcześniej.
36. James Watt opatentował swój wynalazek w 1775 roku i już w latach 80. XIX wieku jego silniki parowe zaczęły przenikać do fabryk, stając się katalizatorem rewolucji przemysłowej. Stało się tak przede wszystkim dlatego, że Jamesowi Wattowi udało się stworzyć mechanizm przekształcania ruchu postępowego silnika parowego w ruch obrotowy. Wszystkie silniki parowe, które istniały wcześniej, mogły wytwarzać tylko ruchy translacyjne i być używane tylko jako pompy. A wynalazek Watta mógł już obracać kołem młyna lub napędzać maszyny fabryczne.
37. W 1800 roku firma Watta i jego towarzysza Boltona wyprodukowała 496 silników parowych, z których tylko 164 było używanych jako pompy. A już w 1810 r. w Anglii było 5 tys. parowozów, a w ciągu następnych 15 lat liczba ta potroiła się. W 1790 r. między Filadelfią a Burlington w Stanach Zjednoczonych zaczął kursować pierwszy parowiec przewożący do trzydziestu pasażerów, aw 1804 r. Richard Trevintik zbudował pierwszą działającą lokomotywę parową. Rozpoczęła się era parowozów, która trwała cały XIX wiek, a na kolei i pierwszą połowę XX wieku.
38. To było krótkie tło historyczne, teraz wróćmy do głównego obiektu ekspozycji muzealnej. Maszyna parowa, którą widzisz na zdjęciach, została wyprodukowana przez Zwikauer Maschinenfabrik AG w 1899 roku i zainstalowana w maszynowni przędzalni „C.F.Schmelzer und Sohn”. Maszyna parowa przeznaczona była do napędzania przędzarek i pełniła tę funkcję do 1941 roku.
39. Szykowna tabliczka znamionowa. W tamtych czasach maszyny przemysłowe wykonywano z dużą dbałością o estetyczny wygląd i styl, ważna była nie tylko funkcjonalność, ale również piękno, które znajduje odzwierciedlenie w każdym szczególe tej maszyny. Na początku XX wieku po prostu nikt nie kupiłby brzydkiego sprzętu.
40. Przędzalnia „C.F.Schmelzer und Sohn” została założona w 1820 r. na miejscu obecnego muzeum. Już w 1841 roku w fabryce zainstalowano pierwszy silnik parowy o mocy 8 KM. do napędzania przędzarek, którą w 1899 roku zastąpiono nową, mocniejszą i nowocześniejszą.
41. Fabryka istniała do 1941 r., następnie produkcja została wstrzymana z powodu wybuchu wojny. Przez całe czterdzieści dwa lata maszyna służyła zgodnie z przeznaczeniem, jako napęd do maszyn przędzalniczych, a po zakończeniu wojny w latach 1945-1951 służyła jako zapasowe źródło prądu, po czym ostatecznie została napisana z bilansu przedsiębiorstwa.
42. Jak wielu jej braci, samochód zostałby wycięty, gdyby nie jeden czynnik. Maszyna ta była pierwszą maszyną parową w Niemczech, która otrzymywała parę rurami z położonej w oddali kotłowni. Dodatkowo miała system regulacji osi firmy PROELL. Dzięki tym czynnikom samochód otrzymał w 1959 roku status zabytku i stał się muzeum. Niestety wszystkie budynki fabryczne i kotłownia zostały rozebrane w 1992 roku. Ta maszynownia jest jedyną pozostałością dawnej przędzalni.
43. Magiczna estetyka epoki pary!
44. Tabliczka znamionowa na korpusie układu regulacji osi firmy PROELL. System regulował cut-off - ilość pary, która jest wpuszczana do cylindra. Więcej odcięcia — większa wydajność, ale mniej mocy.
45. Instrumenty.
46. Zgodnie ze swoją konstrukcją ta maszyna jest silnikiem parowym z wielokrotnym rozprężaniem (lub jak nazywa się je również maszyną zespoloną). W tego typu maszynach para rozpręża się sekwencyjnie w kilku cylindrach o coraz większej objętości, przechodząc z cylindra do cylindra, co pozwala znacznie zwiększyć sprawność silnika. Maszyna ta posiada trzy cylindry: na środku ramy znajduje się cylinder wysokiego ciśnienia - to do niego doprowadzana była świeża para z kotłowni, następnie po cyklu rozprężania para była przenoszona do cylindra średniego ciśnienia, który znajduje się po prawej stronie cylindra wysokiego ciśnienia.
47. Po zakończeniu pracy para z cylindra średniego ciśnienia przeniosła się do cylindra niskiego ciśnienia, który widać na tym zdjęciu, po czym po zakończeniu ostatniego rozprężania została wypuszczona na zewnątrz osobną rurą. W ten sposób osiągnięto najpełniejsze wykorzystanie energii pary.
48. Moc stacjonarna tej instalacji wynosiła 400-450 KM, maksymalnie 600 KM.
49. Klucz do naprawy i konserwacji samochodu ma imponujące rozmiary. Pod nim znajdują się liny, za pomocą których ruchy obrotowe przenoszone były z koła zamachowego maszyny na przekładnię połączoną z przędzarkami.
50. Bezbłędna estetyka Belle Époque w każdej śrubie.
51. Na tym zdjęciu możesz szczegółowo zobaczyć urządzenie maszyny. Para rozprężająca się w cylindrze przekazywała energię tłokowi, który z kolei wykonywał ruch postępowy, przekazując ją na mechanizm korbowo-suwakowy, w którym zamieniała się na obrotową i przekazywana na koło zamachowe i dalej na przekładnię.
52. W przeszłości do silnika parowego podłączono również generator prądu elektrycznego, który również zachował się w doskonałym stanie oryginalnym.
53. W przeszłości w tym miejscu znajdował się generator.
54. Mechanizm do przenoszenia momentu obrotowego z koła zamachowego na generator.
55. Teraz w miejsce generatora zainstalowano silnik elektryczny, za pomocą którego przez kilka dni w roku wprawiany jest w ruch parowóz dla rozrywki publiczności. Co roku w muzeum odbywają się „Dni Pary” – impreza skupiająca fanów i modelarzy parowozów. W dzisiejszych czasach wprawiany jest również silnik parowy.
56. Oryginalny generator prądu stałego jest teraz na uboczu. W przeszłości służył do wytwarzania energii elektrycznej do oświetlenia fabrycznego.
57. Wyprodukowany przez „Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther” w Werdau w 1899 r., według tabliczki informacyjnej, ale na oryginalnej tabliczce znamionowej jest rok 1901.
58. Ponieważ byłem jedynym gościem tego dnia w muzeum, nikt nie przeszkodził mi cieszyć się estetyką tego miejsca sam na sam z samochodem. Dodatkowo nieobecność ludzi przyczyniła się do uzyskania dobrych zdjęć.
59. Teraz kilka słów o transmisji. Jak widać na tym zdjęciu, powierzchnia koła zamachowego ma 12 rowków linowych, za pomocą których ruch obrotowy koła zamachowego został przeniesiony dalej na elementy przekładni.
60. Przekładnia, składająca się z kół o różnych średnicach połączonych wałami, przenosiła ruch obrotowy na kilka pięter budynku fabrycznego, na którym znajdowały się maszyny przędzalnicze, napędzane energią przenoszoną przez przekładnię z silnika parowego.
61. Koło zamachowe z rowkami na liny z bliska.
62. Wyraźnie widoczne są tu elementy przekładni, za pomocą których moment obrotowy przenoszony był na szyb przechodzący pod ziemią i przenoszący ruch obrotowy na sąsiadujący z maszynownią budynek fabryczny, w którym znajdowały się maszyny.
63. Niestety budynek fabryczny nie zachował się i za drzwiami, które prowadziły do sąsiedniego budynku, teraz jest tylko pustka.
64. Osobno warto zwrócić uwagę na elektryczny panel sterowania, który sam w sobie jest dziełem sztuki.
65. Marmurowa deska w pięknej drewnianej ramie z rzędami dźwigni i umieszczonymi na niej bezpiecznikami, luksusowa latarnia, stylowe sprzęty - Belle Époque w całej okazałości.
66. Dwa ogromne bezpieczniki umieszczone między latarnią a instrumentami robią wrażenie.
67. Bezpieczniki, dźwignie, regulatory – całe wyposażenie prezentuje się estetycznie. Widać, że przy tworzeniu tej tarczy zadbano nie tylko o wygląd.
68. Pod każdą dźwignią i bezpiecznikiem znajduje się „przycisk” z napisem, że ta dźwignia włącza/wyłącza.
69. Splendor technologii okresu „pięknej epoki”.
70. Na koniec historii wróćmy do samochodu i cieszmy się zachwycającą harmonią i estetyką jego detali.
71. Zawory sterujące dla poszczególnych elementów maszyny.
72. Olejarki kroplowe przeznaczone do smarowania ruchomych części i zespołów maszyny.
73. To urządzenie nazywa się smarownicą. Z ruchomej części maszyny wprawiane są w ruch ślimaki, które poruszają tłokiem olejarki i pompują olej na powierzchnie trące. Po osiągnięciu martwego punktu tłok jest cofany przez przekręcenie uchwytu i cykl się powtarza.
74. Jak pięknie! Czysta rozkosz!
75. Cylindry maszynowe z kolumnami zaworów wlotowych.
76. Więcej puszek po oleju.
77. Klasyczna estetyka steampunkowa.
78. Wałek rozrządu maszyny, który reguluje dopływ pary do cylindrów.
79.
80.
81. Wszystko to jest bardzo piękne! Podczas zwiedzania tej maszynowni otrzymałem ogromny ładunek inspiracji i radosnych emocji.
82. Jeśli los nagle sprowadzi Cię do regionu Zwickau, koniecznie odwiedź to muzeum, nie pożałujesz. Strona internetowa muzeum i współrzędne: 50°43"58"N 12°22"25"E
W internecie natknąłem się na ciekawy artykuł.
"Amerykański wynalazca Robert Green opracował zupełnie nową technologię, która generuje energię kinetyczną poprzez konwersję energii szczątkowej (a także innych paliw). Silniki parowe Greena są wzmacniane tłokami i zaprojektowane do szerokiego zakresu praktycznych celów."
To wszystko, nic więcej, nic mniej: zupełnie nowa technologia. Cóż, naturalnie zacząłem szukać, próbując przeniknąć. Wszędzie jest napisane jedną z najbardziej unikalnych zalet tego silnika jest możliwość generowania mocy z energii szczątkowej silników. Dokładniej, resztkową energię spalin z silnika można przekształcić w energię trafiającą do pomp i układów chłodzenia jednostki. No i co z tego, jak rozumiem, używam spalin do zagotowania wody, a następnie przekształcenia pary w ruch. Jakże to konieczne i tanie, bo… chociaż ten silnik, jak mówią, jest specjalnie zaprojektowany z minimalnej ilości części, to i tak dużo kosztuje i czy jest sens ogrodzić ogródek, tym bardziej zasadniczo nowy w tym wynalazku nie widzę . A wiele mechanizmów zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na ruch obrotowy zostało już wynalezionych. Na stronie autora do sprzedania model dwucylindrowy w zasadzie nie jest drogi 
tylko 46 dolarów.
Na stronie autora jest film wykorzystujący energię słoneczną, jest też zdjęcie, na którym ktoś na łodzi korzysta z tego silnika. 
Ale w obu przypadkach wyraźnie nie jest to ciepło resztkowe. Krótko mówiąc, wątpię w niezawodność takiego silnika: „Łożyska kulkowe są jednocześnie pustymi kanałami, przez które para jest dostarczana do cylindrów”. Jaka jest Twoja opinia, drodzy użytkownicy strony?
Artykuły w języku rosyjskim
Silniki parowe były wykorzystywane jako silniki napędowe w przepompowniach, lokomotywach, na statkach parowych, traktorach, wagonach parowych i innych pojazdach. Silniki parowe przyczyniły się do powszechnego komercyjnego wykorzystania maszyn w przedsiębiorstwach i były podstawą energetyczną rewolucji przemysłowej XVIII wieku. Silniki parowe zostały później zastąpione przez silniki spalinowe, turbiny parowe, silniki elektryczne i reaktory jądrowe, które są bardziej wydajne.
Silnik parowy w akcji
wynalazek i rozwój
Pierwsze znane urządzenie zasilane parą zostało opisane przez Czaplę Aleksandryjską w I wieku, tzw. „kąpiel czapli” lub „aeolipil”. Para wydobywająca się stycznie z dysz zamocowanych na kuli wprawiała kulę w ruch obrotowy. Przypuszcza się, że przemiana pary w ruch mechaniczny była znana w Egipcie w okresie panowania rzymskiego i była stosowana w prostych urządzeniach.
Pierwsze silniki przemysłowe
Żadne z opisanych urządzeń nie zostało w rzeczywistości wykorzystane jako środek do rozwiązywania użytecznych problemów. Pierwszym silnikiem parowym użytym do produkcji był „wóz strażacki”, zaprojektowany przez angielskiego inżyniera wojskowego Thomasa Savery'ego w 1698 roku. Savery otrzymał patent na swoje urządzenie w 1698 roku. Była to pompa parowa tłokowa i oczywiście niezbyt wydajna, ponieważ ciepło pary tracone było za każdym razem, gdy zbiornik był schładzany, i dość niebezpieczna w eksploatacji, ponieważ ze względu na wysokie ciśnienie pary czasami zbiorniki i rurociągi silnika eksplodował. Ponieważ urządzenie to mogło służyć zarówno do obracania kół młyna wodnego, jak i do wypompowywania wody z kopalń, wynalazca nazwał je „przyjacielem górnika”.
Następnie angielski kowal Thomas Newcomen zademonstrował swój „silnik atmosferyczny” w 1712 roku, który był pierwszą maszyną parową, na którą mogło być zapotrzebowanie komercyjne. Było to ulepszenie silnika parowego Savery'ego, w którym Newcomen znacznie obniżył ciśnienie robocze pary. Nowicjusz mógł być oparty na opisie eksperymentów Papina prowadzonych przez Royal Society of London, do których mógł mieć dostęp przez członka stowarzyszenia, Roberta Hooke'a, który pracował z Papinem.
Schemat silnika parowego Newcomen.
– Para jest pokazana na fioletowo, woda na niebiesko.
– Otwarte zawory są pokazane na zielono, zamknięte zawory na czerwono
Pierwszym zastosowaniem silnika Newcomen było pompowanie wody z kopalni głębinowej. W pompie kopalnianej wahacz był połączony z prętem, który schodził do kopalni do komory pompy. Ruchy posuwisto-zwrotne ciągu były przenoszone na tłok pompy, która dostarczała wodę do góry. Zawory wczesnych silników Newcomen były otwierane i zamykane ręcznie. Pierwszym usprawnieniem była automatyzacja zaworów, które były napędzane przez samą maszynę. Legenda mówi, że to ulepszenie zostało dokonane w 1713 roku przez chłopca Humphreya Pottera, który musiał otwierać i zamykać zawory; kiedy mu się to znudziło, związał korbki zaworami linami i poszedł bawić się z dziećmi. Do 1715 roku stworzono już system sterowania dźwignią, napędzany mechanizmem samego silnika.
Pierwszy dwucylindrowy próżniowy silnik parowy w Rosji został zaprojektowany przez mechanika I. I. Polzunowa w 1763 roku i zbudowany w 1764 roku do napędzania mieszków dmuchaw w fabrykach Barnaula Kolyvano-Voskresensky.
Humphrey Gainsborough zbudował model silnika parowego skraplacza w latach 60. XVIII wieku. W 1769 r. szkocki mechanik James Watt (być może korzystając z pomysłów Gainsborough) opatentował pierwsze poważne ulepszenia silnika próżniowego Newcomena, dzięki czemu był on znacznie bardziej oszczędny pod względem zużycia paliwa. Wkład Watta polegał na rozdzieleniu fazy kondensacji silnika próżniowego w oddzielnej komorze, podczas gdy tłok i cylinder znajdowały się w temperaturze pary. Watt dodał kilka ważnych szczegółów do silnika Newcomena: umieścił tłok wewnątrz cylindra, aby wyrzucić parę, i przekształcił ruch posuwisto-zwrotny tłoka w ruch obrotowy koła napędowego.
W oparciu o te patenty Watt zbudował silnik parowy w Birmingham. Do 1782 roku silnik parowy Watta był ponad 3 razy bardziej wydajny niż Newcomen. Poprawa sprawności silnika Watta doprowadziła do wykorzystania energii parowej w przemyśle. Ponadto, w przeciwieństwie do silnika Newcomena, silnik Watta umożliwiał przenoszenie ruchu obrotowego, podczas gdy we wczesnych modelach silników parowych tłok był połączony z wahaczem, a nie bezpośrednio z korbowodem. Silnik ten posiadał już główne cechy nowoczesnych parowozów.
Dalszym wzrostem wydajności było zastosowanie pary pod wysokim ciśnieniem (Amerykanin Oliver Evans i Anglik Richard Trevithick). R. Trevithick z powodzeniem zbudował wysokociśnieniowe przemysłowe silniki jednosuwowe, znane jako „silniki Cornish”. Pracowały przy 50 psi, czyli 345 kPa (3,405 atmosfer). Jednak wraz ze wzrostem ciśnienia wzrastało też niebezpieczeństwo wybuchów w maszynach i kotłach, co początkowo prowadziło do licznych wypadków. Z tego punktu widzenia najważniejszym elementem maszyny wysokociśnieniowej był zawór bezpieczeństwa, który uwalniał nadciśnienie. Niezawodna i bezpieczna eksploatacja rozpoczęła się dopiero wraz z gromadzeniem doświadczenia i ujednoliceniem procedur budowy, eksploatacji i konserwacji urządzeń.
Francuski wynalazca Nicolas-Joseph Cugnot zademonstrował w 1769 roku pierwszy działający samobieżny pojazd parowy: „fardier à vapeur” (wózek parowy). Być może jego wynalazek można uznać za pierwszy samochód. Samobieżny ciągnik parowy okazał się bardzo przydatny jako mobilne źródło energii mechanicznej, które wprawiało w ruch inne maszyny rolnicze: młocarnie, prasy itp. W 1788 r. parowiec zbudowany przez Johna Fitcha kursował już regularnie wzdłuż Rzeka Delaware między Filadelfią (Pensylwania) a Burlington (stan Nowy Jork). Zabrał na pokład 30 pasażerów i jechał z prędkością 7-8 mil na godzinę. Parowiec J. Fitcha nie odniósł sukcesu komercyjnego, ponieważ z jego trasą konkurowała dobra droga lądowa. W 1802 r. szkocki inżynier William Symington zbudował konkurencyjny parowiec, aw 1807 r. amerykański inżynier Robert Fulton użył silnika parowego Watt do napędzania pierwszego komercyjnego parowca. 21 lutego 1804 r. w hucie Penydarren w Merthyr Tydfil w południowej Walii wystawiono pierwszą samobieżną lokomotywę parową, zbudowaną przez Richarda Trevithick.
Silniki parowe tłokowe
Silniki tłokowe wykorzystują siłę pary do poruszania tłokiem w zamkniętej komorze lub cylindrze. Ruch posuwisto-zwrotny tłoka można mechanicznie przekształcić w ruch liniowy w przypadku pomp tłokowych lub w ruch obrotowy w celu napędzania obracających się części obrabiarek lub kół pojazdów.
maszyny próżniowe
Wczesne silniki parowe nazywano początkowo „silnikami strażackimi”, a także „atmosferycznymi” lub „kondensacyjnymi” silnikami Watta. Pracowały na zasadzie próżni i dlatego znane są również jako „silniki próżniowe”. Takie maszyny pracowały do napędzania pomp tłokowych, w każdym razie nie ma dowodów na to, że były używane do innych celów. Podczas pracy maszyny parowej typu próżniowego na początku cyklu do komory roboczej lub cylindra wprowadzana jest para niskociśnieniowa. Zawór wlotowy następnie zamyka się, a para schładza się i skrapla. W silniku Newcomen woda chłodząca jest wtryskiwana bezpośrednio do cylindra, a kondensat trafia do kolektora kondensatu. Powoduje to powstanie próżni w cylindrze. Ciśnienie atmosferyczne w górnej części cylindra naciska na tłok i powoduje jego ruch w dół, czyli skok mocy.
Ciągłe chłodzenie i dogrzewanie cylindra roboczego maszyny było bardzo marnotrawne i nieefektywne, jednak te parowozy umożliwiały pompowanie wody z większej głębokości niż było to możliwe przed ich pojawieniem się. W tym roku pojawiła się wersja silnika parowego, stworzona przez firmę Watt we współpracy z Matthew Boultonem, której główną innowacją było usunięcie procesu kondensacji w specjalnej oddzielnej komorze (skraplacz). Komorę tę umieszczono w łaźni z zimną wodą i połączono z cylindrem rurką zamkniętą zaworem. Do komory kondensacyjnej podłączono specjalną małą pompkę próżniową (prototyp pompy kondensatu), napędzaną wahaczem i służącą do usuwania kondensatu ze skraplacza. Powstała gorąca woda była dostarczana przez specjalną pompę (prototyp pompy zasilającej) z powrotem do kotła. Kolejną radykalną innowacją było zamknięcie górnego końca cylindra roboczego, na szczycie którego znajdowała się teraz para niskociśnieniowa. Ta sama para była obecna w podwójnym płaszczu cylindra, utrzymując jego stałą temperaturę. Podczas ruchu tłoka w górę, para ta była przenoszona specjalnymi rurkami do dolnej części cylindra w celu skondensowania podczas następnego suwu. Maszyna faktycznie przestała być „atmosferyczna”, a jej moc zależała teraz od różnicy ciśnień między parą o niskim ciśnieniu a próżnią, którą można było uzyskać. W silniku parowym Newcomen tłok smarowano niewielką ilością wody na wierzch, w silniku Watta stało się to niemożliwe, ponieważ para znajdowała się teraz w górnej części cylindra, konieczne było przejście na smarowanie za pomocą mieszanina smaru i oleju. Ten sam smar zastosowano w dławnicy pręta cylindra.
Parowozy próżniowe, pomimo oczywistych ograniczeń ich sprawności, były stosunkowo bezpieczne, wykorzystując parę o niskim ciśnieniu, co było dość zgodne z ogólnie niskim poziomem osiemnastowiecznej technologii kotłowej. Moc maszyny była ograniczona niskim ciśnieniem pary, wielkością cylindra, szybkością spalania paliwa i parowania wody w kotle oraz wielkością skraplacza. Maksymalna teoretyczna sprawność była ograniczona stosunkowo małą różnicą temperatur po obu stronach tłoka; to sprawiło, że maszyny próżniowe przeznaczone do użytku przemysłowego były zbyt duże i drogie.
Kompresja
Otwór wylotowy cylindra silnika parowego zamyka się nieco zanim tłok osiągnie swoje położenie końcowe, pozostawiając w cylindrze pewną ilość pary odlotowej. Oznacza to, że w cyklu pracy występuje faza sprężania, która tworzy tak zwaną „poduszkę parową”, która spowalnia ruch tłoka w skrajnych położeniach. Eliminuje również nagły spadek ciśnienia na samym początku fazy ssania, gdy do cylindra dostaje się świeża para.
Osiągnięcie
Opisany efekt „poduszki parowej” jest również wzmocniony przez fakt, że wlot świeżej pary do cylindra zaczyna się nieco wcześniej niż tłok osiąga swoje skrajne położenie, to znaczy następuje pewien postęp wlotu. Posuw ten jest konieczny, aby przed rozpoczęciem przez tłok ruchu roboczego pod działaniem świeżej pary para zdążyła wypełnić martwą przestrzeń powstałą w wyniku poprzedniej fazy, czyli kanały wlotowo-wylotowe i objętość cylindra niewykorzystana do ruchu tłoka.
proste rozszerzenie
Prosta ekspansja zakłada, że para działa tylko wtedy, gdy rozpręża się w cylindrze, a para wylotowa jest uwalniana bezpośrednio do atmosfery lub wchodzi do specjalnego skraplacza. Ciepło resztkowe pary można następnie wykorzystać na przykład do ogrzania pomieszczenia lub pojazdu, a także do wstępnego ogrzania wody wchodzącej do kotła.
Pogarszać
Podczas procesu rozprężania w cylindrze maszyny wysokociśnieniowej temperatura pary spada proporcjonalnie do jej rozprężania. Ponieważ nie ma wymiany ciepła (proces adiabatyczny), okazuje się, że para wchodzi do cylindra z wyższą temperaturą niż go opuszcza. Takie wahania temperatury w cylindrze prowadzą do spadku wydajności procesu.
Jedną z metod radzenia sobie z tą różnicą temperatur zaproponował w 1804 roku angielski inżynier Arthur Wolfe, który opatentował Wysokociśnieniowy silnik parowy Wulff compound. W tej maszynie para o wysokiej temperaturze z kotła parowego wchodziła do cylindra wysokociśnieniowego, a następnie para wypuszczana w nim o niższej temperaturze i ciśnieniu wchodziła do cylindra (lub cylindrów) niskociśnieniowego. Zmniejszyło to różnicę temperatur w każdym cylindrze, co ogólnie zmniejszyło straty temperatury i poprawiło ogólną sprawność silnika parowego. Para niskociśnieniowa miała większą objętość i dlatego wymagała większej objętości cylindra. Dlatego w maszynach mieszanych cylindry niskociśnieniowe miały większą średnicę (a czasem dłuższą) niż cylindry wysokociśnieniowe.
Ten układ jest również znany jako „podwójne rozprężanie”, ponieważ rozprężanie pary następuje w dwóch etapach. Czasami jeden butla wysokociśnieniowa była łączona z dwoma butlami niskociśnieniowymi, w wyniku czego powstały trzy w przybliżeniu tej samej wielkości butle. Taki schemat był łatwiejszy do zrównoważenia.
Dwucylindrowe maszyny mieszające można sklasyfikować jako:
- Mieszanka krzyżowa- Cylindry są umieszczone obok siebie, ich kanały przewodzące parę są skrzyżowane.
- Mieszanka tandemowa- Cylindry są ułożone szeregowo i używają jednego pręta.
- Związek kątowy- Cylindry są ustawione pod kątem, zwykle 90 stopni i działają na jednej korbie.
Po latach 80. XIX w. silniki parowe zespolone rozpowszechniły się w produkcji i transporcie, stając się praktycznie jedynym typem używanym na statkach parowych. Ich zastosowanie w lokomotywach parowych nie było tak powszechne, ponieważ okazały się zbyt skomplikowane, częściowo ze względu na trudne warunki pracy parowozów w transporcie kolejowym. Chociaż lokomotywy złożone nigdy nie stały się powszechnym zjawiskiem (zwłaszcza w Wielkiej Brytanii, gdzie były bardzo rzadkie i nie były w ogóle używane po latach 30.), zyskały pewną popularność w kilku krajach.
Wielokrotna ekspansja
Uproszczony schemat silnika parowego z potrójnym rozprężaniem.
Para o wysokim ciśnieniu (czerwona) z kotła przechodzi przez maszynę, pozostawiając skraplacz pod niskim ciśnieniem (niebieski).
Logicznym rozwinięciem schematu złożonego było dodanie do niego dodatkowych etapów rozbudowy, co zwiększyło wydajność pracy. W rezultacie powstał schemat wielokrotnego rozszerzenia, znany jako maszyny z potrójnym, a nawet poczwórnym rozszerzeniem. Takie silniki parowe wykorzystywały szereg cylindrów dwustronnego działania, których objętość zwiększała się z każdym stopniem. Czasami zamiast zwiększania objętości butli niskociśnieniowych stosowano zwiększenie ich ilości, tak jak w niektórych maszynach zespolonych.
Zdjęcie po prawej pokazuje działający silnik parowy z potrójnym rozprężaniem. Para przepływa przez maszynę od lewej do prawej. Blok zaworów każdego cylindra znajduje się po lewej stronie odpowiedniego cylindra.
Pojawienie się tego typu silników parowych stało się szczególnie istotne dla floty, ponieważ wymagania dotyczące wielkości i masy silników okrętowych nie były zbyt rygorystyczne, a co najważniejsze, schemat ten ułatwił użycie skraplacza, który zwraca parę wylotową w postaci świeżej wody z powrotem do bojlera (nie było możliwe użycie słonej wody morskiej do zasilania bojlerów). Silniki parowe naziemne zwykle nie miały problemów z zaopatrzeniem w wodę i dlatego mogły emitować do atmosfery parę spalinową. Dlatego taki schemat był dla nich mniej istotny, zwłaszcza biorąc pod uwagę jego złożoność, rozmiar i wagę. Dominacja silników parowych z wielokrotnym rozprężaniem zakończyła się dopiero wraz z pojawieniem się i rozpowszechnieniem turbin parowych. Jednak współczesne turbiny parowe wykorzystują tę samą zasadę podziału przepływu na cylindry wysokiego, średniego i niskiego ciśnienia.
Silniki parowe o przepływie bezpośrednim
Parowozy jednoprzelotowe powstały w wyniku próby przezwyciężenia jednej wady tkwiącej w silnikach parowych z tradycyjnym rozdziałem pary. Faktem jest, że para w zwykłym silniku parowym stale zmienia kierunek ruchu, ponieważ to samo okno po każdej stronie cylindra służy zarówno do wlotu, jak i wylotu pary. Gdy para wylotowa opuszcza cylinder, chłodzi jego ściany i kanały dystrybucji pary. W związku z tym świeża para zużywa pewną część energii na ich podgrzanie, co prowadzi do spadku wydajności. Jednorazowe silniki parowe mają dodatkowy otwór, który jest otwierany przez tłok na końcu każdej fazy i przez który para opuszcza cylinder. Poprawia to wydajność maszyny, ponieważ para porusza się w jednym kierunku, a gradient temperatury ścianek cylindra pozostaje mniej więcej stały. Maszyny jednoprzelotowe z pojedynczym rozszerzeniem wykazują mniej więcej taką samą wydajność jak maszyny zespolone z konwencjonalnym rozprowadzaniem pary. Ponadto mogą pracować przy wyższych prędkościach, dlatego przed pojawieniem się turbin parowych były często wykorzystywane do napędzania agregatów prądotwórczych wymagających dużych prędkości obrotowych.
Jednorazowe silniki parowe są jedno- lub dwustronnego działania.
Turbiny parowe
Turbina parowa to szereg wirujących dysków zamocowanych na jednej osi, zwanych wirnikiem turbiny, oraz szereg nieruchomych dysków naprzemiennych z nimi, zamocowanych na podstawie, zwanych stojanem. Tarcze wirnika mają łopatki po zewnętrznej stronie, para jest dostarczana do tych łopatek i obraca tarcze. Tarcze stojana mają podobne łopatki ustawione pod przeciwległymi kątami, które służą do przekierowania strumienia pary na kolejne tarcze wirnika. Każda tarcza wirnika i odpowiadająca jej tarcza stojana nazywana jest stopniem turbiny. Liczba i wielkość stopni każdej turbiny dobierane są w taki sposób, aby maksymalizować energię użyteczną pary o prędkości i ciśnieniu, które jest do niej dostarczane. Para wylotowa opuszczająca turbinę dostaje się do skraplacza. Turbiny obracają się z bardzo dużymi prędkościami, dlatego specjalne przekładnie obniżające są powszechnie stosowane przy przekazywaniu mocy do innych urządzeń. Ponadto turbiny nie mogą zmieniać kierunku obrotów i często wymagają dodatkowych mechanizmów odwrotnych (czasem stosuje się dodatkowe stopnie odwrotnego obrotu).
Turbiny przetwarzają energię pary bezpośrednio na ruch obrotowy i nie wymagają dodatkowych mechanizmów do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na ruch obrotowy. Ponadto turbiny są bardziej zwarte niż maszyny tłokowe i mają stałą siłę na wale wyjściowym. Ponieważ turbiny mają prostszą konstrukcję, wymagają mniej konserwacji.
Inne typy silników parowych
Podanie
Silniki parowe można sklasyfikować według ich zastosowania w następujący sposób:
Maszyny stacjonarne
młot parowy
Parowóz w starej cukrowni na Kubie
Stacjonarne lokomotywy parowe można podzielić na dwa typy w zależności od sposobu użytkowania:
- Maszyny o zmiennym obciążeniu, które obejmują walcarki, wciągarki parowe i podobne urządzenia, które muszą często się zatrzymywać i zmieniać kierunek.
- Maszyny elektryczne, które rzadko się zatrzymują i nie muszą zmieniać kierunku obrotów. Należą do nich silniki napędowe w elektrowniach, a także silniki przemysłowe stosowane w fabrykach, fabrykach i kolejach linowych przed powszechnym zastosowaniem trakcji elektrycznej. Silniki małej mocy stosowane są w modelach okrętowych oraz w urządzeniach specjalnych.
Wciągarka parowa jest zasadniczo silnikiem stacjonarnym, ale jest zamontowana na ramie podstawy, dzięki czemu można ją przemieszczać. Można go przymocować liną do kotwicy i przenieść własnym ciągiem w nowe miejsce.
Pojazdy transportowe
Silniki parowe służyły do napędzania różnego rodzaju pojazdów, m.in.:
- Pojazdy lądowe:
- samochód parowy
- ciągnik parowy
- Koparka parowa, a nawet
- Samolot parowy.
W Rosji pierwsza działająca lokomotywa parowa została zbudowana przez E.A. i M.E. Cherepanov w fabryce Niżny Tagil w 1834 roku do transportu rudy. Rozwijał prędkość 13 mil na godzinę i przewoził ponad 200 funtów (3,2 tony) ładunku. Długość pierwszej linii kolejowej wynosiła 850 m.
Zalety silników parowych
Główną zaletą silników parowych jest to, że mogą wykorzystać prawie każde źródło ciepła do przekształcenia go w pracę mechaniczną. To odróżnia je od silników spalinowych, których każdy rodzaj wymaga zastosowania określonego rodzaju paliwa. Ta zaleta jest najbardziej zauważalna przy wykorzystaniu energii jądrowej, ponieważ reaktor jądrowy nie jest w stanie generować energii mechanicznej, a jedynie wytwarza ciepło, które jest wykorzystywane do wytwarzania pary napędzającej silniki parowe (zwykle turbiny parowe). Ponadto istnieją inne źródła ciepła, których nie można wykorzystywać w silnikach spalinowych, np. energia słoneczna. Ciekawym kierunkiem jest wykorzystanie energii różnicy temperatur Oceanu Światowego na różnych głębokościach.
Inne typy silników spalinowych również mają podobne właściwości, jak np. silnik Stirlinga, który może zapewnić bardzo wysoką sprawność, ale jest znacznie większy i cięższy niż współczesne typy silników parowych.
Lokomotywy parowe dobrze radzą sobie na dużych wysokościach, ponieważ ich wydajność nie spada z powodu niskiego ciśnienia atmosferycznego. Lokomotywy parowe są nadal używane w górzystych regionach Ameryki Łacińskiej, mimo że na nizinach od dawna są zastępowane przez bardziej nowoczesne typy lokomotyw.
W Szwajcarii (Brienz Rothhorn) i Austrii (Schafberg Bahn) sprawdziły się nowe parowozy wykorzystujące suchą parę. Ten typ parowozu został opracowany na podstawie modeli Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), z wieloma nowoczesnymi ulepszeniami, takimi jak zastosowanie łożysk tocznych, nowoczesna izolacja termiczna, spalanie lekkich frakcji olejowych jako paliwa, ulepszone rurociągi parowe itp. . W rezultacie lokomotywy te charakteryzują się o 60% niższym zużyciem paliwa i znacznie niższymi wymaganiami konserwacyjnymi. Walory ekonomiczne takich lokomotyw są porównywalne z nowoczesnymi lokomotywami spalinowymi i elektrycznymi.
Ponadto lokomotywy parowe są znacznie lżejsze niż lokomotywy spalinowe i elektryczne, co dotyczy zwłaszcza kolei górskich. Cechą silników parowych jest to, że nie potrzebują przekładni, przenoszącej moc bezpośrednio na koła.
Efektywność
Współczynnik wydajności (COP) silnika cieplnego można zdefiniować jako stosunek użytecznej pracy mechanicznej do ilości ciepła zużytego w paliwie. Reszta energii jest uwalniana do otoczenia w postaci ciepła. Sprawność silnika cieplnego wynosi
Żyję na węglu i wodzie i wciąż mam wystarczająco dużo energii, żeby jechać 100 mil na godzinę! To jest dokładnie to, co potrafi lokomotywa parowa. Chociaż te gigantyczne mechaniczne dinozaury wyginęły na większości światowych linii kolejowych, technologia parowa żyje w ludzkich sercach, a lokomotywy takie jak ta nadal służą jako atrakcje turystyczne na wielu historycznych liniach kolejowych.
Pierwsze nowoczesne silniki parowe zostały wynalezione w Anglii na początku XVIII wieku i zapoczątkowały rewolucję przemysłową.
Dziś znów wracamy do energii parowej. Ze względu na cechy konstrukcyjne silnik parowy podczas procesu spalania wytwarza mniej zanieczyszczeń niż silnik spalinowy. Obejrzyj ten film, aby zobaczyć, jak to działa.
Co zasilało stary silnik parowy?
Potrzeba energii, aby zrobić absolutnie wszystko, o czym myślisz: jeździć na deskorolce, latać samolotem, robić zakupy lub jeździć ulicą. Większość energii, której używamy dzisiaj do transportu, pochodzi z ropy naftowej, ale nie zawsze tak było. Do początku XX wieku węgiel był ulubionym paliwem na świecie i napędzał wszystko, od pociągów i statków po nieszczęsny samolot parowy wynaleziony przez amerykańskiego naukowca Samuela P. Langleya, wczesnego konkurenta braci Wright. Co jest takiego specjalnego w węglu? Jest go pod dostatkiem na Ziemi, więc był stosunkowo niedrogi i powszechnie dostępny.
Węgiel jest organicznym związkiem chemicznym, co oznacza, że jest oparty na węglu. Węgiel powstaje przez miliony lat, kiedy szczątki obumarłych roślin są zakopywane pod skałami, ściskane pod ciśnieniem i gotowane przez wewnętrzne ciepło Ziemi. Dlatego nazywa się to paliwem kopalnym. Bryły węgla to tak naprawdę bryły energii. Znajdujący się w nich węgiel jest związany z atomami wodoru i tlenu przez związki zwane wiązaniami chemicznymi. Kiedy spalamy węgiel w ogniu, wiązania pękają i uwalniana jest energia w postaci ciepła.
Węgiel zawiera o połowę mniej energii na kilogram niż czystsze paliwa kopalne, takie jak benzyna, olej napędowy i nafta – i to jest jeden z powodów, dla których silniki parowe muszą tak dużo spalać.
Czy silniki parowe są gotowe na epicki powrót?
Dawno, dawno temu dominował parowóz - najpierw w pociągach i ciężkich traktorach, jak wiadomo, ale ostatecznie w samochodach. Dziś trudno to zrozumieć, ale na przełomie XIX i XX wieku ponad połowa samochodów w USA była napędzana parą. Silnik parowy został tak ulepszony, że w 1906 roku silnik parowy o nazwie „Rakieta Stanleya” ustanowił nawet rekord prędkości na lądzie – lekkomyślną prędkość 127 mil na godzinę!
Można by pomyśleć, że silnik parowy odniósł sukces tylko dlatego, że silniki spalinowe (ICE) jeszcze nie istniały, ale w rzeczywistości silniki parowe i samochody ICE zostały opracowane w tym samym czasie. Ponieważ inżynierowie mieli już 100-letnie doświadczenie z silnikami parowymi, silnik parowy miał dość duży start. Podczas gdy ręczne silniki korbowe łamały ręce nieszczęsnym operatorom, do 1900 r. silniki parowe były już w pełni zautomatyzowane - i bez sprzęgła lub skrzyni biegów (para zapewnia stałe ciśnienie, w przeciwieństwie do skoku tłoka silnika spalinowego), bardzo łatwe w obsłudze. Jedynym zastrzeżeniem jest to, że trzeba było poczekać kilka minut, aż kocioł się nagrzeje.
Jednak za kilka krótkich lat pojawi się Henry Ford i wszystko zmieni. Chociaż silnik parowy był technicznie lepszy od silnika spalinowego, nie mógł dorównać ceną seryjnych Fordów. Producenci samochodów parowych próbowali zmieniać biegi i sprzedawać swoje samochody jako luksusowe produkty premium, ale do 1918 roku Ford Model T był sześciokrotnie tańszy niż Steanley Steamer (najpopularniejszy wówczas samochód parowy). Wraz z pojawieniem się rozrusznika elektrycznego w 1912 roku i ciągłej poprawy sprawności silnika spalinowego, parowóz zniknął z naszych dróg.
Pod presją
Przez ostatnie 90 lat silniki parowe były na skraju wyginięcia, a gigantyczne bestie pojawiły się na pokazach samochodów zabytkowych, ale niewiele. Jednak po cichu, w tle, badania posunęły się spokojnie do przodu, częściowo z powodu naszego uzależnienia od turbin parowych do wytwarzania energii, a także dlatego, że niektórzy ludzie uważają, że silniki parowe mogą faktycznie przewyższać silniki spalinowe.
ICE mają nieodłączne wady: wymagają paliw kopalnych, wytwarzają dużo zanieczyszczeń i są hałaśliwe. Z drugiej strony silniki parowe są bardzo ciche, bardzo czyste i mogą zużywać prawie każde paliwo. Silniki parowe dzięki stałemu ciśnieniu nie wymagają przełożenia – maksymalny moment obrotowy i przyspieszenie uzyskuje się natychmiast, w stanie spoczynku. W przypadku jazdy po mieście, gdzie zatrzymywanie się i ruszanie zużywa ogromne ilości paliw kopalnych, ciągła moc silników parowych może być bardzo interesująca.
Technologia przeszła długą drogę i od lat 20. – przede wszystkim jesteśmy teraz mistrzowie materiałów. Pierwotne maszyny parowe wymagały ogromnych, ciężkich kotłów, aby wytrzymać ciepło i ciśnienie, w wyniku czego nawet małe maszyny parowe ważyły kilka ton. Dzięki nowoczesnym materiałom silniki parowe mogą być równie lekkie jak ich kuzyni. Dodaj nowoczesny skraplacz i jakiś kocioł odparowujący i możesz zbudować silnik parowy o przyzwoitej wydajności i czasie nagrzewania mierzonym w sekundach, a nie minutach.
W ostatnich latach te osiągnięcia połączyły się w kilka ekscytujących zmian. W 2009 roku brytyjski zespół ustanowił nowy rekord prędkości wiatru napędzanego parą, wynoszący 148 mil na godzinę, ostatecznie pobijając rekord rakiety Stanley, który utrzymuje się od ponad 100 lat. W latach 90. dział badawczo-rozwojowy Volkswagena o nazwie Enginion twierdził, że zbudował silnik parowy o wydajności porównywalnej do silnika spalinowego, ale o niższych emisjach. W ostatnich latach firma Cyclone Technologies twierdzi, że opracowała silnik parowy, który jest dwa razy wydajniejszy niż silnik spalinowy. Jednak do tej pory żaden silnik nie trafił do pojazdu użytkowego.
Idąc dalej, jest mało prawdopodobne, że silniki parowe kiedykolwiek zejdą z silnika spalinowego, choćby z powodu ogromnego rozmachu Big Oil. Jednak pewnego dnia, kiedy w końcu zdecydujemy się poważnie przyjrzeć przyszłości transportu osobistego, być może cicha, zielona, szybująca gracja energii pary dostanie drugą szansę.
Parowozy naszych czasów
Technologia.
innowacyjna energia. NanoFlowcell® to obecnie najbardziej innowacyjny i najpotężniejszy system magazynowania energii do zastosowań mobilnych i stacjonarnych. W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów nanoFlowcell® jest zasilany ciekłymi elektrolitami (bi-ION), które można przechowywać z dala od samego ogniwa. Wydech samochodu z tą technologią to para wodna.
Podobnie jak konwencjonalne ogniwo przepływowe, dodatnio i ujemnie naładowane płyny elektrolityczne są przechowywane oddzielnie w dwóch zbiornikach i, podobnie jak konwencjonalne ogniwo przepływowe lub ogniwo paliwowe, są pompowane przez przetwornik (właściwy element systemu nanoFlowcell) w oddzielnych obwodach.
Tutaj dwa obwody elektrolitu są oddzielone tylko przepuszczalną membraną. Wymiana jonów następuje, gdy tylko dodatnie i ujemne roztwory elektrolitu przechodzą przez siebie po obu stronach membrany konwertera. Przekształca to energię chemiczną związaną w bijon w energię elektryczną, która jest następnie bezpośrednio dostępna dla odbiorców energii elektrycznej.
Podobnie jak pojazdy wodorowe, „spaliny” wytwarzane przez pojazdy elektryczne nanoFlowcell to para wodna. Ale czy emisje pary wodnej z przyszłych pojazdów elektrycznych są przyjazne dla środowiska?
Krytycy mobilności elektrycznej coraz częściej kwestionują zgodność środowiskową i zrównoważony rozwój alternatywnych źródeł energii. Dla wielu pojazdy elektryczne są przeciętnym kompromisem między bezemisyjną jazdą a technologią szkodliwą dla środowiska. Zwykłe akumulatory litowo-jonowe lub metalowo-wodorkowe nie są ani zrównoważone, ani przyjazne dla środowiska – nie można ich produkować, używać ani przetwarzać, nawet jeśli reklama sugeruje czystą „e-mobilność”.
nanoFlowcell Holdings jest również często pytany o zrównoważony rozwój i zgodność środowiskową technologii nanoFlowcell i elektrolitów biojonowych. Zarówno sam nanoFlowcell, jak i potrzebne do jego zasilania roztwory elektrolitów bi-ION są produkowane w sposób przyjazny dla środowiska z surowców przyjaznych dla środowiska. Podczas pracy technologia nanoFlowcell jest całkowicie nietoksyczna i w żaden sposób nie szkodzi zdrowiu. Bi-ION, który składa się z wodnego roztworu o niskiej zawartości soli (sole organiczne i mineralne rozpuszczone w wodzie) oraz rzeczywistych nośników energii (elektrolity), jest również przyjazny dla środowiska podczas użytkowania i recyklingu.
Jak działa napęd nanoFlowcell w samochodzie elektrycznym? Podobnie jak w samochodzie benzynowym, roztwór elektrolitu jest zużywany w pojeździe elektrycznym z nanoogniwem przepływowym. Wewnątrz nanoramienia (rzeczywista komora przepływowa) jeden dodatnio i jeden ujemnie naładowany roztwór elektrolitu jest pompowany przez błonę komórkową. Reakcja - wymiana jonowa - zachodzi pomiędzy dodatnio i ujemnie naładowanymi roztworami elektrolitów. W ten sposób energia chemiczna zawarta w bijonach jest uwalniana w postaci energii elektrycznej, która jest następnie wykorzystywana do napędzania silników elektrycznych. Dzieje się tak, dopóki elektrolity są przepompowywane przez membranę i reagują. W przypadku napędu QUANTiNO z nanoflowcell, jeden zbiornik płynu elektrolitowego wystarcza na ponad 1000 kilometrów. Po opróżnieniu zbiornik należy ponownie napełnić.
Jakiego rodzaju „odpady” generuje pojazd elektryczny z nanokomórką przepływową? W konwencjonalnym pojeździe z silnikiem spalinowym spalanie paliw kopalnych (benzyny lub oleju napędowego) wytwarza niebezpieczne gazy wydechowe – głównie dwutlenek węgla, tlenki azotu i dwutlenek siarki – których nagromadzenie zostało zidentyfikowane przez wielu badaczy jako przyczyna zmian klimatycznych. zmiana. Jednak jedyne emisje emitowane przez pojazd nanoFlowcell podczas jazdy to – prawie jak pojazd napędzany wodorem – prawie w całości woda.
Po wymianie jonów w nanoogniwie skład chemiczny roztworu elektrolitu bi-ION pozostał praktycznie niezmieniony. Nie jest już reaktywny i dlatego jest uważany za „zużyty”, ponieważ nie można go naładować. Dlatego w przypadku mobilnych zastosowań technologii nanoFlowcell, takich jak pojazdy elektryczne, podjęto decyzję o mikroskopijnym odparowaniu i uwolnieniu rozpuszczonego elektrolitu, gdy pojazd jest w ruchu. Przy prędkościach powyżej 80 km/h zbiornik na zużyty płyn elektrolityczny jest opróżniany przez bardzo drobne dysze rozpylające za pomocą generatora napędzanego energią napędową. Elektrolity i sole są wstępnie filtrowane mechanicznie. Uwalnianie obecnie oczyszczonej wody w postaci zimnej pary wodnej (mgiełka mikrodrobna) jest w pełni kompatybilne ze środowiskiem. Filtr wymienia się na około 10 g.
Zaletą tego rozwiązania technicznego jest to, że zbiornik pojazdu opróżnia się podczas normalnej jazdy i można go łatwo i szybko uzupełnić bez konieczności pompowania.
Alternatywnym rozwiązaniem, nieco bardziej skomplikowanym, jest zebranie zużytego roztworu elektrolitu w oddzielnym zbiorniku i przesłanie go do recyklingu. To rozwiązanie jest przeznaczone do podobnych stacjonarnych zastosowań nanoFlowcell.
Jednak wielu krytyków sugeruje obecnie, że rodzaj pary wodnej, która jest uwalniana z konwersji wodoru w ogniwach paliwowych lub z odparowania płynu elektrolitycznego w przypadku nanorurek, jest teoretycznie gazem cieplarnianym, który może mieć wpływ na zmiany klimatyczne. Jak powstają takie plotki?
Przyglądamy się emisjom pary wodnej pod kątem ich znaczenia dla środowiska i pytamy, o ile więcej pary wodnej można się spodziewać po powszechnym stosowaniu pojazdów z ogniwami nanoprzepływowymi w porównaniu z tradycyjnymi technologiami napędowymi i czy emisje H 2 O mogą mieć negatywny wpływ na środowisko.
Najważniejsze naturalne gazy cieplarniane – wraz z CH 4 , O 3 i N 2 O – para wodna i CO 2 , dwutlenek węgla i para wodna są niezwykle ważne dla utrzymania globalnego klimatu. Promieniowanie słoneczne, które dociera do ziemi, jest pochłaniane i ogrzewa ziemię, która z kolei emituje ciepło do atmosfery. Jednak większość tego wypromieniowanego ciepła ucieka z ziemskiej atmosfery z powrotem w kosmos. Dwutlenek węgla i para wodna mają właściwości gazów cieplarnianych, tworząc „warstwę ochronną”, która zapobiega ucieczce promieniowania cieplnego z powrotem w kosmos. W naturalnym kontekście ten efekt cieplarniany ma kluczowe znaczenie dla naszego przetrwania na Ziemi — bez dwutlenku węgla i pary wodnej atmosfera Ziemi byłaby nieprzyjazna dla życia.
Efekt cieplarniany staje się problematyczny tylko wtedy, gdy nieprzewidywalna interwencja człowieka zakłóca naturalny cykl. Kiedy oprócz naturalnych gazów cieplarnianych, ludzie powodują wyższe stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze poprzez spalanie paliw kopalnych, zwiększa to nagrzewanie się ziemskiej atmosfery.
Będąc częścią biosfery, ludzie nieuchronnie wpływają na środowisko, a tym samym na system klimatyczny, poprzez swoje istnienie. Nieustanny wzrost populacji Ziemi po epoce kamiennej i powstawanie osad kilka tysięcy lat temu, związany z przejściem od życia koczowniczego do rolnictwa i hodowli zwierząt, wpłynął już na klimat. Prawie połowa pierwotnych lasów i lasów na świecie została wykarczowana do celów rolniczych. Lasy – obok oceanów – są głównym producentem pary wodnej.
Para wodna jest głównym pochłaniaczem promieniowania cieplnego w atmosferze. Para wodna stanowi średnio 0,3% masy atmosfery, dwutlenek węgla tylko 0,038%, co oznacza, że para wodna stanowi 80% masy gazów cieplarnianych w atmosferze (około 90% objętości) i przy uwzględnieniu od 36 do 66% to najważniejszy gaz cieplarniany, który zapewnia nam egzystencję na ziemi.
Tabela 3: Udział w atmosferze najważniejszych gazów cieplarnianych oraz bezwzględny i względny udział we wzroście temperatury (Zittel)