Interesul pentru vaporii de apă, ca sursă accesibilă de energie, a apărut odată cu primele cunoștințe științifice ale anticilor. Oamenii au încercat să îmblânzească această energie de trei milenii. Care sunt principalele etape ale acestui drum? Ale cui reflecții și proiecte au învățat omenirea să extragă maximum de beneficii din ea?
Condiții preliminare pentru apariția motoarelor cu abur
Nevoia de mecanisme care să poată facilita procesele intensive în muncă a existat întotdeauna. Până pe la jumătatea secolului al XVIII-lea, în acest scop erau folosite mori de vânt și roți de apă. Posibilitatea de a folosi energia eoliană depinde direct de capriciile vremii. Și pentru a folosi roți de apă, au trebuit construite fabrici de-a lungul malurilor râurilor, ceea ce nu este întotdeauna convenabil și oportun. Și eficiența ambelor a fost extrem de scăzută. Era nevoie de un motor fundamental nou, ușor de gestionat și lipsit de aceste neajunsuri.
Istoria invenției și îmbunătățirii motoarelor cu abur
Crearea unei mașini cu abur este rezultatul multor gândiri, succes și eșec al speranțelor multor oameni de știință.
Începutul drumului
Primele proiecte individuale au fost doar curiozități interesante. De exemplu, Arhimede a construit un pistol cu abur Stârcul Alexandriei a folosit energia aburului pentru a deschide ușile templelor antice. Iar cercetătorii găsesc note despre aplicarea practică a energiei aburului pentru a activa alte mecanisme în lucru Leonardo da Vinci.
Luați în considerare cele mai semnificative proiecte pe această temă.
În secolul al XVI-lea, inginerul arab Tagi al Din a dezvoltat un design pentru o turbină cu abur primitivă. Cu toate acestea, nu a primit aplicare practică din cauza dispersiei puternice a jetului de abur furnizat la paletele roții turbinei.
Avanză rapid către Franța medievală. Fizicianul și talentatul inventator Denis Papin, după multe proiecte nereușite, se oprește la următorul design: un cilindru vertical a fost umplut cu apă, peste care a fost instalat un piston.
Cilindrul a fost încălzit, apa a fiert și s-a evaporat. Aburul în expansiune a ridicat pistonul. A fost fixat în punctul de vârf al ridicării și era de așteptat ca cilindrul să se răcească și aburul să se condenseze. După condensarea aburului, s-a format un vid în cilindru. Pistonul, eliberat de prindere, a intrat în vid sub acțiunea presiunii atmosferice. Era această cădere a pistonului care trebuia să fie folosită ca cursă de lucru.
Deci, cursa utilă a pistonului a fost cauzată de formarea unui vid din cauza condensării aburului și a presiunii externe (atmosferice).
Pentru că motorul cu abur Papin la fel ca majoritatea proiectelor ulterioare, au fost numite mașini cu abur-atmosferă.
Acest design a avut un dezavantaj foarte semnificativ - nu a fost asigurată repetabilitatea ciclului. Denis vine cu ideea de a obține abur nu într-un cilindru, ci separat într-un cazan cu abur.
Denis Papin a intrat în istoria creării motoarelor cu abur ca inventator al unui detaliu foarte important - cazanul cu abur.
Și de când au început să primească abur în afara cilindrului, motorul însuși a trecut în categoria motoarelor cu ardere externă. Dar din cauza lipsei unui mecanism de distribuție care să asigure funcționarea neîntreruptă, aceste proiecte cu greu și-au găsit aplicație practică.
O nouă etapă în dezvoltarea motoarelor cu abur
De aproximativ 50 de ani, a fost folosit pentru pomparea apei în minele de cărbune. pompa de abur a lui Thomas Newcomen. El a repetat în mare măsură modelele anterioare, dar a conținut noutăți foarte importante - o țeavă pentru retragerea aburului condensat și o supapă de siguranță pentru eliberarea excesului de abur.
Dezavantajul său semnificativ a fost că cilindrul a trebuit să fie încălzit înainte de injectarea aburului, apoi răcit înainte de a se condensa. Dar nevoia de astfel de motoare era atât de mare încât, în ciuda ineficienței lor evidente, ultimele exemplare ale acestor mașini au servit până în 1930.
În 1765 mecanic englez James Watt, angajat în îmbunătățirea mașinii lui Newcomen, a separat condensatorul de cilindrul de abur.
A devenit posibil să se mențină cilindrul încălzit în mod constant. Eficiența mașinii a crescut imediat. În anii următori, Watt și-a îmbunătățit semnificativ modelul, echipându-l cu un dispozitiv pentru alimentarea cu abur dintr-o parte în alta.
A devenit posibilă utilizarea acestei mașini nu numai ca pompă, ci și pentru a conduce diverse mașini-unelte. Watt a primit un brevet pentru invenția sa - un motor continuu cu abur. Începe producția în masă a acestor mașini.
Până la începutul secolului al XIX-lea, în Anglia funcționau motoare cu abur de peste 320 de wați. Și alte țări europene au început să le cumpere. Acest lucru a contribuit la o creștere semnificativă a producției industriale în multe industrii, atât în Anglia însăși, cât și în statele vecine.
Cu douăzeci de ani mai devreme decât Watt, în Rusia, mecanicul din Altai Ivan Ivanovich Polzunov a lucrat la proiectul mașinii cu abur.
Autoritățile fabricii i-au sugerat să construiască o unitate care să acționeze suflanta cuptorului de topire.
Mașina construită de el era cu doi cilindri și asigura funcționarea continuă a dispozitivului conectat la acesta.
După ce a funcționat cu succes mai mult de o lună și jumătate, centrala a început să curgă. Polzunov însuși nu mai era în viață până atunci. Mașina nu a fost reparată. Și minunata creație a unui singur inventator rus a fost uitată.
Din cauza înapoierii Rusiei la acea vreme lumea a aflat despre invenția lui I. I. Polzunov cu mare întârziere ....
Așadar, pentru a conduce un motor cu abur, este necesar ca aburul generat de cazanul de abur, în expansiune, să apese pe piston sau pe paletele turbinei. Și apoi mișcarea lor a fost transferată în alte părți mecanice.
Utilizarea motoarelor cu abur în transport
În ciuda faptului că eficiența motoarelor cu abur din acea vreme nu depășea 5%, până la sfârșitul secolului al XVIII-lea au început să fie utilizate în mod activ în agricultură și transport:
- în Franța există o mașină cu motor cu abur;
- în SUA, un vapor cu aburi începe să circule între orașele Philadelphia și Burlington;
- în Anglia a fost demonstrată o locomotivă feroviară cu abur;
- un țăran rus din provincia Saratov a brevetat un tractor cu omidă construit de el cu o capacitate de 20 CP. Cu.;
- s-au incercat in mod repetat construirea unei aeronave cu motor cu abur, dar, din pacate, puterea redusa a acestor unitati cu greutatea mare a aeronavei a facut ca aceste incercari sa nu reuseasca.
Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, motoarele cu abur, având rolul lor în progresul tehnic al societății, au făcut loc motoarelor electrice.
Dispozitivele cu abur în secolul XXI
Odată cu apariția noilor surse de energie în secolele 20 și 21, apare din nou nevoia de a folosi energia cu abur. Turbinele cu abur devin o parte integrantă a centralelor nucleare. Aburul care le alimentează este obținut din combustibil nuclear.
Aceste turbine sunt utilizate pe scară largă și în centralele termice în condensare.
Într-o serie de țări se desfășoară experimente pentru a obține abur datorită energiei solare.
Nici motoarele cu abur alternative nu sunt uitate. În zonele muntoase ca locomotivă se mai folosesc locomotive cu abur.
Acești lucrători de încredere sunt atât mai siguri, cât și mai ieftini. Nu au nevoie de linii electrice, iar combustibilul - lemne și cărbune ieftin - sunt întotdeauna la îndemână.
Tehnologiile moderne permit captarea a până la 95% din emisiile în atmosferă și creșterea eficienței cu până la 21%, astfel încât oamenii au decis să nu se despartă încă de ele și lucrează la o nouă generație de locomotive cu abur.
Dacă acest mesaj ți-a fost de folos, m-aș bucura să te văd
Voi sări peste inspecția expoziției muzeului și voi merge direct în sala mașinilor. Cei interesați pot găsi versiunea completă a postării în LiveJournal-ul meu. Sala mașinilor este situată în această clădire:
29. Intrând înăuntru, eram fără suflare de încântare - înăuntrul holului era cea mai frumoasă mașină cu abur pe care am văzut-o vreodată. A fost un adevărat templu al steampunkului - un loc sacru pentru toți adepții esteticii erei aburului. Am fost uimit de ceea ce am văzut și mi-am dat seama că nu degeaba am intrat cu mașina în acest oraș și am vizitat acest muzeu.
30. Pe lângă uriașul motor cu abur, care este principalul obiect al muzeului, aici au fost prezentate și diverse mostre de motoare cu abur mai mici, iar istoria tehnologiei cu abur a fost povestită pe numeroase standuri de informare. În această imagine vedeți un motor cu abur de 12 CP complet funcțional.
31. Mână pentru cântar. Mașina a fost creată în 1920.
32. Un compresor din 1940 este expus lângă specimenul principal al muzeului.
33. Acest compresor era folosit in trecut in atelierele de cale ferata din statia Werdau.
34. Ei bine, acum să aruncăm o privire mai atentă la expoziția centrală a expoziției muzeului - un motor cu abur de 600 de cai putere fabricat în 1899, căruia îi va fi dedicată a doua jumătate a acestei postări.
35. Motorul cu abur este un simbol al revoluției industriale care a avut loc în Europa la sfârșitul secolului al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea. Deși primele modele de mașini cu abur au fost create de diverși inventatori la începutul secolului al XVIII-lea, toate erau improprii pentru uz industrial, deoarece prezentau o serie de dezavantaje. Utilizarea în masă a motoarelor cu abur în industrie a devenit posibilă abia după ce inventatorul scoțian James Watt a îmbunătățit mecanismul mașinii cu abur, făcându-l ușor de operat, sigur și de cinci ori mai puternic decât modelele care existau înainte.
36. James Watt și-a brevetat invenția în 1775 și încă din anii 1880, motoarele sale cu abur au început să se infiltreze în fabrici, devenind catalizatorul revoluției industriale. Acest lucru s-a întâmplat în primul rând pentru că James Watt a reușit să creeze un mecanism pentru transformarea mișcării de translație a unui motor cu abur în rotație. Toate motoarele cu abur care existau înainte puteau produce doar mișcări de translație și puteau fi folosite doar ca pompe. Iar invenția lui Watt putea deja să rotească roata unei mori sau să conducă mașini din fabrică.
37. În 1800, firma lui Watt și însoțitorul său Bolton au produs 496 de motoare cu abur, dintre care doar 164 au fost folosite ca pompe. Și deja în 1810 în Anglia existau 5 mii de mașini cu abur, iar acest număr s-a triplat în următorii 15 ani. În 1790, prima barcă cu abur care transporta până la treizeci de pasageri a început să circule între Philadelphia și Burlington din Statele Unite, iar în 1804 Richard Trevintik a construit prima locomotivă cu abur funcțională. A început epoca mașinilor cu abur, care a durat tot secolul al XIX-lea, și pe calea ferată și prima jumătate a secolului al XX-lea.
38. Acesta a fost un scurt context istoric, acum revenit la obiectul principal al expoziției muzeale. Motorul cu abur pe care îl vedeți în imagini a fost fabricat de Zwikauer Maschinenfabrik AG în 1899 și instalat în sala mașinilor filaturii „C.F.Schmelzer und Sohn”. Motorul cu abur a fost destinat să conducă mașinile de filat și a fost folosit în acest rol până în 1941.
39. Plăcuță de identificare șic. La acea vreme, utilajele industriale erau realizate cu mare atenție aspectului estetic și stilului, nu numai funcționalitatea era importantă, ci și frumusețea, care se reflectă în fiecare detaliu al acestei mașini. La începutul secolului al XX-lea, pur și simplu nimeni nu și-ar fi cumpărat echipamente urâte.
40. Filatura „C.F.Schmelzer und Sohn” a fost fondată în anul 1820 pe locul actualului muzeu. Deja în 1841, în fabrică a fost instalat primul motor cu abur cu o putere de 8 CP. pentru conducerea mașinilor de filat, care în 1899 a fost înlocuită cu una nouă, mai puternică și mai modernă.
41. Fabrica a existat până în 1941, apoi producția a fost oprită din cauza izbucnirii războiului. Pentru toți cei patruzeci și doi de ani, mașina a fost folosită în scopul propus, ca motor pentru mașini de filat, iar după sfârșitul războiului din 1945-1951, a servit ca sursă de rezervă de energie electrică, după care a fost în cele din urmă scris scos din soldul întreprinderii.
42. La fel ca mulți dintre frații ei, mașina ar fi fost tăiată, dacă nu pentru un singur factor. Această mașină a fost primul motor cu abur din Germania, care a primit abur prin țevi de la o boiler situată în depărtare. În plus, avea un sistem de reglare a osiilor de la PROELL. Datorită acestor factori, mașina a primit statutul de monument istoric în 1959 și a devenit muzeu. Din păcate, toate clădirile fabricii și clădirea cazanelor au fost demolate în 1992. Această cameră de mașini este singurul lucru rămas din fosta filătură.
43. Estetica magică a erei aburului!
44. Plăcuță de identificare pe corpul sistemului de reglare a osiilor de la PROELL. Sistemul a reglat întreruperea - cantitatea de abur care este introdusă în cilindru. Mai multă întrerupere - mai multă eficiență, dar mai puțină putere.
45. Instrumente.
46. Din designul său, această mașină este o mașină cu abur cu expansiune multiplă (sau așa cum sunt numite și o mașină compusă). La mașinile de acest tip, aburul se extinde secvențial în mai mulți cilindri cu volum în creștere, trecând de la cilindru la cilindru, ceea ce face posibilă creșterea semnificativă a eficienței motorului. Această mașină are trei cilindri: în centrul cadrului se află un cilindru de înaltă presiune - în el a fost furnizat abur proaspăt din camera cazanului, apoi după ciclul de expansiune, aburul a fost transferat în cilindrul de presiune medie, care este situat în dreapta cilindrului de înaltă presiune.
47. După finalizarea lucrării, aburul din cilindrul de medie presiune s-a mutat în cilindrul de joasă presiune, pe care îl vedeți în această imagine, după care, după ce a finalizat ultima expansiune, a fost eliberat în exterior printr-o conductă separată. Astfel, s-a realizat cea mai completă utilizare a energiei aburului.
48. Puterea staționară a acestei instalații a fost de 400-450 CP, maxim 600 CP.
49. Cheia pentru reparatii si intretinere auto este impresionanta ca dimensiuni. Sub el se află frânghiile, cu ajutorul cărora mișcările de rotație erau transmise de la volantul mașinii la transmisia conectată la mașinile de filat.
50. Estetică impecabilă Belle Époque în fiecare șurub.
51. În această imagine, puteți vedea în detaliu dispozitivul mașinii. Aburul care se extinde în cilindru a transferat energie pistonului, care, la rândul său, a efectuat mișcare de translație, transferându-l mecanismului manivelă-glisor, în care a fost transformat în rotație și transmis la volant și mai departe la transmisie.
52. În trecut, la motorul cu abur era conectat și un generator de curent electric, care se păstrează și în stare originală excelentă.
53. În trecut, generatorul era amplasat în acest loc.
54. Un mecanism pentru transmiterea cuplului de la volant la generator.
55. Acum, în locul generatorului, s-a montat un motor electric, cu ajutorul căruia se pune în mișcare un motor cu abur pentru amuzamentul publicului timp de câteva zile pe an. În fiecare an, muzeul găzduiește „Zilele aburului” – un eveniment care reunește fanii și modelerii motoarelor cu abur. În aceste zile, motorul cu abur este pus în mișcare.
56. Generatorul de curent continuu original este acum pe margine. În trecut, era folosit pentru a genera energie electrică pentru iluminatul fabricii.
57. Produs de „Elektrotechnische & Maschinenfabrik Ernst Walther” din Werdau în 1899, conform plăcuței cu informații, dar anul 1901 este pe plăcuța originală.
58. Întrucât eram singurul vizitator al muzeului în acea zi, nimeni nu m-a împiedicat să mă bucur de estetica acestui loc unul la unu cu mașina. În plus, absența oamenilor a contribuit la obținerea unor fotografii bune.
59. Acum câteva cuvinte despre transmisie. După cum puteți vedea în această imagine, suprafața volantului are 12 caneluri pentru cablu, cu ajutorul cărora mișcarea de rotație a volantului a fost transmisă în continuare elementelor de transmisie.
60. O transmisie, formată din roți de diferite diametre legate prin arbori, distribuia mișcarea de rotație pe mai multe etaje ale unei clădiri de fabrică, pe care se aflau mașini de filat, alimentate de energia transmisă printr-o transmisie de la o mașină cu abur.
61. Volant cu caneluri pentru frânghii de aproape.
62. Aici sunt vizibile clar elementele de transmisie, cu ajutorul cărora cuplul era transmis unui arbore care trecea în subteran și transmitea mișcarea de rotație către clădirea fabricii adiacentă sălii mașinilor, în care se aflau mașinile.
63. Din păcate, clădirea fabricii nu s-a păstrat iar în spatele ușii care dădea spre clădirea învecinată, acum este doar gol.
64. Separat, este de remarcat panoul de comandă electric, care în sine este o operă de artă.
65. Placă de marmură într-un cadru frumos din lemn cu șiruri de pârghii și siguranțe situate pe ea, un felinar de lux, aparate elegante - Belle Époque în toată gloria.
66. Cele două siguranțe uriașe situate între lanternă și instrumente sunt impresionante.
67. Siguranțe, pârghii, regulatoare - toate echipamentele sunt plăcute din punct de vedere estetic. Se poate observa că la crearea acestui scut, aspectul a fost îngrijit nu în ultimul rând.
68. Sub fiecare pârghie și siguranță este un „buton” cu inscripția că această pârghie pornește/oprește.
69. Splendoarea tehnologiei din perioada „epocii frumoase”.
70. La sfârșitul poveștii, să ne întoarcem la mașină și să ne bucurăm de armonia încântătoare și de estetica detaliilor acesteia.
71. Supape de control pentru componentele individuale ale mașinii.
72. Ungetoare cu picurare concepute pentru lubrifierea pieselor și ansamblurilor mobile ale mașinii.
73. Acest dispozitiv se numește gresoare. Din partea în mișcare a mașinii, viermii sunt pusi în mișcare, mișcând pistonul uleiului și pompează ulei pe suprafețele de frecare. După ce pistonul ajunge la punctul mort, acesta este ridicat înapoi prin rotirea mânerului și ciclul se repetă.
74. Ce frumos! Încântare pură!
75. Cilindri de mașină cu coloane de supapă de admisie.
76. Mai multe bidoane de ulei.
77. O estetică steampunk clasică.
78. Arborele cu came al mașinii, care reglează alimentarea cu abur la cilindri.
79.
80.
81. Toate acestea sunt foarte, foarte frumoase! Am primit o mare încărcătură de inspirație și emoții vesele în timp ce vizitam această cameră de mașini.
82. Dacă soarta te aduce brusc în regiunea Zwickau, nu uitați să vizitați acest muzeu, nu veți regreta. Site-ul muzeului și coordonatele: 50°43"58"N 12°22"25"E
Am dat peste un articol interesant pe internet.
"Inventatorul american Robert Green a dezvoltat o tehnologie complet nouă care generează energie cinetică prin conversia energiei reziduale (precum și a altor combustibili). Motoarele cu abur Green sunt întărite cu piston și proiectate pentru o gamă largă de scopuri practice."
Asta e, nimic mai mult, nimic mai puțin: o tehnologie complet nouă. Ei bine, în mod natural a început să privească, încercând să pătrundă. Peste tot e scris unul dintre cele mai unice avantaje ale acestui motor este capacitatea de a genera energie din energia reziduală a motoarelor. Mai precis, energia reziduală de evacuare a motorului poate fi convertită în energie care merge către pompele și sistemele de răcire ale unității. Ei bine, așadar, așa cum am înțeles eu, folosiți gazele de eșapament pentru a aduce apa la fierbere și apoi transformați aburul în mișcare. Cât de necesar și de ieftin este, pentru că... chiar dacă acest motor, după cum se spune, este special conceput dintr-un număr minim de piese, tot costă mult și are rost să îngrădești o grădină, cu atât mai mult fundamental nou în această invenție nu văd . Și o mulțime de mecanisme pentru transformarea mișcării alternative în mișcare de rotație au fost deja inventate. Pe site-ul autorului, un model cu doi cilindri este de vânzare, în principiu, nu scump 
doar 46 de dolari.
Pe site-ul autorului există un videoclip care folosește energia solară, există și o fotografie în care cineva de pe o barcă folosește acest motor. 
Dar în ambele cazuri este clar că nu este căldură reziduală. Pe scurt, mă îndoiesc de fiabilitatea unui astfel de motor: „Rulmenții cu bile sunt în același timp canale goale prin care se furnizează abur către cilindri”. Ce părere aveți, dragi utilizatori ai site-ului?
Articole în limba rusă
Motoarele cu abur erau folosite ca motor de conducere în stațiile de pompare, locomotive, pe nave cu abur, tractoare, mașini cu abur și alte vehicule. Motoarele cu abur au contribuit la utilizarea comercială pe scară largă a mașinilor în întreprinderi și au constituit baza energetică a revoluției industriale din secolul al XVIII-lea. Motoarele cu abur au fost mai târziu înlocuite de motoarele cu ardere internă, turbinele cu abur, motoarele electrice și reactoarele nucleare, care sunt mai eficiente.
Motor cu abur în acțiune
invenție și dezvoltare
Primul dispozitiv cunoscut alimentat cu abur a fost descris de Heron din Alexandria în secolul I, așa-numita „baia stârcului” sau „aeolipil”. Aburul ieșit tangențial din duzele fixate pe bila o făcea pe aceasta din urmă să se rotească. Se presupune că transformarea aburului în mișcare mecanică a fost cunoscută în Egipt în perioada stăpânirii romane și a fost folosită în dispozitive simple.
Primele motoare industriale
Niciunul dintre dispozitivele descrise nu a fost folosit efectiv ca mijloc de rezolvare a problemelor utile. Prima mașină cu abur folosită în producție a fost „mașina de pompieri”, proiectată de inginerul militar englez Thomas Savery în 1698. Savery a primit un brevet pentru dispozitivul său în 1698. Era o pompă de abur alternativă, și evident nu foarte eficientă, deoarece căldura aburului se pierdea de fiecare dată când recipientul era răcit și destul de periculoasă în funcționare, deoarece din cauza presiunii mari a aburului, rezervoarele și conductele motorului uneori a explodat. Deoarece acest dispozitiv putea fi folosit atât pentru a întoarce roțile unei mori de apă, cât și pentru a pompa apa din mine, inventatorul l-a numit „prietenul minerului”.
Atunci fierarul englez Thomas Newcomen și-a demonstrat „motorul atmosferic” în 1712, care a fost primul motor cu abur pentru care ar putea exista cerere comercială. Aceasta a fost o îmbunătățire a motorului cu abur al lui Savery, în care Newcomen a redus substanțial presiunea de funcționare a aburului. Newcomen s-ar fi putut baza pe o descriere a experimentelor lui Papin deținută de Societatea Regală din Londra, la care ar fi putut avea acces prin intermediul unui membru al societății, Robert Hooke, care a lucrat cu Papin.
Diagrama motorului cu abur Newcomen.
– Aburul este afișat în violet, apa în albastru.
– Supapele deschise sunt afișate cu verde, supapele închise cu roșu
Prima aplicare a motorului Newcomen a fost pomparea apei dintr-o mină adâncă. În pompa de mină, balansoarul era conectat la o tijă care cobora în mină până în camera pompei. Mișcările alternative ale împingerii erau transmise pistonului pompei, care furnizează apă în vârf. Supapele motoarelor Newcomen timpurii au fost deschise și închise manual. Prima îmbunătățire a fost automatizarea supapelor, care erau acționate de mașina în sine. Legenda spune că această îmbunătățire a fost făcută în 1713 de băiatul Humphrey Potter, care a trebuit să deschidă și să închidă supapele; când s-a săturat, a legat mânerele supapelor cu frânghii și s-a dus să se joace cu copiii. Până în 1715, a fost deja creat un sistem de control al pârghiei, acționat de mecanismul motorului însuși.
Primul motor cu abur cu vid cu doi cilindri din Rusia a fost proiectat de mecanicul I.I. Polzunov în 1763 și construit în 1764 pentru a antrena burduful suflantei la fabricile Barnaul Kolyvano-Voskresensky.
Humphrey Gainsborough a construit un model de motor cu abur cu condensator în anii 1760. În 1769, mecanicul scoțian James Watt (poate folosind ideile lui Gainsborough) a brevetat primele îmbunătățiri semnificative ale motorului cu vid Newcomen, care l-au făcut mult mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil. Contribuția lui Watt a fost separarea fazei de condensare a motorului cu vid într-o cameră separată, în timp ce pistonul și cilindrul erau la temperatura aburului. Watt a adăugat câteva detalii mai importante motorului Newcomen: a plasat un piston în interiorul cilindrului pentru a evacua aburul și a transformat mișcarea alternativă a pistonului în mișcarea de rotație a roții motoare.
Pe baza acestor brevete, Watt a construit un motor cu abur în Birmingham. Până în 1782, motorul cu abur al lui Watt era de peste 3 ori mai eficient decât cel al lui Newcomen. Îmbunătățirea eficienței motorului Watt a condus la utilizarea energiei aburului în industrie. În plus, spre deosebire de motorul Newcomen, motorul Watt a făcut posibilă transmiterea mișcării de rotație, în timp ce la primele modele de motoare cu abur pistonul era conectat la culbutorul și nu direct la biela. Acest motor avea deja principalele caracteristici ale motoarelor cu abur moderne.
O nouă creștere a eficienței a fost utilizarea aburului de înaltă presiune (americanul Oliver Evans și englezul Richard Trevithick). R. Trevithick a construit cu succes motoare industriale de înaltă presiune într-un singur timp, cunoscute sub numele de „motoare Cornish”. Au funcționat la 50 psi sau 345 kPa (3,405 atmosfere). Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii, a existat și un pericol mai mare de explozie la mașini și cazane, ceea ce a dus inițial la numeroase accidente. Din acest punct de vedere, cel mai important element al mașinii de înaltă presiune a fost supapa de siguranță, care elibera excesul de presiune. Funcționarea fiabilă și sigură a început doar odată cu acumularea de experiență și standardizarea procedurilor de construcție, exploatare și întreținere a echipamentelor.
Inventatorul francez Nicolas-Joseph Cugnot a demonstrat primul vehicul cu abur autopropulsat funcțional în 1769: „fardier à vapeur” (cărucior cu abur). Poate că invenția sa poate fi considerată primul automobil. Tractorul cu abur autopropulsat s-a dovedit a fi foarte util ca sursă mobilă de energie mecanică care punea în mișcare alte mașini agricole: treieratoare, prese, etc. În 1788, un vapor cu aburi construit de John Fitch opera deja un serviciu regulat de-a lungul Râul Delaware între Philadelphia (Pennsylvania) și Burlington (statul New York). A ridicat 30 de pasageri la bord și a mers cu o viteză de 7-8 mile pe oră. Barca cu aburi a lui J. Fitch nu a avut succes comercial, deoarece un drum bun de uscat a concurat cu traseul său. În 1802, inginerul scoțian William Symington a construit un vas cu aburi competitiv, iar în 1807, inginerul american Robert Fulton a folosit un motor cu abur Watt pentru a propulsa primul vas cu aburi de succes comercial. La 21 februarie 1804, prima locomotivă feroviară cu abur autopropulsată, construită de Richard Trevithick, a fost expusă la fabrica Penydarren de la Merthyr Tydfil din Țara Galilor de Sud.
Motoare cu abur alternative
Motoarele alternative folosesc puterea aburului pentru a muta un piston într-o cameră sau cilindru etanș. Acțiunea alternativă a unui piston poate fi transformată mecanic în mișcare liniară pentru pompele cu piston sau în mișcare de rotație pentru a antrena părți rotative ale mașinilor-unelte sau roților vehiculului.
mașini de vid
Motoarele cu abur timpurii au fost numite la început „motoare de pompieri”, și, de asemenea, motoare „atmosferice” sau „condensante” Watt. Au funcționat pe principiul vidului și, prin urmare, sunt cunoscute și sub denumirea de „motoare cu vid”. Astfel de mașini au funcționat pentru a antrena pompe cu piston, în orice caz, nu există dovezi că ar fi fost folosite în alte scopuri. În timpul funcționării unui motor cu abur de tip vid, la începutul ciclului, în camera de lucru sau în cilindru este admis abur de joasă presiune. Supapa de admisie se închide apoi, iar aburul se răcește și se condensează. Într-un motor Newcomen, apa de răcire este pulverizată direct în cilindru, iar condensul scapă într-un colector de condens. Acest lucru creează un vid în cilindru. Presiunea atmosferică din partea superioară a cilindrului apasă pe piston și îl face să se miște în jos, adică cursa de putere.
Răcirea și reîncălzirea constantă a cilindrului de lucru al mașinii a fost foarte risipitoare și ineficientă, cu toate acestea, aceste motoare cu abur au permis pomparea apei de la o adâncime mai mare decât era posibil înainte de apariția lor. În anul a apărut o versiune a motorului cu abur, creată de Watt în colaborare cu Matthew Boulton, a cărei inovație principală a fost eliminarea procesului de condensare într-o cameră separată specială (condensator). Această cameră a fost plasată într-o baie de apă rece și conectată la cilindru printr-un tub închis de o supapă. O pompă specială de vid mică (un prototip de pompă de condens) a fost atașată la camera de condensare, acționată de un culbutor și folosită pentru a îndepărta condensul din condensator. Apa caldă rezultată a fost furnizată de o pompă specială (un prototip al pompei de alimentare) înapoi la cazan. O altă inovație radicală a fost închiderea capătului superior al cilindrului de lucru, în vârful căruia se afla acum abur de joasă presiune. Același abur era prezent și în mantaua dublă a cilindrului, menținându-i temperatura constantă. În timpul mișcării în sus a pistonului, acest abur a fost transferat prin tuburi speciale în partea inferioară a cilindrului pentru a fi condensat în cursa următoare. Mașina, de fapt, a încetat să mai fie „atmosferică”, iar puterea sa depindea acum de diferența de presiune dintre aburul de joasă presiune și vidul care se putea obține. În motorul cu abur Newcomen, pistonul a fost lubrifiat cu o cantitate mică de apă turnată deasupra, în motorul lui Watt acest lucru a devenit imposibil, deoarece acum exista abur în partea superioară a cilindrului, a fost necesar să treceți la lubrifiere cu un amestec de unsoare si ulei. Aceeași unsoare a fost folosită și în presseapa tijei cilindrului.
Motoarele cu abur cu vid, în ciuda limitărilor evidente ale eficienței lor, erau relativ sigure, folosind abur de joasă presiune, ceea ce era destul de în concordanță cu nivelul general scăzut al tehnologiei cazanelor din secolul al XVIII-lea. Puterea mașinii era limitată de presiunea scăzută a aburului, dimensiunea cilindrului, viteza de ardere a combustibilului și evaporarea apei în cazan și dimensiunea condensatorului. Eficiența teoretică maximă a fost limitată de diferența de temperatură relativ mică de ambele părți ale pistonului; aceasta a făcut ca mașinile de vid destinate utilizării industriale să fie prea mari și scumpe.
Comprimare
Orificiul de evacuare al cilindrului unui motor cu abur se închide oarecum înainte ca pistonul să atingă poziția finală, lăsând niște abur de evacuare în cilindru. Aceasta înseamnă că există o fază de compresie în ciclul de lucru, care formează așa-numita „pernă de vapori”, care încetinește mișcarea pistonului în pozițiile sale extreme. De asemenea, elimină căderea bruscă de presiune chiar la începutul fazei de admisie atunci când aburul proaspăt intră în cilindru.
Avans
Efectul de „pernă de vapori” descris este, de asemenea, îmbunătățit de faptul că admisia de abur proaspăt în cilindru începe ceva mai devreme decât pistonul ajunge la poziția sa extremă, adică există un anumit avans al admisiei. Acest avans este necesar pentru ca înainte ca pistonul să-și înceapă cursa de lucru sub acțiunea aburului proaspăt, aburul să aibă timp să umple spațiul mort care a apărut ca urmare a fazei anterioare, adică canalele de admisie-evacuare și volumul cilindrului neutilizat pentru deplasarea pistonului.
simpla extensie
O simplă expansiune presupune că aburul funcționează doar atunci când se extinde în cilindru, iar aburul de evacuare este eliberat direct în atmosferă sau intră într-un condensator special. Căldura reziduală a aburului poate fi apoi utilizată, de exemplu, pentru a încălzi o cameră sau un vehicul, precum și pentru a preîncălzi apa care intră în cazan.
Compus
În timpul procesului de expansiune în cilindrul unei mașini de înaltă presiune, temperatura aburului scade proporțional cu expansiunea acestuia. Deoarece nu există schimb de căldură (proces adiabatic), se dovedește că aburul intră în cilindru la o temperatură mai mare decât iese din el. Astfel de fluctuații de temperatură în cilindru duc la o scădere a eficienței procesului.
Una dintre metodele de a trata această diferență de temperatură a fost propusă în 1804 de inginerul englez Arthur Wolfe, care a brevetat Motor cu abur compus de înaltă presiune Wulff. În această mașină, aburul la temperatură înaltă din cazanul de abur a intrat în cilindrul de înaltă presiune, iar apoi aburul evacuat în acesta la o temperatură și presiune mai scăzute a intrat în cilindrul (sau cilindrii) de joasă presiune. Acest lucru a redus diferența de temperatură în fiecare cilindru, ceea ce a redus în general pierderile de temperatură și a îmbunătățit eficiența generală a motorului cu abur. Aburul de joasă presiune avea un volum mai mare și, prin urmare, necesita un volum mai mare al cilindrului. Prin urmare, la mașinile compuse, cilindrii de joasă presiune aveau un diametru mai mare (și uneori mai lung) decât cilindrii de înaltă presiune.
Acest aranjament este cunoscut și sub denumirea de „expansiune dublă” deoarece expansiunea aburului are loc în două etape. Uneori, un cilindru de înaltă presiune a fost conectat la doi cilindri de joasă presiune, rezultând trei cilindri aproximativ de aceeași dimensiune. O astfel de schemă era mai ușor de echilibrat.
Mașinile de amestecare cu doi cilindri pot fi clasificate astfel:
- Compus încrucișat- Cilindrii sunt amplasați unul lângă altul, canalele lor conducătoare de abur sunt încrucișate.
- Compus tandem- Cilindrii sunt aranjati in serie si folosesc o tija.
- Compus unghiular- Cilindrii sunt înclinați unul față de celălalt, de obicei la 90 de grade, și funcționează pe o manivelă.
După anii 1880, motoarele cu abur compuse s-au răspândit în producție și transport și au devenit practic singurul tip folosit pe bărci cu aburi. Utilizarea lor pe locomotivele cu abur nu a fost atât de răspândită pe cât s-au dovedit a fi prea complexe, parțial din cauza condițiilor dificile de funcționare a motoarelor cu abur în transportul feroviar. Deși locomotivele compuse nu au devenit niciodată un fenomen mainstream (mai ales în Marea Britanie, unde erau foarte rare și nu erau folosite deloc după anii 1930), ele au câștigat o oarecare popularitate în mai multe țări.
Expansiune multiplă
Diagrama simplificată a unui motor cu abur cu triplă expansiune.
Aburul de înaltă presiune (roșu) de la cazan trece prin mașină, lăsând condensatorul la presiune scăzută (albastru).
Dezvoltarea logică a schemei compuse a fost adăugarea de etape suplimentare de expansiune, care au crescut eficiența muncii. Rezultatul a fost o schemă de expansiune multiplă cunoscută sub numele de mașini de expansiune triplă sau chiar cvadruplă. Astfel de motoare cu abur foloseau o serie de cilindri cu dublă acțiune, al căror volum creștea cu fiecare treaptă. Uneori, în loc să se mărească volumul cilindrilor de joasă presiune, se folosea o creștere a numărului acestora, la fel ca la unele mașini compuse.
Imaginea din dreapta arată un motor cu abur cu triplă expansiune în funcțiune. Aburul curge prin mașină de la stânga la dreapta. Blocul de supape al fiecărui cilindru este situat în stânga cilindrului corespunzător.
Aspectul acestui tip de motoare cu abur a devenit deosebit de relevant pentru flotă, deoarece cerințele de dimensiune și greutate pentru motoarele de nave nu erau foarte stricte și, cel mai important, această schemă a făcut ușoară utilizarea unui condensator care returnează aburul de evacuare sub formă de apă proaspătă înapoi la cazan (nu a fost posibil să folosiți apă de mare sărată pentru alimentarea cazanelor). Motoarele cu abur de la sol nu au întâmpinat probleme cu alimentarea cu apă și, prin urmare, ar putea emite abur de evacuare în atmosferă. Prin urmare, o astfel de schemă a fost mai puțin relevantă pentru ei, mai ales având în vedere complexitatea, dimensiunea și greutatea sa. Dominația motoarelor cu abur cu expansiune multiplă sa încheiat doar odată cu apariția și utilizarea pe scară largă a turbinelor cu abur. Cu toate acestea, turbinele moderne cu abur folosesc același principiu de împărțire a fluxului în cilindri de înaltă, medie și joasă presiune.
Motoare cu abur cu flux direct
Motoarele cu abur care au o singură trecere au apărut ca urmare a încercării de a depăși un dezavantaj inerent motoarelor cu abur cu distribuție tradițională a aburului. Faptul este că aburul dintr-un motor obișnuit cu abur își schimbă în mod constant direcția de mișcare, deoarece aceeași fereastră de fiecare parte a cilindrului este utilizată atât pentru intrarea, cât și pentru evacuarea aburului. Când aburul de evacuare părăsește cilindrul, acesta își răcește pereții și canalele de distribuție a aburului. Aburul proaspăt, în consecință, cheltuiește o anumită parte din energie pentru încălzirea lor, ceea ce duce la o scădere a eficienței. Motoarele cu abur cu trecere odată au un orificiu suplimentar, care este deschis de un piston la sfârșitul fiecărei faze și prin care aburul părăsește cilindrul. Acest lucru îmbunătățește eficiența mașinii pe măsură ce aburul se mișcă într-o direcție și gradientul de temperatură al pereților cilindrului rămâne mai mult sau mai puțin constant. Mașinile cu o singură expansiune prezintă aproximativ aceeași eficiență ca și mașinile compuse cu distribuție convențională a aburului. În plus, ele pot funcționa la viteze mai mari și, prin urmare, înainte de apariția turbinelor cu abur, acestea erau adesea folosite pentru a antrena generatoare de energie care necesită viteze mari de rotație.
Motoarele cu abur cu o singură trecere sunt fie cu acțiune simplă, fie cu dublă acțiune.
Turbine cu abur
O turbină cu abur este o serie de discuri rotative fixate pe o singură axă, numită rotorul turbinei, și o serie de discuri fixe alternând cu acestea, fixate pe o bază, numită stator. Discurile rotorului au palete pe partea exterioară, aceste palete furnizează abur și rotește discurile. Discurile statorice au palete similare așezate în unghiuri opuse, care servesc la redirecționarea fluxului de abur către următoarele discuri rotoare. Fiecare disc rotor și discul stator corespunzător se numesc treaptă de turbină. Numărul și dimensiunea treptelor fiecărei turbine sunt selectate astfel încât să maximizeze energia utilă a aburului cu viteza și presiunea care îi este furnizată. Aburul de evacuare care iese din turbină intră în condensator. Turbinele se învârt la viteze foarte mari și, prin urmare, transmisiile speciale de reducere sunt utilizate în mod obișnuit atunci când se transferă puterea către alte echipamente. În plus, turbinele nu își pot schimba direcția de rotație și necesită adesea mecanisme inverse suplimentare (uneori sunt utilizate etape suplimentare de rotație inversă).
Turbinele transformă energia aburului direct în rotație și nu necesită mecanisme suplimentare pentru transformarea mișcării alternative în rotație. În plus, turbinele sunt mai compacte decât mașinile cu piston și au o forță constantă asupra arborelui de ieșire. Deoarece turbinele au un design mai simplu, tind să necesite mai puțină întreținere.
Alte tipuri de motoare cu abur
Aplicație
Motoarele cu abur pot fi clasificate în funcție de aplicația lor, după cum urmează:
Mașini staționare
ciocan de abur
Motor cu abur într-o veche fabrică de zahăr, Cuba
Motoarele cu abur staționare pot fi împărțite în două tipuri în funcție de modul de utilizare:
- Mașini cu sarcini variabile, cum ar fi laminoare, troliuri cu abur și dispozitive similare care trebuie să se oprească și să schimbe direcția frecvent.
- Mașini de putere care se opresc rar și nu trebuie să schimbe sensul de rotație. Acestea includ motoarele electrice din centralele electrice, precum și motoarele industriale utilizate în fabrici, fabrici și căi ferate pe cablu înainte de utilizarea pe scară largă a tracțiunii electrice. Motoarele de putere redusă sunt utilizate în modelele marine și în dispozitivele speciale.
Troliul cu abur este în esență un motor staționar, dar montat pe un cadru de bază, astfel încât să poată fi mutat. Poate fi fixat cu un cablu de ancoră și mutat prin propria sa forță într-o nouă locație.
Vehicule de transport
Motoarele cu abur au fost folosite pentru a alimenta diferite tipuri de vehicule, printre care:
- Vehicule terestre:
- mașină cu aburi
- tractor cu abur
- Excavator cu abur și chiar
- Avion cu abur.
În Rusia, prima locomotivă cu abur funcțională a fost construită de E. A. și M. E. Cherepanov la uzina Nijni Tagil în 1834 pentru a transporta minereu. A dezvoltat o viteză de 13 mile pe oră și a transportat peste 200 de lire sterline (3,2 tone) de marfă. Lungimea primei căi ferate a fost de 850 m.
Avantajele motoarelor cu abur
Principalul avantaj al motoarelor cu abur este că pot folosi aproape orice sursă de căldură pentru a o transforma în lucru mecanic. Acest lucru le diferențiază de motoarele cu ardere internă, fiecare tip necesită utilizarea unui anumit tip de combustibil. Acest avantaj este cel mai vizibil atunci când se utilizează energia nucleară, deoarece un reactor nuclear nu este capabil să genereze energie mecanică, ci doar produce căldură, care este folosită pentru a genera abur care antrenează motoarele cu abur (de obicei turbine cu abur). În plus, există și alte surse de căldură care nu pot fi utilizate în motoarele cu ardere internă, cum ar fi energia solară. O direcție interesantă este utilizarea energiei diferenței de temperatură a Oceanului Mondial la diferite adâncimi.
Alte tipuri de motoare cu ardere externă au, de asemenea, proprietăți similare, precum motorul Stirling, care poate oferi o eficiență foarte mare, dar sunt semnificativ mai mari și mai grele decât tipurile moderne de motoare cu abur.
Locomotivele cu abur funcționează bine la altitudini mari, deoarece eficiența lor nu scade din cauza presiunii atmosferice scăzute. Locomotivele cu abur sunt încă folosite în regiunile muntoase din America Latină, în ciuda faptului că în zonele joase au fost de mult înlocuite cu tipuri mai moderne de locomotive.
În Elveția (Brienz Rothhorn) și Austria (Schafberg Bahn), noile locomotive cu abur care utilizează abur uscat și-au dovedit valoarea. Acest tip de locomotivă cu abur a fost dezvoltat pe baza modelelor Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), cu multe îmbunătățiri moderne, cum ar fi utilizarea rulmenților cu role, izolarea termică modernă, arderea fracțiunilor de ulei ușor ca combustibil, conductele de abur îmbunătățite etc. . Drept urmare, aceste locomotive au un consum de combustibil cu 60% mai mic și cerințe de întreținere semnificativ mai mici. Calitățile economice ale unor astfel de locomotive sunt comparabile cu cele moderne diesel și electrice.
În plus, locomotivele cu abur sunt semnificativ mai ușoare decât locomotivele diesel și electrice, ceea ce este valabil mai ales pentru căile ferate montane. O caracteristică a motoarelor cu abur este că nu au nevoie de o transmisie, transferând puterea direct la roți.
Eficienţă
Coeficientul de performanță (COP) al unui motor termic poate fi definit ca raportul dintre munca mecanică utilă și cantitatea de căldură consumată conținută în combustibil. Restul energiei este eliberată în mediu sub formă de căldură. Eficiența motorului termic este
Trăiesc din cărbune și apă și încă mai am suficientă energie pentru a merge cu 100 de mile pe oră! Este exact ceea ce poate face o locomotivă cu abur. Deși acești dinozauri mecanici giganți sunt acum dispăruți pe majoritatea căilor ferate ale lumii, tehnologia cu abur trăiește în inimile oamenilor, iar locomotive ca aceasta încă servesc drept atracții turistice pe multe căi ferate istorice.
Primele motoare moderne cu abur au fost inventate în Anglia la începutul secolului al XVIII-lea și au marcat începutul revoluției industriale.
Astăzi ne întoarcem din nou la energia aburului. Datorită caracteristicilor de proiectare, în timpul procesului de ardere, un motor cu abur produce mai puțină poluare decât un motor cu ardere internă. Urmăriți acest videoclip pentru a vedea cum funcționează.
Ce a alimentat vechiul motor cu abur?
Este nevoie de energie pentru a face absolut orice îți poți gândi: să faci skateboarding, să zbori cu avionul, să faci cumpărături sau să conduci pe stradă. Cea mai mare parte a energiei pe care o folosim astăzi pentru transport provine din petrol, dar nu a fost întotdeauna cazul. Până la începutul secolului al XX-lea, cărbunele a fost combustibilul preferat din lume și a alimentat orice, de la trenuri și nave până la nenorocita aeronava cu abur inventată de omul de știință american Samuel P. Langley, un concurent timpuriu al fraților Wright. Ce este atât de special la cărbune? Există o mulțime de el în interiorul Pământului, așa că a fost relativ ieftin și disponibil pe scară largă.
Cărbunele este o substanță chimică organică, ceea ce înseamnă că se bazează pe elementul carbon. Cărbunele se formează de-a lungul a milioane de ani când rămășițele plantelor moarte sunt îngropate sub pietre, comprimate sub presiune și fierte de căldura internă a Pământului. De aceea se numește combustibil fosil. Bucuri de cărbune sunt într-adevăr bucăți de energie. Carbonul din interiorul lor este legat de atomii de hidrogen și oxigen prin compuși numiți legături chimice. Când ardem cărbunele pe foc, legăturile se rup și energia este eliberată sub formă de căldură.
Cărbunele conține aproximativ jumătate din energie pe kilogram decât combustibilii fosili mai curați, cum ar fi benzina, motorina și kerosenul - și acesta este unul dintre motivele pentru care motoarele cu abur trebuie să ardă atât de mult.
Sunt motoarele cu abur pregătite pentru o revenire epică?
Pe vremuri, motorul cu abur domina - mai întâi în trenuri și tractoare grele, după cum știți, dar în cele din urmă în mașini. Este greu de înțeles astăzi, dar la începutul secolului al XX-lea, mai mult de jumătate dintre mașinile din SUA erau alimentate cu abur. Motorul cu abur a fost atât de îmbunătățit încât în 1906 un motor cu abur numit Stanley Rocket a deținut chiar și recordul de viteză pe uscat - o viteză nesăbuită de 127 de mile pe oră!
Acum, ați putea crede că motorul cu abur a avut succes doar pentru că motoarele cu combustie internă (ICE) nu existau încă, dar de fapt, motoarele cu abur și mașinile ICE au fost dezvoltate în același timp. Deoarece inginerii aveau deja 100 de ani de experiență cu motoarele cu abur, mașina cu abur avea un avans destul de mare. În timp ce motoarele cu manivelă manuală spargeau mâinile operatorilor nefericiți, până în 1900 motoarele cu abur erau deja complet automatizate - și fără ambreiaj sau cutie de viteze (aburul asigură o presiune constantă, spre deosebire de cursa pistonului unui motor cu ardere internă), foarte ușor de operat. Singurul avertisment este că a trebuit să așteptați câteva minute pentru ca boilerul să se încălzească.
Cu toate acestea, în câțiva ani, Henry Ford va veni și va schimba totul. Deși motorul cu abur era superior din punct de vedere tehnic față de motorul cu ardere internă, nu putea egala prețul Ford-urilor de producție. Producătorii de mașini cu abur au încercat să schimbe vitezele și să-și vândă mașinile ca produse premium, de lux, dar până în 1918 Ford Model T era de șase ori mai ieftin decât Steanley Steamer (cea mai populară mașină cu abur la acea vreme). Odată cu apariția motorului electric de pornire în 1912 și îmbunătățirea constantă a eficienței motorului cu ardere internă, nu a trecut mult până când motorul cu abur a dispărut de pe drumurile noastre.
Sub presiune
În ultimii 90 de ani, motoarele cu abur au rămas pe cale de dispariție, iar fiarele uriașe au apărut la expozițiile de mașini de epocă, dar nu cu mult. În liniște, totuși, în fundal, cercetarea a avansat în liniște, parțial din cauza dependenței noastre de turbinele cu abur pentru generarea de energie și, de asemenea, pentru că unii oameni cred că motoarele cu abur pot de fapt depăși motoarele cu ardere internă.
ICE-urile au dezavantaje intrinseci: necesită combustibili fosili, produc multă poluare și sunt zgomotoase. Motoarele cu abur, pe de altă parte, sunt foarte silențioase, foarte curate și pot folosi aproape orice combustibil. Motoarele cu abur, datorită presiunii constante, nu necesită angrenaj - obțineți cuplu maxim și accelerație instantaneu, în repaus. Pentru conducerea în oraș, unde oprirea și pornirea consumă cantități uriașe de combustibili fosili, puterea continuă a motoarelor cu abur poate fi foarte interesantă.
Tehnologia a parcurs un drum lung și din anii 1920 - în primul rând, suntem acum maeștri materiale. Motoarele cu abur originale aveau nevoie de cazane uriașe și grele pentru a rezista la căldură și presiune și, ca urmare, chiar și motoarele cu abur mici cântăreau câteva tone. Cu materiale moderne, motoarele cu abur pot fi la fel de ușoare ca verii lor. Introduceți un condensator modern și un fel de boiler cu evaporare și puteți construi un motor cu abur cu eficiență decentă și timpi de încălzire care sunt măsurați în secunde și nu în minute.
În ultimii ani, aceste realizări s-au combinat în unele evoluții interesante. În 2009, o echipă britanică a stabilit un nou record de viteză a vântului alimentat cu abur de 148 mph, doborând în cele din urmă recordul rachetei Stanley, care stătuse de peste 100 de ani. În anii 1990, o divizie de cercetare și dezvoltare Volkswagen numită Enginion a susținut că a construit un motor cu abur care era comparabil ca eficiență cu un motor cu ardere internă, dar cu emisii mai mici. În ultimii ani, Cyclone Technologies susține că a dezvoltat un motor cu abur care este de două ori mai eficient decât un motor cu ardere internă. Până în prezent, însă, niciun motor nu și-a găsit drumul într-un vehicul comercial.
Mergând înainte, este puțin probabil ca motoarele cu abur să iasă vreodată de pe motorul cu ardere internă, fie și doar din cauza impulsului uriaș al Big Oil. Cu toate acestea, într-o zi, când în sfârșit decidem să aruncăm o privire serioasă asupra viitorului transportului personal, poate că grația liniștită, verde și glisantă a energiei aburului va avea o a doua șansă.
Motoarele cu abur ale vremurilor noastre
Tehnologie.
energie inovatoare. NanoFlowcell® este în prezent cel mai inovator și mai puternic sistem de stocare a energiei pentru aplicații mobile și staționare. Spre deosebire de bateriile convenționale, nanoFlowcell® este alimentat de electroliți lichizi (bi-ION) care pot fi depozitați departe de celulă în sine. Evacuarea unei mașini cu această tehnologie este vapori de apă.
La fel ca o celulă de flux convențională, fluidele electrolitice încărcate pozitiv și negativ sunt stocate separat în două rezervoare și, la fel ca o celulă de flux convențională sau celula de combustibil, sunt pompate prin traductor (elementul real al sistemului nanoFlowcell) în circuite separate.
Aici, cele două circuite electrolitice sunt separate doar de o membrană permeabilă. Schimbul de ioni are loc de îndată ce soluțiile de electroliți pozitive și negative trec una prin alta pe ambele părți ale membranei convertor. Aceasta transformă energia chimică legată de biion în electricitate, care este apoi direct disponibilă consumatorilor de energie electrică.
La fel ca vehiculele cu hidrogen, „eșapamentul” produs de vehiculele electrice nanoFlowcell este vapori de apă. Dar sunt emisiile de vapori de apă de la viitoarele vehicule electrice ecologice?
Criticii mobilității electrice pun din ce în ce mai mult sub semnul întrebării compatibilitatea cu mediul și sustenabilitatea surselor alternative de energie. Pentru mulți, vehiculele electrice reprezintă un compromis mediocru între conducerea cu emisii zero și tehnologia dăunătoare mediului. Bateriile obișnuite cu litiu-ion sau hidrură metalică nu sunt nici sustenabile, nici prietenoase cu mediul – nu trebuie fabricate, folosite sau reciclate, chiar dacă reclamele sugerează „e-mobility” pură.
NanoFlowcell Holdings este, de asemenea, întrebat frecvent despre durabilitatea și compatibilitatea cu mediul înconjurător a tehnologiei nanoFlowcell și a electroliților biionici. Atât nanoFlowcell în sine, cât și soluțiile de electroliți bi-ION necesare pentru alimentarea acestuia sunt produse într-un mod prietenos cu mediul din materii prime ecologice. În timpul funcționării, tehnologia nanoFlowcell este complet non-toxică și nu dăunează în niciun fel sănătății. Bi-ION, care constă dintr-o soluție apoasă cu conținut scăzut de sare (săruri organice și minerale dizolvate în apă) și purtători de energie reali (electroliți), este, de asemenea, ecologic atunci când este utilizat și reciclat.
Cum funcționează unitatea nanoFlowcell într-o mașină electrică? Similar cu o mașină pe benzină, soluția de electrolit este consumată într-un vehicul electric cu o celulă de nanoflux. În interiorul nanobrațului (celula de flux reală), o soluție de electrolit încărcată pozitiv și una negativ este pompată peste membrana celulei. Reacția – schimbul de ioni – are loc între soluțiile electrolitice încărcate pozitiv și negativ. Astfel, energia chimică conținută în bi-ioni este eliberată sub formă de electricitate, care este apoi folosită pentru a antrena motoare electrice. Acest lucru se întâmplă atâta timp cât electroliții sunt pompați peste membrană și reacționează. În cazul unui drive QUANTiNO cu nanoflowcell, un rezervor de lichid electrolit este suficient pentru mai mult de 1000 de kilometri. După golire rezervorul trebuie reumplut.
Ce fel de „deșeuri” sunt generate de un vehicul electric cu nanoflowcell? Într-un vehicul convențional cu motor cu ardere internă, arderea combustibililor fosili (benzină sau motorină) produce gaze de eșapament periculoase - în principal dioxid de carbon, oxizi de azot și dioxid de sulf - a căror acumulare a fost identificată de mulți cercetători drept cauza schimbărilor climatice. Schimbare. Cu toate acestea, singurele emisii emise de vehiculul nanoFlowcell în timpul conducerii sunt - aproape ca un vehicul alimentat cu hidrogen - aproape în întregime apă.
După ce schimbul de ioni a avut loc în nanocelulă, compoziția chimică a soluției de electrolit bi-ION a rămas practic neschimbată. Nu mai este reactiv și astfel este considerat „cheltuit” deoarece nu poate fi reîncărcat. Prin urmare, pentru aplicațiile mobile ale tehnologiei nanoFlowcell, cum ar fi vehiculele electrice, a fost luată decizia de a vaporiza microscopic și a elibera electrolitul dizolvat în timp ce vehiculul este în mișcare. La viteze de peste 80 km/h, recipientul cu lichid electrolitic rezidual este golit prin duze de pulverizare extrem de fine, folosind un generator acţionat de energia de antrenare. Electroliții și sărurile sunt prefiltrate mecanic. Eliberarea de apă purificată în prezent sub formă de vapori de apă rece (ceață microfină) este pe deplin compatibilă cu mediul. Se schimbă filtrul la aproximativ 10 g.
Avantajul acestei soluții tehnice este că rezervorul vehiculului este golit în timpul condusului normal și poate fi umplut ușor și rapid fără a fi nevoie de pompare.
O soluție alternativă, care este ceva mai complexă, este să colectezi soluția de electrolit uzată într-un rezervor separat și să o trimiți spre reciclare. Această soluție este destinată aplicațiilor nanoFlowcell staționare similare.
Cu toate acestea, mulți critici sugerează acum că tipul de vapori de apă care este eliberat din conversia hidrogenului în celulele de combustie sau din evaporarea fluidului electrolitic în cazul unui nanotub este, teoretic, un gaz cu efect de seră care ar putea avea un impact asupra schimbărilor climatice. Cum apar astfel de zvonuri?
Ne uităm la emisiile de vapori de apă în ceea ce privește semnificația lor pentru mediu și ne întrebăm cât de mult mai mulți vapori de apă pot fi așteptați de la utilizarea pe scară largă a vehiculelor cu celule nanoflux în comparație cu tehnologiile tradiționale de propulsie și dacă aceste emisii de H 2 O ar putea avea impact negativ asupra mediului.
Cele mai importante gaze naturale cu efect de seră - împreună cu CH 4 , O 3 și N 2 O - vaporii de apă și CO 2 , dioxidul de carbon și vaporii de apă sunt incredibil de importante pentru menținerea climei globale. Radiația solară care ajunge pe pământ este absorbită și încălzește pământul, care la rândul său radiază căldură în atmosferă. Cu toate acestea, cea mai mare parte a acestei călduri radiate scapă înapoi în spațiu din atmosfera Pământului. Dioxidul de carbon și vaporii de apă au proprietățile gazelor cu efect de seră, formând un „strat protector” care împiedică toată căldura radiantă să scape înapoi în spațiu. Într-un context natural, acest efect de seră este esențial pentru supraviețuirea noastră pe Pământ – fără dioxid de carbon și vapori de apă, atmosfera Pământului ar fi ostilă vieții.
Efectul de seră devine problematic doar atunci când intervenția umană imprevizibilă perturbă ciclul natural. Atunci când, pe lângă gazele naturale cu efect de seră, oamenii provoacă o concentrație mai mare de gaze cu efect de seră în atmosferă prin arderea combustibililor fosili, aceasta crește încălzirea atmosferei Pământului.
Ca parte a biosferei, oamenii afectează în mod inevitabil mediul și, prin urmare, sistemul climatic, prin însăși existența lor. Creșterea constantă a populației Pământului după epoca de piatră și înființarea de așezări în urmă cu câteva mii de ani, asociată cu trecerea de la viața nomade la agricultură și creșterea animalelor, a afectat deja clima. Aproape jumătate din pădurile și pădurile originale ale lumii au fost defrișate în scopuri agricole. Pădurile – alături de oceane – sunt principalul producător de vapori de apă.
Vaporii de apă sunt principalul absorbant al radiațiilor termice din atmosferă. Vaporii de apă reprezintă în medie 0,3% din masa atmosferei, dioxidul de carbon doar 0,038%, ceea ce înseamnă că vaporii de apă reprezintă 80% din masa gazelor cu efect de seră din atmosferă (aproximativ 90% din volum) și, ținând cont de la 36 la 66% este cel mai important gaz cu efect de seră care ne asigură existența pe pământ.
Tabelul 3: Ponderea atmosferică a celor mai importante gaze cu efect de seră și ponderea absolută și relativă a creșterii temperaturii (Zittel)