Schematy nowoczesnych maszyn parowych. Historia maszyny parowej i jej zastosowanie

Żyję tylko węglem i wodą, a energii wciąż starcza na 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 Stanley Rocket 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 suwu 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 roztworu wodnego 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 parowania 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)

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 on zamocowany w najwyższym punkcie wzniesienia i spodziewano się, że cylinder ostygnie, a para skondensuje się. Po skropleniu pary w cylindrze wytworzyła się próżnia. Tłok uwolniony od mocowania wpadł w próżnię pod działaniem ciśnienia atmosferycznego. 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 generowana 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

Silnik parowy to silnik cieplny, w którym energia potencjalna rozprężającej się pary jest zamieniana na energię mechaniczną przekazywaną konsumentowi.

Zapoznamy się z zasadą działania maszyny na uproszczonym schemacie z ryc. jeden.

Wewnątrz cylindra 2 znajduje się tłok 10, który może poruszać się tam iz powrotem pod ciśnieniem pary; cylinder ma cztery kanały, które można otwierać i zamykać. Dwa górne kanały pary1 oraz3 są połączone rurociągiem z kotłem parowym, a przez nie świeża para może dostać się do cylindra. Przez dwie dolne czubki 9 i 11 para, która już zakończyła pracę, zostaje uwolniona z cylindra.

Wykres pokazuje moment, w którym kanały 1 i 9 są otwarte, kanały 3 i11 Zamknięte. Dlatego świeża para z kotła przez kanał1 wchodzi do lewej wnęki cylindra i pod swoim ciśnieniem przesuwa tłok w prawo; w tym czasie para wylotowa jest usuwana z prawej wnęki cylindra przez kanał 9. Przy skrajnie prawej pozycji tłoka kanały1 oraz9 są zamknięte, a 3 dla wlotu świeżej pary i 11 dla wylotu pary wylotowej są otwarte, w wyniku czego tłok przesunie się w lewo. W skrajnym lewym położeniu tłoka otwierają się kanały1 a 9 i kanały 3 i 11 są zamknięte i proces jest powtarzany. W ten sposób powstaje prostoliniowy ruch posuwisto-zwrotny tłoka.

Do przekształcenia tego ruchu w ruch obrotowy stosuje się tzw. mechanizm korbowy. Składa się z tłoczyska - 4, połączonego z jednej strony z tłokiem, a z drugiej wahliwie za pomocą suwaka (wodzika) 5, przesuwającego się między prowadnicami równoległymi, z korbowodem 6, który przekazuje ruch do wał główny 7 przez kolano lub korbę 8.

Wielkość momentu obrotowego na wale głównym nie jest stała. Rzeczywiście, siłaR , skierowany wzdłuż łodygi (rys. 2), można rozłożyć na dwa składniki:W celu skierowane wzdłuż korbowodu, orazN , prostopadłe do płaszczyzny prowadnic równoległych. Siła N nie ma wpływu na ruch, a jedynie dociska suwak do równoległych prowadnic. SiłaW celu jest przenoszony wzdłuż korbowodu i działa na korbę. Tutaj można go ponownie rozłożyć na dwa składniki: siłęZ , skierowana wzdłuż promienia korby i dociskająca wał do łożysk, a siłaT prostopadle do korby i powodując obrót wału. Wielkość siły T zostanie określona na podstawie trójkąta AKZ. Ponieważ kąt ZAK = ? + ?, to

T = K grzech (? + ?).

Ale z trójkąta OCD siła

K= P/ sałata ?

Dlatego

T= psin( ? + ?) / sałata ? ,

Podczas pracy maszyny na jeden obrót wału kąty? oraz? i siłaR ciągle się zmieniają, a zatem wielkość siły skręcającej (stycznej)T również zmienne. Aby wytworzyć równomierny obrót wału głównego podczas jednego obrotu, zamontowane jest na nim ciężkie koło zamachowe, dzięki któremu zachowana jest bezwładność, dzięki której utrzymywana jest stała prędkość kątowa obrotu wału. W tych chwilach, kiedy mocT wzrasta, nie może natychmiast zwiększyć prędkości obrotowej wału, dopóki koło zamachowe nie przyspieszy, co nie dzieje się natychmiast, ponieważ koło zamachowe ma dużą masę. W tych momentach, gdy praca wytworzona przez siłę skręcającąT , praca sił oporu wytwarzanych przez konsumenta staje się mniejsza, koło zamachowe ponownie, ze względu na swoją bezwładność, nie może natychmiast zmniejszyć swojej prędkości, a oddając energię otrzymywaną podczas jego przyspieszania, pomaga tłokowi pokonać obciążenie.

W skrajnych położeniach kątów tłoka? +? = 0, więc sin (? + ?) = 0, a zatem T = 0. Ponieważ w tych pozycjach nie ma siły obrotowej, gdyby maszyna była bez koła zamachowego, sen musiałby się zatrzymać. Te skrajne położenia tłoka nazywane są pozycjami martwymi lub punktami martwymi. Korba również przechodzi przez nie dzięki bezwładności koła zamachowego.

W martwych pozycjach tłok nie styka się z pokrywami cylindrów, między tłokiem a pokrywą pozostaje tak zwana szkodliwa przestrzeń. Objętość przestrzeni szkodliwej obejmuje również objętość kanałów parowych od organów dystrybucji pary do cylindra.

Udar mózguS nazywana ścieżką pokonywaną przez tłok podczas przemieszczania się z jednej skrajnej pozycji do drugiej. Jeżeli odległość od środka wału głównego do środka czopa korby - promień korby - jest oznaczona przez R, to S = 2R.

Pojemność cylindra V h nazwany objętością opisaną przez tłok.

Zazwyczaj silniki parowe mają działanie dwustronne (dwustronne) (patrz rys. 1). Czasami stosuje się maszyny jednostronnego działania, w których para wywiera nacisk na tłok tylko od strony pokrywy; druga strona cylindra w takich maszynach pozostaje otwarta.

W zależności od ciśnienia, z jakim para opuszcza cylinder, maszyny dzielą się na wylotowe, jeśli para wydostaje się do atmosfery, kondensacyjne, jeśli para wchodzi do skraplacza (chłodziarki, w której utrzymywane jest obniżone ciśnienie) oraz odprowadzanie ciepła, w którego para wydobywająca się w maszynie jest wykorzystywana do dowolnych celów (ogrzewanie, suszenie itp.)

Rewolucja przemysłowa rozpoczęła się w połowie XVIII wieku. w Anglii wraz z pojawieniem się i wprowadzeniem maszyn technologicznych do produkcji przemysłowej. Rewolucja przemysłowa polegała na zastąpieniu produkcji ręcznej, rzemieślniczej i manufakturowej produkcją maszynową.

Wzrost popytu na maszyny, które nie były już budowane dla każdego konkretnego obiektu przemysłowego, ale dla rynku i stały się towarem, doprowadził do powstania nowej gałęzi produkcji przemysłowej – inżynierii mechanicznej. Narodziła się produkcja środków produkcji.

Powszechne stosowanie maszyn technologicznych sprawiło, że absolutnie nieunikniona stała się druga faza rewolucji przemysłowej - wprowadzenie do produkcji uniwersalnego silnika.

O ile stare maszyny (tłuczki, młoty itp.), które wprawiały w ruch koła wodne, poruszały się wolno i miały nierówny przebieg, to nowe, zwłaszcza przędzalnice i tkaczki, wymagały ruchu obrotowego z dużą prędkością. W ten sposób wymagania dotyczące parametrów technicznych silnika nabrały nowych cech: silnik uniwersalny musi dawać pracę w postaci jednokierunkowego, ciągłego i równomiernego ruchu obrotowego.

W tych warunkach pojawiają się konstrukcje silników, które starają się sprostać pilnym wymaganiom produkcji. W Anglii wydano kilkanaście patentów na uniwersalne silniki o szerokiej gamie układów i konstrukcji.

Jednak maszyny stworzone przez rosyjskiego wynalazcę Iwana Iwanowicza Polzunowa i Anglika Jamesa Watta są uważane za pierwsze praktycznie działające uniwersalne silniki parowe.

W samochodzie Polzunowa, z kotła, przez rury, para o ciśnieniu nieco wyższym niż atmosferyczne podawana była naprzemiennie do dwóch cylindrów z tłokami. Aby poprawić uszczelnienie, tłoki wypełniono wodą. Za pomocą prętów z łańcuchami ruch tłoków był przenoszony na futra trzech pieców do wytopu miedzi.

Budowa samochodu Polzunowa została zakończona w sierpniu 1765 roku. Miała wysokość 11 metrów, pojemność kotła 7 metrów, wysokość cylindra 2,8 metra i moc 29 kW.

Maszyna Polzunowa wytwarzała siłę ciągłą i była pierwszą uniwersalną maszyną, którą można było wykorzystać do wprawienia w ruch dowolnych mechanizmów fabrycznych.

Watt rozpoczął swoją pracę w 1763 roku niemal równocześnie z Polzunovem, ale z innym podejściem do problemu silnika iw innej oprawie. Polzunov rozpoczął od ogólnego zestawienia energetycznego problemu całkowitej wymiany elektrowni wodnych zależnych od warunków lokalnych na uniwersalny silnik cieplny. Watt rozpoczął od prywatnego zadania - poprawienia sprawności silnika Newcomena w związku z pracą powierzoną mu jako mechanikowi na Uniwersytecie w Glasgow (Szkocja) przy naprawie modelu parowej instalacji odwadniającej.

Silnik Watta otrzymał ostateczne ukończenie przemysłowe w 1784 roku. W silniku parowym Watta dwa cylindry zostały zastąpione jednym zamkniętym. Para działała naprzemiennie po obu stronach tłoka, popychając go najpierw w jednym kierunku, potem w drugim. W takiej maszynie dwustronnego działania para odlotowa była kondensowana nie w cylindrze, ale w oddzielnym od niego naczyniu - skraplaczu. Stałą prędkość koła zamachowego utrzymywano za pomocą odśrodkowego regulatora prędkości.

Główną wadą pierwszych parowozów była niska, nieprzekraczająca 9% sprawność.

Specjalizacja elektrowni parowych i dalszy rozwój

silniki parowe

Rozszerzenie zakresu maszyny parowej wymagało coraz większej wszechstronności. Rozpoczęła się specjalizacja elektrociepłowni. W dalszym ciągu udoskonalano instalacje wodne i parowe kopalniane. Rozwój produkcji metalurgicznej stymulował doskonalenie dmuchaw. Pojawiły się dmuchawy odśrodkowe z szybkoobrotowymi silnikami parowymi. W hutnictwie zaczęto stosować walcownie parowe i młoty parowe. Nowe rozwiązanie znalazł w 1840 r. J. Nesmith, który połączył maszynę parową z młotem.

Niezależny kierunek utworzyły lokomobili – mobilne elektrownie parowe, których historia zaczyna się w 1765 roku, kiedy angielski budowniczy J. Smeaton opracował mobilną jednostkę. Jednak lokomobili zyskały zauważalny rozkład dopiero od połowy XIX wieku.

Po 1800 r., kiedy skończyła się dziesięcioletnia kadencja przywilejów Watta i Boltona, które przyniosły wspólnikom ogromny kapitał, inni wynalazcy wreszcie dostali wolną rękę. Niemal natychmiast wdrożono progresywne metody nie stosowane przez Watta: wysokie ciśnienie i podwójne rozprężanie. Odrzucenie balansera i zastosowanie wielokrotnej rozprężania pary w kilku cylindrach doprowadziło do powstania nowych form konstrukcyjnych silników parowych. Silniki o podwójnym rozprężeniu zaczęły nabierać kształtu w postaci dwóch cylindrów: wysokociśnieniowego i niskociśnieniowego, albo jako maszyny złożone o kącie klinowym między korbami wynoszącym 90 °, albo jako maszyny tandemowe, w których oba tłoki są osadzone na wspólnym pręcie i praca na jednej korbie.

Duże znaczenie dla zwiększenia sprawności silników parowych miało zastosowanie od połowy XIX wieku pary przegrzanej, na której efekt zwrócił uwagę francuski naukowiec G.A. Dziewczyno. Przejście na stosowanie pary przegrzanej w cylindrach silników parowych wymagało długich prac nad projektowaniem szpul cylindrycznych i mechanizmów rozdzielania zaworów, opracowania technologii otrzymywania mineralnych olejów smarowych wytrzymujących wysokie temperatury oraz projektowania nowych typów uszczelnień, w szczególności z uszczelnieniem metalowym, w celu stopniowego przejścia od pary nasyconej do pary przegrzanej o temperaturze 200 - 300 stopni Celsjusza.

Ostatnim ważnym krokiem w rozwoju tłokowych silników parowych było wynalezienie w 1908 r. jednoprzepustowego silnika parowego, dokonanego przez niemieckiego profesora Stumpfa.

W drugiej połowie XIX wieku powstały w zasadzie wszystkie formy konstrukcyjne tłokowych silników parowych.

Nowy kierunek w rozwoju maszyn parowych powstał, gdy były one wykorzystywane jako silniki generatorów elektrycznych w elektrowniach z lat 80-90-tych XIX wieku.

Na silnik główny prądnicy nałożono wymóg dużej prędkości, wysokiej równomierności ruchu obrotowego i stale rosnącej mocy.

Możliwości techniczne tłokowej lokomotywy parowej, która przez cały XIX wiek była uniwersalną lokomotywą przemysłu i transportu, nie odpowiadały już potrzebom, które pojawiły się pod koniec XIX wieku w związku z budową elektrowni. rośliny. Mogli być zadowoleni dopiero po stworzeniu nowego silnika cieplnego – turbiny parowej.

Boiler parowy

Pierwsze kotły parowe wykorzystywały parę o ciśnieniu atmosferycznym. Prototypami kotłów parowych były konstrukcje kotłów trawiennych, z których powstało przetrwałe do dziś określenie „kocioł”.

Wzrost mocy parowozów dał początek utrzymującemu się trendowi w budownictwie kotłowym: wzrostowi

wydajność pary - ilość pary wytwarzanej przez kocioł na godzinę.

Aby osiągnąć ten cel, zainstalowano dwa lub trzy kotły do zasilania jednego cylindra. W szczególności w 1778 r., według projektu angielskiego inżyniera D. Smeatona, zbudowano trzykotłową instalację do pompowania wody z doków morskich Kronsztad.

Jeżeli jednak zwiększenie mocy jednostkowej elektrowni parowych wymagało zwiększenia wydajności pary z bloków kotłowych, to do zwiększenia sprawności konieczny był wzrost ciśnienia pary, do czego potrzebne były kotły o większej trwałości. W ten sposób powstał drugi i wciąż aktywny trend w budowie kotłów: wzrost ciśnienia. Już pod koniec XIX wieku ciśnienie w kotłach osiągnęło 13-15 atmosfer.

Wymóg zwiększenia ciśnienia był sprzeczny z chęcią zwiększenia wydajności parowej kotłów. Kula to najlepszy geometryczny kształt naczynia, który wytrzymuje wysokie ciśnienie wewnętrzne, daje minimalną powierzchnię dla danej objętości, a do zwiększenia produkcji pary potrzebna jest duża powierzchnia. Najbardziej akceptowalne było zastosowanie cylindra - geometrycznego kształtu podążającego za piłką pod względem wytrzymałości. Cylinder pozwala dowolnie zwiększyć jego powierzchnię poprzez zwiększenie długości. W 1801 roku w USA O. Ehns zbudował kocioł cylindryczny z cylindrycznym paleniskiem wewnętrznym o niezwykle wysokim jak na owe czasy ciśnieniu około 10 atmosfer. W 1824 r. św. Litvinov w Barnauł opracował projekt oryginalnej elektrowni parowej z jednorazowym kotłem składającym się z rur żebrowanych.

Aby zwiększyć ciśnienie w kotle i wydajność pary konieczne było zmniejszenie średnicy cylindra (wytrzymałość) i zwiększenie jego długości (wydajność): kocioł zamienił się w rurę. Istniały dwa sposoby kruszenia jednostek kotłowych: kruszona była ścieżka gazowa kotła lub przestrzeń wodna. W ten sposób zdefiniowano dwa typy kotłów: płomieniówkowe i wodnorurowe.

W drugiej połowie XIX wieku opracowano wystarczająco niezawodne wytwornice pary, które umożliwiły uzyskanie wydajności pary do setek ton pary na godzinę. Kocioł parowy był kombinacją cienkościennych rur stalowych o małej średnicy. Rury te o grubości ścianki 3-4 mm wytrzymują bardzo wysokie ciśnienia. Wysoka wydajność osiągana jest dzięki całkowitej długości rur. W połowie XIX wieku rozwinął się typ konstrukcyjny kotła parowego z wiązką prostych, lekko nachylonych rur wkręconych w płaskie ściany dwóch komór - tzw. kocioł wodnorurkowy. Pod koniec XIX wieku pojawił się pionowy kocioł wodnorurkowy, mający postać dwóch cylindrycznych bębnów połączonych pionową wiązką rur. Kotły te, wraz z bębnami, mogły wytrzymać wyższe ciśnienia.

W 1896 roku na Ogólnorosyjskim Targu w Niżnym Nowogrodzie zademonstrowano kocioł W.G. Szuchowa. Oryginalny składany kocioł Szuchowa był przenośny, miał niski koszt i niskie zużycie metalu. Szuchow jako pierwszy zaproponował ekran pieca, który jest używany w naszych czasach. t£L #0#lfo 9-1* #5^^^

Do końca XIX wieku parowe kotły wodnorurowe umożliwiły uzyskanie ponad 500 m powierzchni grzewczej i wydajności ponad 20 ton pary na godzinę, która wzrosła 10-krotnie w połowie XX wieku .

silnik parowy

Trudność produkcji: ★★★★☆

Czas produkcji: jeden dzień

Materiały pod ręką: ████████░░ 80%

W tym artykule opowiem Ci, jak zrobić silnik parowy własnymi rękami. Silnik będzie mały, jednotłokowy ze szpulą. Moc wystarcza, aby obrócić wirnik małego generatora i wykorzystać ten silnik jako autonomiczne źródło energii elektrycznej podczas wędrówek.

Antena teleskopowa (można wyjąć ze starego telewizora lub radia), średnica najgrubszej tuby musi wynosić co najmniej 8 mm
Mała rurka na parę tłoków (sklep hydrauliczny).
Drut miedziany o średnicy około 1,5 mm (można go znaleźć w cewce transformatora lub sklepie radiowym).
Śruby, nakrętki, wkręty
Ołów (ze sklepu wędkarskiego lub znaleziony w starym akumulatorze samochodowym). Jest potrzebny do uformowania koła zamachowego. Znalazłem gotowe koło zamachowe, ale ten przedmiot może ci się przydać.
Drewniane pręty.
Szprychy do kół rowerowych
Stojak (w moim przypadku z arkusza tekstolitu o grubości 5 mm, ale nadaje się również sklejka).
Klocki drewniane (kawałki desek)
Słoik z oliwek
Rura

Superglue, spawanie na zimno, żywica epoksydowa (rynek budowlany).
Szmergiel
Wiertarka
lutownica
Brzeszczot

Jak zrobić silnik parowy

Schemat silnika

Cylinder i rura szpuli.

Odetnij 3 kawałki z anteny:
? Pierwsza część ma 38 mm długości i 8 mm średnicy (sam cylinder).
? Drugi element ma długość 30 mm i średnicę 4 mm.
? Trzeci ma 6 mm długości i 4 mm średnicy.

Weź rurkę nr 2 i zrób w niej otwór o średnicy 4 mm w środku. Weź tubę nr 3 i przyklej ją prostopadle do tuby nr 2, po wyschnięciu superglue przykryj wszystko spawaniem na zimno (na przykład POXIPOL).

Do kawałka nr 3 (średnica - trochę więcej niż rurka nr 1) mocujemy okrągłą podkładkę żelazną z otworem w środku, po wyschnięciu wzmacniamy ją spawaniem na zimno.

Dodatkowo wszystkie szwy pokrywamy żywicą epoksydową dla lepszej szczelności.

Jak zrobić tłok z korbowodem

Bierzemy śrubę (1) o średnicy 7 mm i zaciskamy ją w imadle. Zaczynamy nawijać wokół niego drut miedziany (2) na około 6 zwojów. Powlekamy każdą turę superglue. Odcinamy nadmiar końców śruby.

Drut pokrywamy żywicą epoksydową. Po wyschnięciu ustawiamy tłok papierem ściernym pod cylindrem tak, aby poruszał się tam swobodnie nie przepuszczając powietrza.

Z blachy aluminiowej wykonujemy listwę o długości 4 mm i długości 19 mm. Nadajemy mu kształt litery P (3).

Wiercimy otwory (4) o średnicy 2 mm na obu końcach, aby można było włożyć kawałek igły dziewiarskiej. Boki części w kształcie litery U powinny mieć wymiary 7x5x7 mm. Przyklejamy go do tłoka stroną 5 mm.

Korbowód (5) wykonujemy z rowerowej igły dziewiarskiej. Przyklej do obu końców szprych na dwóch małych kawałkach rurek (6) z anteny o średnicy i długości 3 mm. Odległość między środkami korbowodu wynosi 50 mm. Następnie wkładamy korbowód jednym końcem do części w kształcie litery U i mocujemy go igłą dziewiarską.

Przyklejamy igłę na obu końcach, aby nie wypadła.

Trójkątny korbowód

Trójkątny korbowód jest wykonany w podobny sposób, tylko z jednej strony będzie kawałek igły dziewiarskiej, a z drugiej rurka. Długość korbowodu 75 mm.

Trójkąt i szpula

Boiler parowy

Kocioł parowy będzie słojem oliwek z zamkniętą pokrywką. Przylutowałem też nakrętkę, żeby można było przez nią przelać wodę i mocno dokręcić śrubą. Rurę też przylutowałem do wieczka.
Oto zdjęcie:

Zdjęcie zespołu silnika

Silnik montujemy na drewnianej platformie, każdy element stawiając na wsporniku

Film z silnikiem parowym
Wersja 2.0

Kosmetyczna modyfikacja silnika. Zbiornik ma teraz własną drewnianą platformę i spodek na suchą tabletkę paliwa. Wszystkie detale pomalowane są w pięknych kolorach. Swoją drogą, jako źródło ciepła najlepiej użyć domowej roboty