Scheme ale motoarelor moderne cu abur. Istoria creării motorului cu abur și aplicarea acestuia

Trăiesc doar din cărbune și apă și încă mai am suficientă energie pentru a merge cu 100 mph! 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 designului său, un motor cu abur produce mai puțină poluare în timpul arderii decât un motor cu ardere internă. În această postare video, vedeți cum funcționează.

Care era puterea vechiului motor cu abur?

Este nevoie de energie pentru a face absolut orice vă puteți gândi: mergeți cu skateboardingul, pilotați un avion, mergeți la magazine sau conduceți 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 nefastele avioane cu abur inventate de omul de știință american Samuel P. Langley, un rival timpuriu al fraților Wright. Ce este atât de special la cărbune? Există o mulțime de ei 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 roci, comprimate sub presiune și fierte sub influența căldurii interne a Pământului. De aceea se numește combustibili fosili. Bucuri de cărbune sunt într-adevăr bucăți de energie. Carbonul din interiorul lor este legat de atomii de hidrogen și oxigen în compuși numiți legături chimice. Când ardem cărbunele pe foc, legăturile se descompun și energia este eliberată sub formă de căldură.

Cărbunele conține aproximativ jumătate din energia pe kilogram de combustibili 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, mașina cu abur domina - mai întâi în trenuri și tractoare grele, după cum știți, dar în cele din urmă și în mașini. Este greu de înțeles astăzi, dar la începutul secolului al XX-lea, mai mult de jumătate dintre mașinile din Statele Unite erau alimentate cu abur. Motorul cu abur a fost atât de rafinat încât, în 1906, o mașină cu abur numită Stanley Rocket a deținut chiar și un record pentru viteza pe pământ - o viteză amețitoare de 127 de mile pe oră!

Acum, ați putea crede că motorul cu abur a fost un 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 a avut un început destul de mare. În timp ce arborii cotit manuali storceau 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 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 scurti, 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 își comercializeze mașinile ca produse premium, de lux, dar până în 1918 Ford Model T era de șase ori mai ieftin decât Steanley Steamer (cel mai popular motor cu abur la acea vreme). Odată cu apariția motorului electric de pornire în 1912 și creșterea constantă a eficienței motorului cu ardere internă, a trecut foarte puțin timp până când motorul cu abur a dispărut de pe drumurile noastre.

Sub presiune

În ultimii 90 de ani, motoarele cu abur au rămas în pragul dispariției, iar fiarele uriașe au apărut la expozițiile de mașini de epocă, dar nu prea multe. În liniște, totuși, în fundal, cercetarea a avansat în liniște - în parte din cauza dependenței noastre de turbinele cu abur pentru a genera electricitate și, de asemenea, pentru că unii oameni cred că motoarele cu abur pot depăși de fapt motoarele cu ardere internă.

ICE-urile au dezavantaje inerente: necesită combustibili fosili, generează 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 cuplare - 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 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 evaporator și puteți construi un motor cu abur cu eficiență decentă și timpi de încălzire în câteva secunde, nu minute.

În ultimii ani, aceste progrese s-au combinat în unele evoluții interesante. În 2009, echipa 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 a rezistat de peste 100 de ani. În anii 1990, divizia de cercetare și dezvoltare a Volkswagen, Enginion, a declarat că a construit un motor cu abur care era la fel de eficient ca 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 coboare vreodată dintr-un motor cu ardere internă, fie și doar din cauza impulsului imens al Big Oil. Cu toate acestea, într-o zi când ne hotărâm în sfârșit 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 o celulă de combustibil, sunt pompate printr-un convertor (nanoFlowcell real) 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 pozitivi și negativi trec unul cu celălalt 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 nanoFlowcell EV 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, mașinile electrice sunt un compromis mediocru între conducerea cu emisii zero și tehnologia ecologică. Bateriile convenționale cu litiu-ion sau hidrură metalică nu sunt nici sustenabile, nici compatibile cu mediul – nu sunt în producție, în utilizare sau în reciclare, chiar dacă publicitatea sugerează „e-mobilitate” 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 ecologic, 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 ușor salină (săruri organice și minerale dizolvate în apă) și purtători de energie reali (electroliți), este, de asemenea, sigur pentru mediu atunci când este utilizat și reciclat.

Cum funcționează unitatea nanoFlowcell într-un vehicul electric? Similar cu o mașină pe benzină, soluția de electroliți este consumată într-un vehicul electric cu celulă nanoflux. În interiorul robinetului nano (celula de flux reală), o soluție de electrolit încărcată pozitiv și una negativ este pompată prin 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 prin membrană și reacționează. În cazul drive-ului QUANTiNO nanoflowcell, un rezervor de electrolit este suficient pentru peste 1000 de kilometri. După golire, rezervorul trebuie completat.

Ce „deșeuri” sunt generate de un vehicul electric cu nanoflux? 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 - care au fost identificate de mulți cercetători ca fiind o cauză a schimbărilor climatice. Schimbare. Cu toate acestea, singurele emisii de la un vehicul nanoFlowcell în timpul conducerii sunt - aproape ca un vehicul cu hidrogen - alcătuite aproape în întregime din 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 se evapora microscopic și a elibera electrolitul dizolvat în timp ce vehiculul este în mișcare. Peste 80 km/h, recipientul pentru deșeuri electrolitice este golit prin duze de pulverizare extrem de fine, folosind un generator acţionat de energie de antrenare. Electroliții și sărurile sunt filtrate mecanic în prealabil. Eliberarea de apă purificată în prezent sub formă de vapori de apă rece (ceață microfină) este pe deplin compatibilă cu mediul înconjurător. Filtrul se schimbă cu aproximativ 10 g.

Avantajul acestei soluții tehnice este că rezervorul vehiculului este golit în timpul conducerii normale 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 concepută pentru astfel de aplicații staționare nanoFlowcell.

Cu toate acestea, mulți critici sugerează acum că tipul de vapori de apă, care este eliberat în timpul conversiei hidrogenului în celulele de combustie sau ca urmare a evaporării lichidului electrolitic în cazul nanoeliminării, este teoretic un gaz cu efect de seră care ar putea avea un impact asupra schimbărilor climatice. Cum apar aceste zvonuri?

Ne uităm la emisiile de vapori de apă din punct de vedere al relevanței 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 un impact negativ asupra mediului.

Cele mai importante gaze naturale cu efect de seră - alături de CH 4, O 3 și N 2 O - sunt vaporii de apă și CO 2. Dioxidul de carbon și vaporii de apă sunt incredibil de importanți în 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 din această căldură radiată este evacuată 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 radiată 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 concentrații mai mari de gaze cu efect de seră în atmosferă prin arderea combustibililor fosili, aceasta crește încălzirea atmosferei terestre.

Fiind parte a biosferei, oamenii afectează inevitabil mediul și, prin urmare, sistemul climatic, prin însăși existența lor. Creșterea constantă a populației Pământului după epoca de piatră și crearea de așezări în urmă cu câteva mii de ani, asociată cu trecerea de la viața nomade la agricultură și creșterea animalelor, a influențat deja clima. Aproape jumătate din pădurile și pădurile originale ale lumii au fost defrișate în scopuri agricole. Pădurile sunt – alături de oceane – un producător major 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 pentru existența noastră pe pământ.

Tabelul 3: Ponderea atmosferică a celor mai importante gaze cu efect de seră, precum și ponderea absolută și relativă a creșterii temperaturii (Zittel)

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 umanitatea să obțină maximum de beneficii de pe urma ei?

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, fabricile trebuiau construite de-a lungul malurilor râurilor, ceea ce nu este întotdeauna convenabil și oportun. Și eficiența ambelor a fost extrem de scăzută. Aveam nevoie de un motor fundamental nou, ușor de gestionat și lipsit de aceste dezavantaje.

Istoria invenției și îmbunătățirii motoarelor cu abur

Crearea unui motor cu abur este rezultatul unei lungi deliberări, succesului și eșecului sperantelor multor oameni de știință.

Începutul drumului

Primele proiecte unice au fost doar curiozități interesante. De exemplu, Arhimede a proiectat un tun cu abur, Stârcul Alexandriei a folosit energia aburului pentru a deschide ușile templelor antice. Iar cercetătorii găsesc note despre utilizarea practică a energiei aburului pentru activarea altor mecanisme în lucru Leonardo da Vinci.

Să luăm în considerare cele mai semnificative proiecte pe această temă.

În secolul al XVI-lea, inginerul arab Tagi al-Din a dezvoltat un proiect pentru o turbină cu abur primitivă. Cu toate acestea, nu a primit aplicare practică din cauza împrăștierii 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, s-a oprit 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. Acesta a fost fixat la punctul superior de ridicare și era de așteptat ca cilindrul să se răcească și să se condenseze aburul. După condensarea aburului în cilindru, s-a format un vid. Pistonul, eliberat de prindere, a fost aruncat în vid sub influența presiunii atmosferice. Această cădere a pistonului trebuia 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 Papen la fel ca majoritatea proiectelor ulterioare au fost numite mașini abur-atmosferice.

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 drept inventatorul 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 piatră de hotar 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. A repetat în mare măsură modelele anterioare, dar conținea inovații foarte importante - o țeavă pentru îndepărtarea aburului condensat și o supapă de siguranță pentru eliberarea excesului de abur.

Dezavantajul său semnificativ era că cilindrul trebuia încălzit înainte de injectarea aburului, apoi răcit înainte de condens. Dar cererea pentru astfel de motoare a fost atât de mare încât, în ciuda ineficienței lor evidente, ultimele copii ale acestor mașini au servit până în 1930.

În 1765 mecanic englez James Watt, preluând îmbunătățirea mașinii Newcomen, a separat condensatorul de cilindrul de abur.

Acum este posibil să mențineți 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 sau cealaltă.

A devenit posibilă utilizarea acestei mașini nu numai ca pompă, ci și pentru acționarea diferitelor 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, mai mult de 320 de wați erau în funcțiune în Anglia. Alte țări europene au început să le cumpere și ele. Acest lucru a contribuit la o creștere semnificativă a producției industriale în multe sectoare atât din Anglia însăși, cât și din țările vecine.

Cu douăzeci de ani mai devreme, Watt, în Rusia, un mecanic din Altai Ivan Ivanovich Polzunov lucra la un proiect de mașină cu abur.

Sefii fabricii i-au cerut sa construiasca o unitate care sa actioneze 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 se scurgă. În acel moment, Polzunov însuși nu mai era în viață. Nu au reparat mașina. Și minunata creație a unui singur inventator rus a fost uitată.

Din cauza înapoierii Rusiei la acea vreme lumea a aflat despre invenția lui II 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 transmisă altor 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:

• o mașină cu motor cu abur apare în Franța;
• în Statele Unite, un vapor cu aburi începe să circule între orașele Philadelphia și Burlington;
• o locomotivă feroviară cu abur a fost demonstrată în Anglia;
• un țăran rus din provincia Saratov a brevetat un tractor pe șenile de 20 CP pe care l-a construit. cu.;
• S-au încercat în mod repetat construirea unei aeronave cu motor cu abur, dar, din păcate, puterea redusă a acestor unități cu greutatea mare a aeronavei a făcut ca aceste încercări să fie fără succes.

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, motoarele cu abur, după ce și-au jucat rolul în progresul tehnologic al societății, dau loc motoarelor electrice.

Dispozitivele cu abur în secolul 21

Odată cu apariția noilor surse de energie în secolele 20 și 21, apare din nou necesitatea utilizării energiei 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 fac experimente pentru a obține abur din energia solară.

Nici motoarele cu abur alternative nu au fost uitate. În munții ca o 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 - lemnul și cărbunele ieftin sunt întotdeauna la îndemână.

Tehnologiile moderne fac posibilă captarea a până la 95% din emisiile atmosferice și creșterea eficienței la 21%, așa că oamenii au decis să nu se despartă de ele deocamdată și lucrează la o nouă generație de locomotive cu abur.

Dacă acest mesaj vă este util, mă bucur să vă văd.

Un motor cu abur este un motor termic în care energia potențială a aburului în expansiune este convertită în energie mecanică dată consumatorului.

Să ne familiarizăm cu principiul de funcționare al mașinii folosind diagrama simplificată din Fig. 1.

În interiorul cilindrului 2 există un piston 10, care se poate mișca înainte și înapoi sub presiunea aburului; cilindrul are patru canale care pot fi deschise și închise. Două conducte superioare de alimentare cu abur1 și3 conectate printr-o conductă la cazanul de abur, iar prin acestea pot pătrunde abur proaspăt în cilindru. Prin cele două picături inferioare sunt evacuate din cilindru 9 și 11 perechi, care au finalizat deja lucrarea.

Diagrama arată momentul în care canalele 1 și 9 sunt deschise, canalele 3 și11 închis. Prin urmare, abur proaspăt de la cazan prin canal1 intră în cavitatea stângă a cilindrului și mută pistonul spre dreapta cu presiunea acestuia; în acest moment, aburul de evacuare este îndepărtat prin canalul 9 din cavitatea dreaptă a cilindrului. În poziția extremă dreaptă a pistonului, canalele1 și9 închis, iar 3 pentru intrarea aburului proaspăt și 11 pentru evacuarea aburului sunt deschise, drept urmare pistonul se va deplasa spre stânga. Când pistonul este în poziția extremă din stânga, canalele se deschid1 și 9 și canalele 3 și 11 sunt închise și procesul se repetă. Astfel, se creează o mișcare alternativă rectilinie a pistonului.

Pentru a transforma această mișcare în rotație, se folosește un așa-numit mecanism manivelă. Este alcătuit dintr-o tijă de piston-4, legată cu un capăt de piston, iar celălalt pivotant, prin intermediul unui glisor (trapă transversală) 5, alunecând între paralelele de ghidare, cu o tijă de legătură 6, care transmite mișcarea principalului. arborele 7 prin cotul sau manivela 8.

Mărimea cuplului pe arborele principal nu este constantă. Într-adevăr, putereaR direcționat de-a lungul tulpinii (Fig. 2) poate fi descompus în două componente:LA îndreptate de-a lungul bielei șiN , perpendicular pe planul paralelelor de ghidare. Forța N nu are efect asupra mișcării, ci doar apasă cursorul pe paralelele de ghidare. FortaLA se transmite de-a lungul bielei si actioneaza asupra manivelei. Aici poate fi din nou descompus în două componente: rezistențăZ , îndreptată de-a lungul razei manivelei și apăsând arborele pe lagăre, și forțaT perpendicular pe manivelă și determinând rotirea arborelui. Mărimea forței T se determină luând în considerare triunghiul AKZ. Deoarece unghiul ZAK =? +? atunci

T = K păcat (? + ?).

Dar din puterea triunghiului OCD

K = P / cos ?

prin urmare

T = Psin ( ? + ?) / cos ? ,

Când mașina funcționează pentru o rotație a arborelui, unghiurile? și? și putereR sunt în continuă schimbare și, prin urmare, amploarea forței de răsucire (tangențială).T este de asemenea variabilă. Pentru a crea o rotație uniformă a arborelui principal în timpul unei revoluții, pe acesta este plasat un volant greu, datorită inerției căreia se menține o viteză unghiulară constantă de rotație a arborelui. În acele momente când putereaT crește, nu poate crește imediat viteza de rotație a arborelui până când mișcarea volantului se accelerează, ceea ce nu se întâmplă instantaneu, deoarece volantul are o masă mare. În acele momente când munca făcută de cuplulT , munca forțelor de rezistență create de consumator devine mai mică, volantul, din nou, datorită inerției sale, nu își poate reduce imediat viteza și, renunțând la energia primită în timpul accelerației sale, ajută pistonul să depășească sarcina.

La pozițiile extreme ale pistonului, unghiurile? +? = 0, deci sin (? +?) = 0 și, prin urmare, T = 0. Deoarece nu există forță de rotație în aceste poziții, dacă mașina ar fi fără volant, somnul ar trebui să se oprească. Aceste poziții extreme ale pistonului sunt numite poziții moarte sau puncte moarte. Prin ele trece și manivela datorită inerției volantului.

În pozițiile moarte, pistonul nu este adus în contact cu capacele cilindrilor; între piston și capac rămâne un așa-numit spațiu dăunător. Volumul spațiului dăunător include și volumul canalelor de abur de la corpurile de distribuție a aburului la cilindru.

Cursa pistonuluiS se numeste calea parcursa de piston la trecerea dintr-o pozitie extrema in alta. Dacă distanța de la centrul arborelui principal până la centrul știftului manivelei - raza manivelei - este notă cu R, atunci S = 2R.

Volumul de lucru al cilindrului V h numit volumul descris de piston.

De obicei, motoarele cu abur au acțiune dublă (față dublă) (vezi Fig. 1). Uneori se folosesc mașini cu acțiune simplă, în care aburul exercită presiune asupra pistonului doar din partea laterală a capacului; cealaltă parte a cilindrului rămâne deschisă la astfel de mașini.

În funcție de presiunea cu care aburul iese din cilindru, mașinile se împart în evacuare, dacă aburul este eliberat în atmosferă, condensare, dacă aburul pleacă în condensator (frigider, unde se menține presiunea redusă), și încălzire. , în care se folosește aburul cheltuit în mașină, în orice scop (încălzire, uscare etc.)

Revoluția industrială a început la mijlocul secolului al XVIII-lea. în Anglia odată cu apariţia şi introducerea maşinilor tehnologice în producţia industrială. Revoluția industrială a reprezentat înlocuirea producției manuale, artizanale și manufacturiere cu producția de fabrică bazată pe mașini.

Creșterea cererii de mașini care nu mai erau construite pentru fiecare instalație industrială specifică, ci pentru piață și au devenit marfă, a dus la apariția ingineriei mecanice, o nouă ramură a producției industriale. S-a născut producția de mijloace de producție.

Utilizarea pe scară largă a mașinilor tehnologice a făcut ca a doua fază a revoluției industriale să fie complet inevitabilă - introducerea în producție a unui motor universal.

Dacă mașinile vechi (pestle, ciocane etc.), care primeau mișcare de la roțile de apă, erau lente și aveau o mers neuniform, atunci cele noi, în special cele de filat și țesut, necesitau o mișcare de rotație cu viteză mare. Astfel, cerințele pentru caracteristicile tehnice ale motorului au dobândit noi caracteristici: un motor universal trebuie să dea lucru sub forma unei mișcări de rotație unidirecționale, continue și uniforme.

În aceste condiții, apar modele de motoare care încearcă să răspundă cerințelor urgente de producție. Peste o duzină de brevete au fost eliberate în Anglia pentru motoare universale cu o mare varietate de sisteme și modele.

Cu toate acestea, primele motoare cu abur universale care funcționează practic sunt considerate a fi mașini create de inventatorul rus Ivan Ivanovich Polzunov și englezul James Watt.

În mașina lui Polzunov, aburul din cazan prin conducte cu o presiune care depășește puțin presiunea atmosferică a fost furnizat alternativ la doi cilindri cu pistoane. Pentru a îmbunătăți etanșarea, pistoanele au fost inundate cu apă. Prin intermediul unor tije cu lanțuri, mișcarea pistoanelor era transmisă la burdufurile a trei cuptoare de topire a cuprului.

Construcția mașinii lui Polzunov a fost finalizată în august 1765. Avea o înălțime de 11 metri, o capacitate a cazanului de 7 m, o înălțime a cilindrului de 2,8 metri și o putere de 29 kW.

Mașina Polzunov a creat forță continuă și a fost prima mașină universală care putea fi folosită pentru a conduce orice utilaj din fabrică.

Watt și-a început munca în 1763 aproape simultan cu Polzunov, dar cu o abordare diferită a problemei motorului și într-un cadru diferit. Polzunov a început cu o declarație energetică generală a problemei înlocuirii complete a centralelor hidraulice, în funcție de condițiile locale, cu un motor termic universal. Watt a început cu sarcina specială de a îmbunătăți eficiența motorului Newcomen în legătură cu munca care i-a fost încredințată ca mecanic la Universitatea din Glasgow (Scoția) pentru a repara un model de instalație de deshidratare cu abur.

Motorul Watt a primit finalizarea industrială finală în 1784. În motorul cu abur al lui Watt, cei doi cilindri au fost înlocuiți cu unul închis. Aburul curgea alternativ pe ambele părți ale pistonului, împingându-l într-o direcție sau alta. Într-o astfel de mașină cu dublă acțiune, aburul de evacuare a fost condensat nu într-un cilindru, ci într-un vas separat de acesta - un condensator. Viteza volantului a fost menținută constantă de un regulator de viteză centrifugal.

Principalul dezavantaj al primelor motoare cu abur a fost randamentul lor scăzut, care nu depășește 9%.

Specializarea centralelor cu abur și dezvoltarea ulterioară

Mașini cu abur

Extinderea domeniului de aplicare al motorului cu abur a necesitat o versatilitate tot mai mare. A început specializarea centralelor termice. Instalațiile de ridicare a apei și de abur din mine au continuat să fie îmbunătățite. Dezvoltarea producției metalurgice a stimulat îmbunătățirea instalațiilor de suflante. Au apărut suflante centrifuge cu motoare cu abur de mare viteză. Centralele cu abur rulant și ciocanele cu abur au început să fie folosite în metalurgie. O nouă soluție a fost găsită în 1840 de J. Nesmith, care a combinat o mașină cu abur cu un ciocan.

O direcție independentă a fost formată din locomotive - centrale mobile cu abur, a căror istorie începe în 1765, când constructorul englez J. Smeaton a dezvoltat o instalație mobilă. Cu toate acestea, locomotivele au câștigat o distribuție notabilă abia de la mijlocul secolului al XIX-lea.

După 1800, când s-a încheiat perioada de privilegii de zece ani a Watt & Bolton, care a adus un capital enorm partenerilor, alți inventatori au primit în sfârșit frâu liber. Aproape imediat, au fost implementate metode progresive nefolosite de Watt: presiune mare și expansiune dublă. Respingerea balansierului și utilizarea expansiunii multiple a aburului în mai mulți cilindri au condus la crearea de noi forme constructive de motoare cu abur. Motoarele cu dublă expansiune au început să ia forma a doi cilindri: presiune înaltă și presiune joasă, fie ca o mașină compusă cu un unghi de fixare între manivele de 90 °, fie ca mașini tandem în care ambele pistoane sunt montate pe o tijă comună și funcționează. pe o manivela.

De mare importanță pentru creșterea eficienței motoarelor cu abur a fost utilizarea aburului supraîncălzit încă de la mijlocul secolului al XIX-lea, al cărui efect a fost subliniat de savantul francez G.A. Girn. Trecerea la utilizarea aburului supraîncălzit în cilindrii motoarelor cu abur a necesitat o muncă îndelungată la proiectarea bobinelor cilindrice și a mecanismelor de control al supapelor, dezvoltarea tehnologiei pentru obținerea uleiurilor minerale lubrifiante care pot rezista la temperaturi ridicate și la proiectarea de noi tipuri. de etanșări, în special cu ambalaj metalic, pentru a trece treptat de la abur saturat la supraîncălzit cu o temperatură de 200 - 300 de grade Celsius.

Ultimul pas major în dezvoltarea motoarelor cu piston cu abur este inventarea motorului cu abur cu flux direct, realizat de profesorul german Stumpf în 1908.

În a doua jumătate a secolului al XIX-lea s-au conturat practic toate formele constructive de motoare cu piston cu abur.

O nouă direcție în dezvoltarea motoarelor cu abur a apărut atunci când acestea au fost folosite ca motoare pentru generatoarele electrice ale centralelor electrice din anii 80 până în anii 90 ai secolului al XIX-lea.

Motorul primar al generatorului electric trebuia să aibă viteză mare, uniformitate ridicată a mișcării de rotație și putere în creștere continuă.

Capacitățile tehnice ale unui motor cu abur cu piston - o mașină cu abur - care a fost un motor universal al industriei și transportului pe tot parcursul secolului al XIX-lea, nu mai corespundeau nevoilor apărute la sfârșitul secolului al XIX-lea în legătură cu construcția centralelor electrice. . Aceștia ar putea fi mulțumiți numai după crearea unui nou motor termic - o turbină cu abur.

Fierbător cu aburi

Primele cazane de abur foloseau abur la presiune atmosferică. Prototipurile cazanelor cu abur au fost construcția cazanelor digestive, din care provine termenul „cazan”, care a supraviețuit până în zilele noastre.

Creșterea puterii motoarelor cu abur a dat naștere tendinței încă existente în construcția cazanelor: o creștere a

capacitatea de abur - cantitatea de abur produsă de centrală pe oră.

Pentru a atinge acest obiectiv, au fost instalate două sau trei cazane pentru a alimenta un cilindru. În special, în 1778, conform proiectului inginerului mecanic englez D. Smeaton, a fost construită o unitate cu trei cazane pentru pomparea apei din docurile Kronstadt.

Totuși, dacă creșterea capacității unitare a centralelor cu abur a necesitat o creștere a capacității de abur a unităților cazanelor, atunci pentru creșterea eficienței era necesară o creștere a presiunii aburului, pentru care erau necesare cazane mai durabile. Așa a apărut a doua tendință și încă funcțională în construcția cazanelor: creșterea presiunii. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, presiunea din cazane a ajuns la 13-15 atmosfere.

Cerința de creștere a presiunii a fost contrar dorinței de a crește debitul de abur al cazanelor. O minge este cea mai bună formă geometrică a unui vas care poate rezista la o presiune internă ridicată, oferă o suprafață minimă pentru un anumit volum și este necesară o suprafață mare pentru a crește producția de abur. Cea mai acceptabilă a fost folosirea unui cilindru - o formă geometrică care urmărește mingea din punct de vedere al rezistenței. Cilindrul vă permite să-i măriți în mod arbitrar suprafața prin creșterea lungimii. În 1801, O. Ejans în SUA a construit un cazan cilindric cu o cameră de ardere internă cilindrică cu o presiune extrem de mare pentru acea perioadă de aproximativ 10 atmosfere. În 1824, Sf. Litvinov din Barnaul a dezvoltat un proiect pentru o centrală electrică cu abur originală, cu o unitate de cazan cu trecere o dată, constând din tuburi cu aripioare.

Pentru a crește presiunea cazanului și debitul de abur, a fost necesară o scădere a diametrului cilindrului (rezistența) și o creștere a lungimii acestuia (productivitate): cazanul s-a transformat într-o țeavă. Existau două moduri de zdrobire a unităților cazanului: calea de gaz a cazanului sau spațiul de apă a fost zdrobit. Așa s-au definit două tipuri de cazane: cazane cu tub de foc și cazane cu tub de apă.

În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, au fost dezvoltate generatoare de abur suficient de fiabile, permițându-le să aibă o capacitate de abur de până la sute de tone de abur pe oră. Cazanul de abur era o combinație de țevi de oțel cu pereți subțiri de diametru mic. Cu o grosime a peretelui de 3-4 mm, aceste conducte pot rezista la presiuni foarte mari. Performanța ridicată se realizează datorită lungimii totale a conductelor. Până la mijlocul secolului al XIX-lea, s-a format un tip constructiv de cazan cu abur cu un mănunchi de țevi drepte, ușor înclinate, rostogolite în pereții plani ai două camere - așa-numitul cazan cu tuburi de apă. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, un cazan vertical cu tuburi de apă a apărut sub forma a două butoaie cilindrice legate printr-un fascicul de tuburi vertical. Aceste cazane cu tamburele lor au rezistat la presiuni mai mari.

În 1896, cazanul lui V.G. Shukhov a fost demonstrat la Târgul All-Rusian din Nijni Novgorod. Cazanul original pliabil al lui Shukhov era transportabil, avea un cost redus și un consum redus de metal. Șuhov a fost primul care a propus un ecran de cuptor, care este folosit în timpul nostru. t £ L №№0№lfo 9-1 * # 5 ^^^

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, cazanele cu abur cu tuburi de apă au făcut posibilă obținerea unei suprafețe de încălzire de peste 500 m și o productivitate de peste 20 de tone de abur pe oră, care a crescut de 10 ori la mijlocul secolului al XX-lea.

Motor cu aburi

Timp de producție: O zi

Album de însemnări: ████████░░ 80%

În acest articol, vă voi arăta cum să faceți un motor cu aburi DIY. Motorul va fi mic, cu un singur piston cu bobină. Puterea va fi suficientă pentru a roti rotorul unui mic generator și pentru a utiliza acest motor ca sursă autonomă de energie electrică atunci când mergi.

• Antenă telescopică (poate fi scoasă de pe un televizor sau radio vechi), diametrul celui mai gros tub trebuie să fie de cel puțin 8 mm
• Tub mic pentru pereche de piston (magazin de instalații).
• Sârmă de cupru cu un diametru de aproximativ 1,5 mm (se găsește într-o bobină de transformator sau într-un magazin radio).
• Șuruburi, piulițe, șuruburi
• Plumb (la un magazin de pescuit sau găsit într-o baterie de mașină veche). Este necesar pentru turnarea volantului. Am găsit un volant gata făcut, dar acest articol vă poate fi la îndemână.
• Bare de lemn.
• Spițe de roată de bicicletă
• Stand (în cazul meu, realizat dintr-o foaie PCB de 5 mm grosime, dar este potrivit și placajul).
• Blocuri de lemn (bucăți de scânduri)
• Borcan de măsline
• Un metrou

• Super adeziv, sudare la rece, epoxidice (piața construcțiilor).
• Şmirghel
• Burghiu
• Ciocan de lipit
• Ferăstrău

Cum se face o mașină cu abur




Schema motorului






Cilindru și tub de bobină.

Tăiați 3 bucăți din antenă:
? Prima piesă are 38 mm lungime și 8 mm în diametru (cilindrul însuși).
? A doua piesă are 30 mm lungime și 4 mm în diametru.
? Al treilea are 6 mm lungime și 4 mm în diametru.




Luați tubul # 2 și faceți o gaură de 4 mm în mijlocul acestuia. Luați tubul #3 și lipiți-l perpendicular pe tubul #2, după ce supercleiul s-a uscat, vom acoperi totul cu sudură la rece (de exemplu POXIPOL).




Atașăm o șaibă rotundă de fier cu un orificiu în mijloc la piesa nr. 3 (diametrul este puțin mai mare decât tubul nr. 1), după uscare, o întărim cu sudură la rece.


În plus, acoperim toate cusăturile cu epoxid pentru o mai bună etanșeitate.

Cum se face un piston cu o biela

Luați un șurub (1) cu diametrul de 7 mm și fixați-l într-o menghină. Începem să înfășurăm firul de cupru (2) pe el timp de aproximativ 6 ture. Acoperim fiecare tură cu superglue. Tăiem capetele în exces ale șurubului.




Acoperim firul cu epoxid. După uscare, reglam pistonul cu un șmirghel sub cilindru, astfel încât să se miște liber acolo, fără a lăsa aer.




Dintr-o foaie de aluminiu facem o bandă de 4 mm lungime și 19 mm lungime. Dați-i forma literei P (3).




Găuriți găuri (4) cu diametrul de 2 mm la ambele capete, astfel încât să poată fi introdusă o bucată de ac de tricotat. Laturile părții în formă de U ar trebui să fie de 7x5x7 mm. Îl lipim de piston cu o latură de 5 mm.





Biela (5) este realizată dintr-o spiță de bicicletă. La ambele capete ale acelor de tricotat lipim două bucăți mici de tuburi (6) de la antenă cu diametrul și lungimea de 3 mm. Distanța dintre centrele bielei este de 50 mm. Apoi, introducem biela cu un capăt în partea în formă de U și o fixăm cu balamale cu un ac de tricotat.


Lipim acul de tricotat de la ambele capete, astfel incat sa nu cada.






Biela triunghiulară

Biela triunghiului este realizată într-un mod similar, doar pe o parte va fi o bucată de spiță, iar pe cealaltă va fi un tub. Lungimea bielei este de 75 mm.







Triunghi și bobină


Tăiați un triunghi dintr-o foaie de metal și găuriți 3 găuri în el.
Bobina. Pistonul bobinei are 3,5 mm lungime și ar trebui să se miște liber în tubul bobinei. Lungimea tijei depinde de dimensiunile volantului dumneavoastră.






Manivela tijei pistonului trebuie să fie de 8 mm, iar manivela bobină de 4 mm.


• Fierbător cu aburi

  
  O cutie de măsline cu capac sigilat va servi drept cazan de abur. De asemenea, am lipit piulița astfel încât să poată fi turnată apă prin ea și strânsă bine cu un șurub. Am lipit si tubul de capac.
  Iată o fotografie:
  

  

  
  

  Poza cu motorul complet

  
  

  Asamblam motorul pe o platforma de lemn, asezand fiecare element pe un suport

  
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  Video cu motor cu aburi

  
  
  
  

• Versiunea 2.0

  
  Revizuirea estetică a motorului. Rezervorul are acum propria platformă din lemn și farfurie pentru tablete de combustibil uscat. Toate piesele sunt vopsite în culori frumoase. Apropo, ca sursă de căldură, cel mai bine este să folosiți un de casă