Паровая машина уатта

Технология

Котел в Stanley Steamer Serie 740 1924 года выпуска, справа конденсатор.

Паровой двигатель представляет собой двигатель внешнего сгорания (ЕС: топливо сгорает от двигателя), в отличие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС: топливо сгорает в двигателе). В то время как автомобили с двигателем внутреннего сгорания с бензиновым двигателем имеют рабочий тепловой КПД от 15% до 30%, первые автомобильные паровые агрегаты были способны обеспечивать только половину этого КПД. Существенным преимуществом ECE является то, что топливная горелка может быть настроена на очень низкие выбросы монооксида углерода , оксидов азота и несгоревшего углерода в выхлопных газах, что позволяет избежать загрязнения.

Самые большие технические проблемы, связанные с паровой машиной, были связаны с ее котлом . Это составляет большую часть общей массы автомобиля, что делает автомобиль тяжелым (автомобиль с двигателем внутреннего сгорания не требует бойлера) и требует внимательного внимания со стороны водителя, хотя даже автомобили 1900 года имели значительную автоматизацию, чтобы справиться с этим. Единственное самое большое ограничение — это необходимость подачи питательной воды в котел. Его нужно либо носить с собой и часто пополнять, либо автомобиль также должен быть оснащен конденсатором , что увеличивает вес и создает неудобства.

До изобретения электростартера в США паровые и электрические автомобили превосходили по продажам автомобили с бензиновым двигателем , поскольку в автомобилях внутреннего сгорания для запуска двигателя использовался ручной кривошип, что было трудно, а иногда и опасно, поскольку неправильный запуск двигателя мог вызвать возгорание, способное сломать руку оператора. Электромобили были до некоторой степени популярны, но имели небольшой запас хода, и их нельзя было заряжать в дороге, если батарейки разряжались.

Как только было достигнуто рабочее давление, первые паровые машины можно было мгновенно тронуть с большим ускорением, но им обычно требуется несколько минут, чтобы запустить из холодного состояния, плюс время, чтобы разогреть горелку до рабочей температуры . Чтобы преодолеть это, разработка была направлена ​​на испарительные котлы , которые нагревают гораздо меньшее количество воды для запуска транспортного средства, а в случае автомобилей Doble — дизельные горелки с искровым зажиганием.

У паровой машины есть преимущества перед машинами с двигателем внутреннего сгорания, хотя большинство из них сейчас менее важно, чем в начале 20 века. Двигатель (без котла) меньше и легче двигателя внутреннего сгорания

Он также лучше подходит для характеристик скорости и крутящего момента оси, что позволяет избежать необходимости в тяжелой и сложной трансмиссии, необходимой для двигателя внутреннего сгорания. Паровоз также тише, даже без глушителя .

Неудавшаяся попытка Папена

Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д

Папен свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.

Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел. Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты. Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.

Кем был человек, стоящий за машинами

Wikipedia

Герон – своего рода историческая загадка. Исследователи полагают, что он, скорее всего, был греческого происхождения и жил примерно в 10-70 годах нашей эры.

Будучи студентом, он любил исследовать полки огромной библиотеки в Александрийском университете и находился под сильным влиянием работ Ктесибия Александрийского – еще одного греческого изобретателя в птолемеевском Египте.

Став взрослым, он писал работы по математике и инженерии, которые были наполнены идеями, на столетия опередившими свое время. Эти книги включали в себя пошаговые схемы и подробные объяснения и, вероятно, разрабатывались как лекции или пособия, что свидетельствует о том, что Герон почти наверняка был преподавателем в Александрийском университете.

Он изобрел первую в мире монетную машину, использовавшуюся для раздачи вина в храмах, а также пожарную машину, водяной орган, разные механизмы для театра и механический «зверинец», демонстрировавший поющих птиц и кукол-марионеток.

К сожалению, большинство его работ было уничтожено во время разрушения Александрийской библиотеки, но некоторые сохранились благодаря арабским рукописям.

Вот еще несколько удивительных изобретений Герона:

торговый автомат – первый в мире аппарат, продававший святую воду. Посетители храма вставляли монету в машину Герона, та падала на рычаг, клапан открывался и позволял воде вытекать.

автоматическая дверь – устройство автоматического открывания дверей, которое с помощью тепла и пневматики «волшебным образом» открывало двери храма.

орган с ветровым приводом – музыкальный инструмент, использовавший небольшое ветряное колесо для приведения в действие поршня и нагнетания воздуха через органные трубы, создавая звуки, похожие на трели флейты. Это устройство считается первой ветряной машиной.

«роботы» – в 60 году нашей эры Герон сконструировал первых в мире программируемых роботов для развлечения театральной публики. Он даже создал полностью механическую десятиминутную пьесу, приводимую в движение системой веревок, узлов и простых механизмов.

формула Герона – выдающийся изобретатель был не менее талантливым математиком. Он придумал новый метод вычисления площади треугольника, который впоследствии ученые стали называть «формулой Герона».

Как видим, вклад этого человека в инженерное дело, науку и технологии просто потрясающий. В семи книгах, переживших сгоревшую Библиотеку, древний изобретатель исследует концепции автоматов, боевых машин, приводит формулы для вычисления площади и объема, а также рассуждает о природе света.

Но самая известная его работа – двухтомник под общим названием «Пневматика». Это одно из первых в мире исследований пара и гидравлической энергии, и на всех страницах автор использует религиозные статуи и иконографию в качестве примеров своих механических идей.

Одна из таких статуй, «Фигура 11: Возлияния у алтаря», демонстрирует женщину с кувшином и мужчину с чашей. Между ними алтарь, на котором поклоняющийся может зажечь огонь, а под их ногами находится камера с вином.

Как только прихожанин зажжет алтарь, по словам Герона, «воздух внутри опустится и окажет давление на содержащуюся внутри жидкость, которая, не имея другого пути к отступлению, пойдет через расположенные в статуях трубы, и возлияния не прекратятся, пока огонь не будет потушен». Позже в «Пневматике» Герон адаптирует ту же систему к дверям храма, заставляя их открываться.

Эолипил — паровая турбина

 1Gai.Ru / STAFF

В работах Герона много потрясающих вещей, но что действительно изменило мир, так это эолипил (Геронов шар).

Слово, обозначающее «ветряной шар» (в буквальном переводе «шар бога ветров Эола»), стало названием особого устройства – первого в мире зарегистрированного образца парового двигателя, или реактивной паровой турбины. «С современной точки зрения устройство Герона является демонстрацией принципа ракеты, то есть реактивной силы – сфера вращается в ответ на эмиссию (выброс) пара», – объясняет Пол Кейзер, специалист по древней технике.

Механизм состоял из полой сферы, установленной так, чтобы иметь возможность вращаться, когда пар выходил из двух выпускных отверстий, расположенных на экваторе котла. Наполовину заполненная водой сфера приходила в движение, как только под ней зажигался огонь: крутящий момент создавался непосредственно за счет образующегося пара.

Youtube

Практическое применение эолипила Герона неизвестно, но большинство экспертов считают, что наряду с другими игрушками и изобретениями, описанными в «Pneumatica», он использовался для развлечения и вызывания ощущения чуда у зрителей. В его трудах нет четкого описания возможного использования прибора – Герон просто рассказывает, как его построить и как он работает.

Гарри Китсикопулус из Нью-Йоркского университета в своей книге «Инновации и распространение технологий: экономическая история ранней паровой энергии» рассуждает о том, что модифицированную версию эолипила могли использовать для создания храмовых чудес.

Немало дебатов впоследствии велось вокруг «шара». Даже высказывались сомнения в том, действительно ли Герон был первым, кто изобрел эолипил. И небезосновательно. К примеру, кумир Герона, Ктесибий (285 г. до н. э. – 222 г. до н. э.) написал несколько трактатов о природе сжатого воздуха и его использовании в насосах.

Позже Витрувий (около 80 г. до н. э. – 15 г. до н. э.) описал устройство, тоже называемое эолипилом, которое состояло из металлического шара, частично заполненного водой и помещенного над огнем для производства пара, вытесняемого из отверстия наверху.

Но он не описывает никаких движущихся частей, что является ключевым отличием от видения Герона, к тому же определяет свой эолипил в «De Architectura» как «научное изобретение для открытия божественной истины, кроющейся в законах небес». Эксперты уверены, что прибор, скорее всего, использовался для понимания погодных явлений и образования облаков.

Хотя эолипил Герона основывался на фундаментальной науке, лежащей в основе паровой энергии, он был довольно далек от двигателей, о которых европейцы мечтали в 17 веке. В качестве двигателя эолипил производил крайне незначительный крутящий момент, и метод его работы был неэффективным.

«Отсутствие надлежащей материальной базы надолго задержало использование пара для выполнения тяжелой работы, и никто не мог построить котел, способный выдерживать большое давление, примерно до середины 1700-х годов», – пишет Грегори Янг, который во время своего пребывания в должности инструктора и техника в Smith College помогал с созданием действующего эолипила.

Изобретение, опередившее свое время, не вписалось в римское общество. Имея в изобилии рабскую силу, император не видел необходимости в разработке машин, способных заменить бесплатно эксплуатируемых людей.

То же самое относилось к остальной Европе на протяжении веков, пока промышленная революция не вытолкнула мировой спрос за пределы средств производства. Только тогда пригодились паровые машины, способные компенсировать слабину.

Попытки рекорда наземной скорости

Рекорд наземной скорости для автомобилей с паровым двигателем был установлен в 1906 году, когда паровоз Stanley, управляемый Фредом Марриоттом, разогнался до 127 миль в час (204 км / ч) в Ормонд-Бич, Флорида . Несмотря на несколько попыток побить рекорд, он продержался до 25 августа 2009 года, когда команда Inspiration of the British Steam Car Challenge установила новый рекорд скорости в 139,843 миль / ч (225,055 км / ч). Вторая попытка Дона Уэльса 26 августа позволила достичь средней скорости 238,679 км / ч (148,308 миль / ч). Паровоз Stanley четыре года удерживал рекорд наземной скорости для всех транспортных средств, прежде чем был побит наземным транспортным средством с двигателем внутреннего сгорания. Рекорд 2009 года был установлен автомобилем с паровой турбиной по сравнению с поршневым двигателем с возвратно-поступательным движением, использовавшимся FE и FO Stanley в 1906 году.

Испаритель Autocoast

Эрнест Канцлер, владелец Autocoast, обратился к Россу (Скип). Хедрик начал работу осенью 1968 года с идеи установки парового двигателя на автомобиль Indy 1964 года Хедрика для попытки установления рекорда паровых автомобилей 1906 года. Хедрик и Ричард Дж. Смит присоединились к Autocoast для разработки двигателя. Автомобиль был подготовлен к гонке на Бонневильской неделе скорости 1969 года, но не смог ехать, потому что из-за неожиданного ливня солончаки стали слишком мокрыми.

Барбер-Николс Инжиниринг

В 1985 году компания Barber-Nichols Engineering из Денвера использовала паровую турбину, которую они разработали для Лира и городской автобусной программы Лос-Анджелеса, чтобы попытаться установить рекорд наземной скорости с паровой тягой. Автомобиль управлялся на Неделе скорости на солончаках Бонневиль в течение нескольких лет, в конечном итоге достигнув измеренной скорости 145,607 миль в час за один проход. Возгорание помешало выполнить обратный пробег, и скорость не была признана FIA . Рекорды наземной скорости FIA основаны на среднем двух пробегах (называемых «проходами») в противоположных направлениях, выполненных с интервалом в один час.

Британский вызов паровой машине

25 августа 2009 года Team Inspiration of the British Steam Car Challenge побила давний рекорд паровой машины, установленный Stanley Steamer в 1906 году, установив новый рекорд скорости 139,843 миль в час (225,055 км / ч) в ВВС Эдвардса. База в пустыне Мохаве в Калифорнии. Это был самый продолжительный автомобильный рекорд в мире. Он проводится более 100 лет. Автомобиль управлялся Чарльзом Бернеттом III и достиг максимальной скорости 136,103 миль в час (219,037 км / ч) на первом заезде и 151,085 миль в час (243,148 км / час) на втором.

26 августа 2009 года та же машина, на этот раз за рулем Дона Уэльса , внука сэра Малкольма Кэмпбелла , побила второй рекорд, достигнув средней скорости 238,679 км / ч (148,308 миль / ч) за два последовательных пробега на расстояние отмеренного километра. Это также было зарегистрировано и с тех пор ратифицировано FIA.

Steam Speed ​​America

6 сентября 2014 года Чук Уильямс из Steam Speed ​​America попытался побить текущий мировой рекорд на своем паровом лайнере . Автомобиль разогнался до 147 миль в час (236,57 км / ч) при первом пробеге, но перевернулся и разбился, когда его тормозные парашюты не открылись; В результате ДТП Уильямс получил травму, а машина сильно пострадала.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар – это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение – паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Что питало старинный паровой двигатель?

Требуется энергия, чтобы делать абсолютно все, о чем вы только можете подумать: кататься на скейтборде, летать на самолете , ходить в магазины или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из нефти, но это было не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимым топливом в мире, и он приводил в движение все: от поездов и кораблей до злополучных паровых самолетов, изобретенных американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним конкурентом братьев Райт. Что такого особенного в угле? Внутри Земли его много, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает, что он основан на элементе углерода. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых растений закапывают под камнями, сжимают под давлением и варят под действием внутреннего тепла Земли . Вот почему это называется ископаемое топливо . Комки угля – это действительно комки энергии. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на огне, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.

Уголь содержит примерно вдвое меньше энергии на килограмм, чем более чистое ископаемое топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин – и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать так много.

Конструкция и механизм действия паровой машины

Паровой двигатель сжигает топливо во внешней камере сгорания. В результате тепло превращает воду в сжатый пар, который поступает в цилиндры и поршнем вращает коленчатый вал. Последний приводит в действие зубчатую передачу двигателя. Поскольку мотор не сжигает топливо внутри цилиндра, как это делает обычный двигатель, он может работать на любом топливе с меньшим количеством выхлопов.

Цилиндрический корпус современного парового двигателя сделан из алюминия. Рабочие устанавливают стержни для крепления 6 цилиндров из нержавеющей стали. Так как происходит постоянный контакт с паром, все детали сделаны из нержавеющих материалов.

Рабочий вставляет в каждый цилиндр поршень. Он алюминиевый, а головка и уплотнение, не дающие ему соприкасаться со стенками цилиндра, сделаны из жаростойкого углеродного волокна.  Стойки поршней соединены с коленвалом в центре кожуха с помощью особой детали – крестовины. Она нужна, чтобы скорректировать ход поршня, создавая более ровное вращение вала и сообщая двигателю больше энергии.

В отличие от обычного автомобильного мотора, где цилиндры расположены в ряд, эти цилиндры имеют идеальную конфигурацию и потому равноудалены от центра. Это предотвращает деформацию мотора под действием высокой температуры.

Над крестовиной для еще более ровного хода коленчатого вала помещен противовес. Теперь над каждым поршнем устанавливаются толкатели, которые воздействуют на клапан, позволяющий входить в цилиндр и двигать поршень. Основание каждого толкателя вставляют в направляющее кольцо. Затем закрепляют головки цилиндров. В каждой из них находится паровой клапан. Толкатель вставляют в клапан и в завершение сборки устанавливают эксцентрик, который двигает толкатели при вращении вала.

Собранные на заводе двигатели подвергаются нескольким эксплуатационным испытаниям. Первый пробный пуск с применением сжатого воздуха для поиска утечек и проверки, все ли детали работают как нужно. Если все в порядке, то уже процесс повторяют уже с паром.

Такой паровой двигатель может давать энергию разным механизмам. От автомобилей и кораблей до электрогенераторов. В автомобиле ему не нужна трансмиссия. Он производит большое количество энергии вращения.

Теперь теплообменник – компонент, превращающий воду в пар, который и создает энергию. При помощи колеса стальную трубку превращают в спираль. Спираль скрепляют стальной проволокой, оставляя зазоры. Когда топливо сгорает, жар распространяется с внешней стороны витков и между ними, нагревая воду внутри трубки быстрее и эффективнее, чем при контакте только с верхней и нижней поверхностями. Результат – перегретый пар всего за 5 секунд.

Нужны 6 таких спиралей, каждая для питания одного цилиндра. Стопка спиралей образует первичный теплообменник двигателя. Для проверки используют любые виды топлива. Даже отходы, такие как отработанное моторное масло и использованное растительное масло из фритюрниц в ресторанах. Подойдет практически все, что горит. Топливо сгорает при низком давлении, а не высоком, как в бензиновом или дизельном двигателе. Это означает, что горение идет на производство пара, создавая гораздо меньше парниковых газов. Большинство углеводородов полностью и не нужно доливать воду, потому что конденсатор снова превращает пар в воду, реализуя повторное использование.

Вода также действует в качестве смазки для двигателя. Паровой машине не нужно моторное масло. Помимо сгорания топлива она способна работать на других источниках тепла, таких как солнечный жар и выбросы тепла из топок и двигателей. Круто или нет? Решайте сами.

Можно сделать из простой банки двигатель, об этом в отдельной статье. Готовые китайские генераторы и другие изобретения в этом китайском магазине.

Как работает локомотив

Паровоз Строение паровоза

1. Топка
2. Дверь Топки
3. Колосники / Колосниковая Решетка
4. Поддувало – место для поддува воздуха
5. Уголь
6. Вода
7. Жаровые трубы
8. Регулятор
9. Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
10. Паровой купол
11. Главная Паровая Труба
12. Выхлопная труба
13. Взрывная Труба
14. Цилиндр
15. Поршень
16. Задвижка
17. Дымоход
18. Шатун
19. Рукоятка
20. Ведущее колесо
21. Паропровод для тормозов поезда
22. Боковые резервуары для воды
23. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
24. Дымосборник
25. Предохранительный клапан

Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.

Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «огненных трубах» (144 штуки в случае Локомотива «Барклай»), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.

По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.

Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

Рычаг «кривошипа» на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена. В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии. Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар – это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение – паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Паровой двигатель

Рубрики Все статьи,Повседневные предметы,Физика, автор Админ — Янв 26, 2012

Паровые двигатели были первыми двигателями массового применения. Они были изобретены в 1705 году Томасом Ньюкоменом. В 1769 году паровой двигатель был значительно модернизирован Джеймсом Ваттом, тем самым ученым, именем которого названа единица мощности. Паровые двигатели были источником движущей силы для первых локомотивов и паровых кораблей, а также применялись на многочисленных фабриках и заводов, что было одним из толчков промышленной революции.

Рассмотрим принцип действия парового двигателя на примере паровоза. Сердцем парового двигателя является топка (1). Именно она генерирует пар для его работы. Обычна топка представляет собой толстостенный чугунный цилиндр или прямоугольник с отверстиями для добавления топлива, а также отведения дыма и удаления золы. Классическим топливом для парового двигателя служит уголь, реже используются дрова.

Главная задача топки заключается в нагреве воды (2) в котле. Как известно, разогретая вода превращается в пар. При этом ее объем увеличивается. Так как паровой котел герметичен, то давление в нем растет. С помощью специальных клапанов (3) разогретый пар под большим давлением подается в расширительную камеру за цилиндром (4). Создаваемая поступательная энергия передается с помощью системы рычагов и шарниров (5) на ведущие колеса локомотива. В результате вращения колес, паровоз приводится в движение (6). С помощью клапанов, под действием возвратного движения поршня, из-за инерции вращения колес, пар выпускается через вертикальную трубу (7). После этого цикл повторяется, и пар снова впускается в расширительную камеру за цилиндром.

Паровой двигатель также широко применялся на пароходах, где он вращал гребные винты. Также существовали четырехколесные трактора приводимые силой пара. Кроме транспортных средств, паровой двигатель применялся на мельницах для вращения жерновов, на водокачках в водяных насосах, на мануфактурах в ткацких станках и многих других производствах.

Главным недостатком парового двигателя является его очень низкий КПД – до 10%. Это происходит из-за того, что большая часть энергии топлива улетает в трубу в буквальном смысле в виде тепла. Кроме того, паровые двигатели очень громоздкие и требуют частого трудоемкого обслуживания. Поэтому в начале ХХ века паровые двигатели были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, работающие на дизельном топливе и бензине.

Теги: двигатель, движение, пар, паровой, топка, топливо, энергия

Янв1

История создания паровой машины в России

Следующий прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед родиной даже дали офицерское звание. Изобретатель представил своему начальству чертежи и планы «огненной машины», способной приводить в действие воздуходувные мехи.

Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят, а машина собрана, он заболел и умер от чахотки – всего за неделю до того, как начались испытания его двигателя. Однако его инструкций оказалось достаточно, чтобы завести двигатель.

Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и поставлена под нагрузку. Однако уже в ноябре того же года она сломалась. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенного для нагрузки. Причем изобретатель в своих инструкциях писал, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко бы окупилось, ведь КПД паровой машины Ползунова был положительный. За 1023 часа работы с ее помощью выплавили серебра 14 с лишним пудов!

Но несмотря на это, никто ремонтировать механизм не стал. Паровая машина Ползунова пылилась более 15 лет на складе, пока мир промышленности не стоял на месте и развивался. А потом и вовсе была разобрана на запчасти. Видимо, в тот момент Россия еще не доросла до паровых двигателей.

Изобретение и развитие

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

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Дином . Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Сейвери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом . В 1663 г. он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 г. создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала, как демонстрационная модель, но для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Сейвери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.