Silnik parowy to silnik cieplny, w którym energia potencjalna rozprężającej się pary jest zamieniana na energię mechaniczną przekazywaną konsumentowi.
Zapoznamy się z zasadą działania maszyny na uproszczonym schemacie z ryc. jeden.
Wewnątrz cylindra 2 znajduje się tłok 10, który może poruszać się tam iz powrotem pod ciśnieniem pary; cylinder ma cztery kanały, które można otwierać i zamykać. Dwa górne kanały pary1 oraz3 są połączone rurociągiem z kotłem parowym, a przez nie świeża para może dostać się do cylindra. Przez dwie dolne czubki 9 i 11 para, która już zakończyła pracę, zostaje uwolniona z cylindra.
Wykres pokazuje moment, w którym kanały 1 i 9 są otwarte, kanały 3 i11 Zamknięte. Dlatego świeża para z kotła przez kanał1 wchodzi do lewej wnęki cylindra i pod swoim ciśnieniem przesuwa tłok w prawo; w tym czasie para wylotowa jest usuwana z prawej wnęki cylindra przez kanał 9. Przy skrajnie prawej pozycji tłoka kanały1 oraz9 są zamknięte, a 3 dla wlotu świeżej pary i 11 dla wylotu pary wylotowej są otwarte, w wyniku czego tłok przesunie się w lewo. W skrajnym lewym położeniu tłoka otwierają się kanały1 a 9 i kanały 3 i 11 są zamknięte i proces jest powtarzany. W ten sposób powstaje prostoliniowy ruch posuwisto-zwrotny tłoka.
Do przekształcenia tego ruchu w ruch obrotowy stosuje się tzw. mechanizm korbowy. Składa się z tłoczyska - 4, połączonego z jednej strony z tłokiem, a z drugiej wahliwie za pomocą suwaka (wodzika) 5, przesuwającego się między prowadnicami równoległymi, z korbowodem 6, który przekazuje ruch do wał główny 7 przez kolano lub korbę 8.
Wielkość momentu obrotowego na wale głównym nie jest stała. Rzeczywiście, siłaR , skierowany wzdłuż łodygi (rys. 2), można rozłożyć na dwa składniki:W celu skierowane wzdłuż korbowodu, orazN , prostopadłe do płaszczyzny prowadnic równoległych. Siła N nie ma wpływu na ruch, a jedynie dociska suwak do równoległych prowadnic. SiłaW celu jest przenoszony wzdłuż korbowodu i działa na korbę. Tutaj można go ponownie rozłożyć na dwa składniki: siłęZ , skierowana wzdłuż promienia korby i dociskająca wał do łożysk, a siłaT prostopadle do korby i powodując obrót wału. Wielkość siły T zostanie określona na podstawie trójkąta AKZ. Ponieważ kąt ZAK = ? + ?, to
T = K grzech (? + ?).
Ale z trójkąta OCD siła
K= P/ sałata ?
Dlatego
T= psin( ? + ?) / sałata ? ,
Podczas pracy maszyny na jeden obrót wału kąty? oraz? i siłaR ciągle się zmieniają, a zatem wielkość siły skręcającej (stycznej)T również zmienne. Aby wytworzyć równomierny obrót wału głównego podczas jednego obrotu, zamontowane jest na nim ciężkie koło zamachowe, dzięki któremu zachowana jest bezwładność, dzięki której utrzymywana jest stała prędkość kątowa obrotu wału. W tych chwilach, kiedy mocT wzrasta, nie może natychmiast zwiększyć prędkości obrotowej wału, dopóki koło zamachowe nie przyspieszy, co nie dzieje się natychmiast, ponieważ koło zamachowe ma dużą masę. W tych momentach, gdy praca wytworzona przez siłę skręcającąT , praca sił oporu wytwarzanych przez konsumenta staje się mniejsza, koło zamachowe ponownie, ze względu na swoją bezwładność, nie może natychmiast zmniejszyć swojej prędkości, a oddając energię otrzymywaną podczas jego przyspieszania, pomaga tłokowi pokonać obciążenie.
W skrajnych położeniach kątów tłoka? +? = 0, więc sin (? + ?) = 0, a zatem T = 0. Ponieważ w tych pozycjach nie ma siły obrotowej, gdyby maszyna była bez koła zamachowego, sen musiałby się zatrzymać. Te skrajne położenia tłoka nazywane są pozycjami martwymi lub punktami martwymi. Korba również przechodzi przez nie dzięki bezwładności koła zamachowego.
W martwych pozycjach tłok nie styka się z pokrywami cylindrów, między tłokiem a pokrywą pozostaje tak zwana szkodliwa przestrzeń. Objętość przestrzeni szkodliwej obejmuje również objętość kanałów parowych od organów dystrybucji pary do cylindra.
Udar mózguS nazywana ścieżką pokonywaną przez tłok podczas przemieszczania się z jednej skrajnej pozycji do drugiej. Jeżeli odległość od środka wału głównego do środka czopa korby - promień korby - jest oznaczona przez R, to S = 2R.
Pojemność cylindra V h nazwany objętością opisaną przez tłok.
Zazwyczaj silniki parowe mają działanie dwustronne (dwustronne) (patrz rys. 1). Czasami stosuje się maszyny jednostronnego działania, w których para wywiera nacisk na tłok tylko od strony pokrywy; druga strona cylindra w takich maszynach pozostaje otwarta.
W zależności od ciśnienia, z jakim para opuszcza cylinder, maszyny dzielą się na wylotowe, jeśli para wydostaje się do atmosfery, kondensacyjne, jeśli para wchodzi do skraplacza (chłodziarki, w której utrzymywane jest obniżone ciśnienie) oraz odprowadzanie ciepła, w którego para wydobywająca się w maszynie jest wykorzystywana do dowolnych celów (ogrzewanie, suszenie itp.)
Proces wymyślania silnika parowego, jak to często bywa w technice, ciągnął się prawie sto lat, więc wybór daty tego wydarzenia jest dość arbitralny. Nikt jednak nie zaprzecza, że przełomu, który doprowadził do rewolucji technologicznej, dokonał Szkot James Watt.
Ludzie myśleli o używaniu pary jako płynu roboczego od czasów starożytnych. Jednak dopiero na przełomie XVII-XVIII wieku. udało się znaleźć sposób na wykonanie użytecznej pracy za pomocą pary. Jedna z pierwszych prób oddania pary na usługi człowieka została podjęta w Anglii w 1698 roku: maszyna wynalazcy Savery była przeznaczona do osuszania kopalń i pompowania wody. To prawda, że wynalazek Savery'ego nie był jeszcze silnikiem w pełnym tego słowa znaczeniu, ponieważ poza kilkoma ręcznie otwieranymi i zamykanymi zaworami nie miał żadnych ruchomych części. Maszyna Savery'a działała w następujący sposób: najpierw szczelny zbiornik został napełniony parą, następnie zewnętrzna powierzchnia zbiornika została schłodzona zimną wodą, co spowodowało kondensację pary, a w zbiorniku wytworzyło się częściowe podciśnienie. Następnie woda - np. z dna kopalni - była zasysana do zbiornika przez rurę wlotową i po dopuszczeniu kolejnej porcji pary była wyrzucana.
Pierwszą maszynę parową z tłokiem zbudował Francuz Denis Papin w 1698 roku. Wewnątrz pionowego cylindra z tłokiem podgrzewano wodę, a powstała para wypychała tłok do góry. Gdy para schładzała się i skraplała, tłok był naciskany przez ciśnienie atmosferyczne. Dzięki systemowi bloków silnik parowy Papina mógł napędzać różne mechanizmy, takie jak pompy.
Bardziej doskonała maszyna została zbudowana w 1712 roku przez angielskiego kowala Thomasa Newcomena. Podobnie jak w maszynie Papina, tłok poruszał się w pionowym cylindrze. Para z kotła dostała się do podstawy cylindra i podniosła tłok. Gdy do cylindra wstrzyknięto zimną wodę, para skondensowała się, w cylindrze wytworzyło się podciśnienie i pod wpływem ciśnienia atmosferycznego tłok opadł. Ten skok powrotny usuwał wodę z cylindra i za pomocą łańcucha połączonego z wahaczem, poruszającym się jak huśtawka, podniósł pręt pompy do góry. Kiedy tłok znajdował się w dolnej części suwu, para ponownie weszła do cylindra i za pomocą przeciwwagi zamontowanej na tłoczysku pompy lub na wahaczu tłok uniósł się do pierwotnego położenia. Następnie cykl się powtórzył.
Maszyna Newcomen była szeroko stosowana w Europie od ponad 50 lat. W latach czterdziestych XVIII wieku maszyna z cylindrem o długości 2,74 mi średnicy 76 cm wykonała w ciągu jednego dnia pracę, którą zespół 25 osób i 10 koni, pracujących w systemie zmianowym, wykonał w ciągu tygodnia. A jednak jego sprawność była niezwykle niska.
Najbardziej uderzająca rewolucja przemysłowa objawiła się w Anglii, przede wszystkim w przemyśle tekstylnym. Rozbieżność między podażą tkanin a szybko rosnącym popytem przyciągnęła najlepsze umysły projektantów do rozwoju maszyn przędzalniczych i tkackich. Historia angielskiej technologii na zawsze obejmowała nazwiska Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves. Jednak stworzone przez nich maszyny przędzalnicze i tkackie potrzebowały jakościowo nowego, uniwersalnego silnika, który w sposób ciągły i równomierny (czego nie mogło zapewnić koło wodne) wprawiałby maszyny w jednokierunkowy ruch obrotowy. To tutaj w całej okazałości ujawnił się talent słynnego inżyniera, „czarodzieja z Greenock” Jamesa Watta.
Watt urodził się w szkockim mieście Greenock w rodzinie stoczniowca. Pracując jako praktykant w warsztatach w Glasgow, przez pierwsze dwa lata James zdobył kwalifikacje grawera, mistrza w wytwarzaniu przyrządów matematycznych, geodezyjnych, optycznych i różnych przyrządów nawigacyjnych. Za radą wuja, profesora, James wstąpił na miejscowy uniwersytet jako mechanik. To tutaj Watt rozpoczął pracę nad silnikami parowymi.
James Watt próbował ulepszyć maszynę parowo-atmosferyczną Newcomena, która generalnie była dobra tylko do pompowania wody. Było dla niego jasne, że główną wadą maszyny Newcomena było naprzemienne ogrzewanie i chłodzenie cylindra. W 1765 roku Watt wpadł na pomysł, że cylinder może być cały czas gorący, jeśli przed kondensacją para zostanie skierowana do oddzielnego zbiornika rurociągiem z zaworem. Ponadto Watt wprowadził kilka innych ulepszeń, które ostatecznie przekształciły silnik parowo-atmosferyczny w silnik parowy. Wynalazł na przykład mechanizm zawiasowy - "równoległobok Watta" (tzw. część ogniw - tworzące jego kompozycję dźwignie tworzą równoległobok), który zamieniał ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy wału głównego . Teraz krosna mogły pracować nieprzerwanie.
W 1776 roku maszyna Watta została przetestowana. Jej wydajność okazała się dwukrotnie wyższa od maszyny Newcomena. W 1782 roku Watt stworzył pierwszy uniwersalny silnik parowy dwustronnego działania. Para wchodziła do cylindra na przemian z jednej strony tłoka, a potem z drugiej. Dlatego tłok wykonywał zarówno ruch roboczy, jak i odwrotny za pomocą pary, co nie miało miejsca w poprzednich maszynach. Ponieważ tłoczysko w silniku parowym dwustronnego działania wykonywało ruch ciągnięcia i pchania, stary układ napędowy łańcuchów i wahaczy, który reagował tylko na ciąg, musiał zostać przerobiony. Watt opracował system połączeń i wykorzystał mechanizm planetarny do konwersji ruchu posuwisto-zwrotnego tłoczyska na ruch obrotowy, używając ciężkiego koła zamachowego, regulatora prędkości odśrodkowej, zaworu tarczowego i manometru do pomiaru ciśnienia pary. Opatentowany przez Watta „obrotowy silnik parowy” był najpierw szeroko stosowany w przędzalniach i tkalniach, a później w innych przedsiębiorstwach przemysłowych. Silnik Watta pasował do każdego samochodu, a wynalazcy mechanizmów samobieżnych szybko z tego skorzystali.
Silnik parowy Watta był prawdziwym wynalazkiem stulecia, wyznaczającym początek rewolucji przemysłowej. Ale wynalazca nie poprzestał na tym. Sąsiedzi ze zdziwieniem nie raz obserwowali, jak Watt pędził konie przez łąkę, ciągnąc specjalnie dobrane ciężary. Tak więc pojawiła się jednostka mocy - Konie mechaniczne który następnie otrzymał powszechne uznanie.
Niestety, problemy finansowe zmusił Watta już w wieku dorosłym do przeprowadzenia badań geodezyjnych, prac przy budowie kanałów, budowy portów i przystani, a wreszcie do zawarcia zniewalającego gospodarczo sojuszu z przedsiębiorcą Johnem Rebeckiem, który wkrótce doznał całkowitego załamania finansowego.
Możliwości wykorzystania energii pary znane były już na początku naszej ery. Potwierdza to urządzenie zwane aeolipil Herona, stworzone przez starożytnego greckiego mechanika Herona z Aleksandrii. Starożytny wynalazek można przypisać turbinie parowej, której kula obracała się dzięki sile strumieni pary wodnej.
W XVII wieku stało się możliwe przystosowanie pary do pracy silników. Nie używali takiego wynalazku długo, ale wniósł znaczący wkład w rozwój ludzkości. Ponadto historia wynalezienia silników parowych jest bardzo fascynująca.
pojęcie
Silnik parowy składa się z silnik cieplny spalanie zewnętrzne, które z energii pary wodnej powoduje ruch mechaniczny tłoka, który z kolei obraca wał. Moc silnik parowy zwykle mierzone w watach.
Historia wynalazku
Historia wynalezienia maszyn parowych związana jest ze znajomością starożytnej cywilizacji greckiej. Przez długi czas nikt nie korzystał z dzieł tej epoki. W XVI wieku podjęto próbę stworzenia turbiny parowej. Turecki fizyk i inżynier Takiyuddin ash-Shami pracował nad tym w Egipcie.
Zainteresowanie tym problemem powróciło w XVII wieku. W 1629 Giovanni Branca zaproponował własną wersję turbiny parowej. Jednak wynalazki traciły dużo energii. Dalszy rozwój wymagał odpowiednich warunków ekonomicznych, które pojawią się później.
Pierwszą osobą, która wynalazła silnik parowy, jest Denis Papin. Wynalazek był cylindrem z tłokiem unoszącym się pod wpływem pary i opadającym w wyniku jego zgrubienia. Na tej samej zasadzie działania działały urządzenia Savery'ego i Newcomena (1705). Sprzęt służył do wypompowywania wody z wyrobisk przy wydobyciu kopalin.
Wattowi udało się ostatecznie ulepszyć urządzenie w 1769 roku.
Wynalazki Denisa Papin
Denis Papin był z wykształcenia lekarzem medycyny. Urodzony we Francji, w 1675 przeniósł się do Anglii. Znany jest z wielu swoich wynalazków. Jednym z nich jest szybkowar, który nazwano „kociołkiem Papenova”.
Udało mu się ujawnić związek między dwoma zjawiskami, a mianowicie temperaturą wrzenia cieczy (wody) i pojawiającym się ciśnieniem. Dzięki temu stworzył szczelny kocioł, w którym zwiększono ciśnienie, dzięki czemu woda zagotowała się później niż zwykle, a temperatura obróbki umieszczonych w nim produktów wzrosła. W ten sposób wzrosła szybkość gotowania.
W 1674 r. wynalazca medyczny stworzył silnik proszkowy. Jego praca polegała na tym, że gdy proch się zapalał, w cylindrze poruszał się tłok. W cylindrze wytworzyła się niewielka próżnia, a ciśnienie atmosferyczne przywróciło tłok na swoje miejsce. Powstałe elementy gazowe wyszły przez zawór, a pozostałe zostały schłodzone.
Do 1698 r. Papinowi udało się stworzyć jednostkę opartą na tej samej zasadzie, pracującą nie na prochu, ale na wodzie. W ten sposób powstał pierwszy silnik parowy. Mimo znacznego postępu, do którego mógł doprowadzić pomysł, nie przyniósł on wynalazcy znaczących korzyści. Wynikało to z faktu, że wcześniej inny mechanik, Savery, opatentował już pompę parową i do tego czasu nie wymyślił jeszcze innego zastosowania dla takich jednostek.
Denis Papin zmarł w Londynie w 1714 roku. Mimo wynalezienia przez niego pierwszej maszyny parowej, opuścił ten świat w potrzebie i samotności.
Wynalazki Thomasa Newcomena
Większy sukces pod względem dywidend odniósł Anglik Newcomen. Kiedy Papin stworzył swoją maszynę, Thomas miał 35 lat. Uważnie przestudiował prace Savery'ego i Papina i był w stanie zrozumieć wady obu projektów. Od nich wziął wszystkie najlepsze pomysły.
Już w 1712 roku we współpracy z mistrzem szkła i hydrauliki Johnem Calleyem stworzył swój pierwszy model. W ten sposób ciągnęła się historia wynalezienia silników parowych.
Stworzony model w skrócie można wyjaśnić w następujący sposób:
- Projekt łączył pionowy cylinder i tłok, podobnie jak Papin.
- Powstawanie pary odbywało się w oddzielnym kotle, który działał na zasadzie maszyny Savery.
- Szczelność w cylindrze parowym uzyskano dzięki powłoce pokrytej tłokiem.
Jednostka Newcomen podniosła wodę z kopalń za pomocą ciśnienia atmosferycznego. Maszyna wyróżniała się solidnymi wymiarami i wymagała do pracy dużej ilości węgla. Mimo tych niedociągnięć model Newcomena był używany w kopalniach przez pół wieku. Pozwoliła nawet na ponowne otwarcie kopalń, które zostały opuszczone z powodu zalania wodą gruntową.
W 1722 pomysł Newcomena udowodnił swoją skuteczność, wypompowując wodę ze statku w Kronsztadzie w zaledwie dwa tygodnie. System wiatraków mógłby to zrobić w rok.
Ze względu na fakt, że maszyna była oparta na wczesnych wersjach, angielski mechanik nie był w stanie uzyskać na nią patentu. Projektanci próbowali zastosować wynalazek do ruchu pojazdu, ale nie udało się. Historia wynalazku silników parowych na tym się nie skończyła.
Wynalazek Watta
Jako pierwszy wynalazł sprzęt o niewielkich rozmiarach, ale wystarczająco potężny, James Watt. Silnik parowy był pierwszym w swoim rodzaju. Mechanik z Uniwersytetu Glasgow w 1763 roku zaczął naprawiać silnik parowy Newcomen. W wyniku naprawy zrozumiał, jak zmniejszyć zużycie paliwa. Aby to zrobić, konieczne było utrzymywanie cylindra w stanie stale nagrzanym. Jednak maszyna parowa Watta nie mogła być gotowa, dopóki problem kondensacji pary nie został rozwiązany.
Rozwiązanie przyszło, gdy mechanik przechodząc obok pralni zauważył kłęby pary wydobywające się spod pokryw kotłów. Zdał sobie sprawę, że para jest gazem i musi podróżować w cylindrze o obniżonym ciśnieniu.
Osiągnięcie szczelności wewnątrz cylinder parowy za pomocą konopnej liny nasączonej olejem Watt był w stanie zrezygnować z ciśnienia atmosferycznego. To był duży krok naprzód.
W 1769 r. mechanik otrzymał patent, w którym stwierdzono, że temperatura silnika w silniku parowym zawsze będzie równa temperaturze pary. Jednak sprawy nieszczęsnego wynalazcy nie poszły tak dobrze, jak oczekiwano. Został zmuszony do zastawienia patentu na dług.
W 1772 poznał Matthew Boltona, bogatego przemysłowca. Kupił i zwrócił Wattowi jego patenty. Wynalazca wrócił do pracy, wspierany przez Boltona. W 1773 roku silnik parowy Watta został przetestowany i wykazał, że zużywa on znacznie mniej węgla niż jego odpowiedniki. Rok później rozpoczęła się produkcja jego samochodów w Anglii.
W 1781 roku wynalazcy udało się opatentować swoje kolejne dzieło - silnik parowy do napędzania maszyn przemysłowych. Z biegiem czasu wszystkie te technologie umożliwią poruszanie pociągów i parowców za pomocą pary. To całkowicie zmieni życie człowieka.
Jedną z osób, które zmieniły życie wielu, był James Watt, którego silnik parowy przyspieszył postęp technologiczny.
Wynalazek Polzunowa
Projekt pierwszego silnika parowego, który mógł napędzać różne mechanizmy robocze, powstał w 1763 roku. Został opracowany przez rosyjskiego mechanika I. Polzunowa, który pracował w zakładach górniczych Ałtaju.
Szef fabryk zapoznał się z projektem i otrzymał zgodę na stworzenie urządzenia z Petersburga. Uznano maszynę parową Polzunowa, a prace nad jej stworzeniem powierzono autorowi projektu. Ten ostatni chciał najpierw złożyć miniaturowy model, aby zidentyfikować i wyeliminować ewentualne wady, które nie są widoczne na papierze. Jednak otrzymał rozkaz rozpoczęcia budowy dużej, potężnej maszyny.
Polzunowowi zapewniono pomocników, z których dwóch skłaniało się ku mechanikom, a dwóch miało wykonywać prace pomocnicze. Budowa silnika parowego zajęła rok i dziewięć miesięcy. Gdy parowóz Polzunowa był już prawie gotowy, zachorował na konsumpcję. Twórca zmarł na kilka dni przed pierwszymi testami.
Wszystkie czynności w maszynie odbywały się automatycznie, mogła pracować w sposób ciągły. Udowodniono to w 1766 r., kiedy uczniowie Polzunowa przeprowadzili ostatnie testy. Miesiąc później sprzęt został uruchomiony.
Samochód nie tylko zwrócił wydane pieniądze, ale także dał zysk swoim właścicielom. Jesienią kocioł zaczął przeciekać, a prace ustały. Urządzenie można było naprawić, ale nie interesowało to władz fabrycznych. Samochód został porzucony, a dekadę później został zdemontowany jako niepotrzebny.
Zasada działania
Do działania całego systemu wymagany jest kocioł parowy. Powstała para rozpręża się i naciska na tłok, powodując ruch części mechanicznych.
Zasadę działania najlepiej zbadać na poniższej ilustracji.
Jeśli nie malujesz detali, to praca silnika parowego polega na zamianie energii pary na ruch mechaniczny tłoka.
Efektywność
Sprawność silnika parowego określa stosunek użytecznej pracy mechanicznej do ilości wydatkowanego ciepła, jakie zawiera paliwo. Energia, która jest uwalniana do środowiska w postaci ciepła, nie jest brana pod uwagę.
Sprawność silnika parowego mierzy się w procentach. Praktyczna wydajność wyniesie 1-8%. W obecności skraplacza i rozszerzenia ścieżki przepływu wskaźnik może wzrosnąć do 25%.
Zalety
Główną zaletą urządzeń parowych jest to, że kocioł może wykorzystywać jako paliwo dowolne źródło ciepła, zarówno węgiel jak i uran. To znacząco odróżnia go od silnika wewnętrzne spalanie. W zależności od rodzaju tego ostatniego wymagany jest określony rodzaj paliwa.
Historia wynalezienia silników parowych wykazała zalety, które do dziś są zauważalne, ponieważ energia jądrowa może być wykorzystywana jako odpowiednik parowy. Sam reaktor jądrowy nie może przekształcić swojej energii w pracę mechaniczną, ale jest w stanie wygenerować dużą ilość ciepła. Jest on następnie wykorzystywany do wytwarzania pary, która wprawi samochód w ruch. W ten sam sposób można wykorzystać energię słoneczną.
Lokomotywy parowe radzą sobie dobrze na dużych wysokościach. Niskie ciśnienie atmosferyczne panujące w górach nie wpływa na efektywność ich pracy. Lokomotywy parowe są nadal używane w górach Ameryki Łacińskiej.
W Austrii i Szwajcarii stosowane są nowe wersje parowozów poruszających się na suchej parze. Wykazują wysoką skuteczność dzięki wielu usprawnieniom. Nie są wymagające w konserwacji i jako paliwo zużywają lekkie frakcje oleju. Pod względem wskaźników ekonomicznych są porównywalne z nowoczesnymi lokomotywami elektrycznymi. Jednocześnie lokomotywy parowe są znacznie lżejsze niż ich odpowiedniki spalinowe i elektryczne. To jest wielka zaleta w warunkach górskich.
niedogodności
Wady to przede wszystkim niska wydajność. Do tego należy dodać masywność konstrukcji i niską prędkość. Stało się to szczególnie widoczne po pojawieniu się silnika spalinowego.
Podanie
Kto wynalazł silnik parowy, jest już znany. Dopiero okaże się, gdzie były używane. Do połowy XX wieku maszyny parowe były wykorzystywane w przemyśle. Były również wykorzystywane do transportu kolejowego i parowego.
Fabryki, które eksploatowały silniki parowe:
- cukier;
- dopasować;
- papiernie;
- włókienniczy;
- przedsiębiorstwa spożywcze (w niektórych przypadkach).
W skład tego wyposażenia wchodzą również turbiny parowe. Z ich pomocą nadal pracują generatory prądu. Około 80% światowej energii elektrycznej jest wytwarzane przy użyciu turbin parowych.
W momencie ich powstania Różne rodzaje pojazdy napędzane parą. Niektóre nie zapuściły korzeni z powodu nierozwiązanych problemów, podczas gdy inne kontynuują pracę do dziś.
Transport napędzany parą:
- samochód;
- ciągnik;
- koparka;
- samolot;
- lokomotywa;
- naczynie;
- ciągnik.
Taka jest historia wynalezienia silników parowych. Rozważmy pokrótce udany przykład samochodu wyścigowego Serpolle, stworzonego w 1902 roku. Ustanowił światowy rekord prędkości, który na lądzie wyniósł 120 km na godzinę. Dlatego samochody parowe były konkurencyjne w stosunku do odpowiedników elektrycznych i benzynowych.
Tak więc w USA w 1900 roku wyprodukowano przede wszystkim silniki parowe. Spotykali się na drogach aż do lat trzydziestych XX wieku.
Większość z tych pojazdów stała się niepopularna po pojawieniu się silnika spalinowego, którego sprawność jest znacznie wyższa. Takie maszyny były bardziej ekonomiczne, a jednocześnie lekkie i szybkie.
Steampunk jako trend epoki parowozów
Mówiąc o silniki parowe, chciałbym wspomnieć o popularnym kierunku - steampunk. Termin składa się z dwóch angielskie słowa- "para" i "protest". Steampunk to rodzaj science fiction, który rozgrywa się w drugiej połowie XIX wieku w wiktoriańskiej Anglii. Ten okres w historii jest często określany jako Epoka Steam.
Wszystkie prace mają jedną cechę wyróżniającą – opowiadają o życiu drugiej połowy XIX wieku, a styl narracji nawiązuje do powieści H.G. Wellsa „Wehikuł czasu”. Działki opisują krajobrazy miejskie, budynki użyteczności publicznej, technologię. Szczególne miejsce zajmują sterowce, stare samochody, dziwaczne wynalazki. Wszystkie części metalowe były mocowane nitami, ponieważ spawanie nie było jeszcze stosowane.
Termin „steampunk” powstał w 1987 roku. Jego popularność związana jest z pojawieniem się powieści „The Difference Engine”. Został napisany w 1990 roku przez Williama Gibsona i Bruce'a Sterlinga.
Na początku XXI wieku w tym kierunku ukazało się kilka znanych filmów:
- "Wehikuł czasu";
- "Liga niezwykłych dżentelmenów";
- „Van Helsing”.
Do prekursorów steampunku należą prace Julesa Verne'a i Grigorija Adamova. Zainteresowanie tym kierunkiem od czasu do czasu przejawia się we wszystkich sferach życia - od kina po codzienne ubrania.
Artykuł opublikowany 19.05.2014 05:36 Ostatnio edytowany 19.05.2014 05:58W tym artykule szczegółowo opisano historię rozwoju silnika parowego. Oto najsłynniejsze rozwiązania i wynalazki z czasów 1672-1891.
Pierwsza praca.
Zacznijmy od tego, że jeszcze w XVII wieku parę zaczęto uważać za środek do napędzania, przeprowadzano z nią wszelkiego rodzaju eksperymenty i dopiero w 1643 r. Evangelista Torricelli odkrył siłę działania ciśnienia pary. Christian Huygens, 47 lat później, zaprojektował pierwszą maszynę energetyczną, napędzaną wybuchem prochu strzelniczego w cylindrze. Był to pierwszy prototyp silnika spalinowego. Na podobnej zasadzie zorganizowana jest maszyna do pobierania wody opata Otfeya. Wkrótce Denis Papin postanowił zastąpić siłę wybuchu słabszą siłą pary. W 1690 zbudował pierwszy silnik parowy, znany również jako kocioł parowy.
Składał się z tłoka, który za pomocą wrzącej wody unosił się w cylindrze i w wyniku późniejszego schłodzenia ponownie opadał - tak powstała siła. Cały proces przebiegał w ten sposób: pod cylindrem, który jednocześnie pełnił funkcję kotła, umieszczono palenisko; gdy tłok znajdował się w górnym położeniu, piec cofał się, aby ułatwić chłodzenie.
Później dwóch Anglików, Thomas Newcomen i Cowley, jeden kowal, drugi szklarz, ulepszyło system, oddzielając kocioł od cylindra i dodając zbiornik zimnej wody. System ten funkcjonował za pomocą zaworów lub kranów, jednej pary i wody, które były na przemian otwierane i zamykane. Następnie Anglik Bayton przebudował sterowanie zaworem na naprawdę taktowane.
Wykorzystanie maszyn parowych w praktyce.
Maszyna Newcomena szybko stała się znana na całym świecie, aw szczególności została ulepszona przez system podwójnego działania opracowany przez Jamesa Watta w 1765 roku. Teraz maszyna parowa okazał się wystarczająco kompletny do zastosowania w pojazdach, choć ze względu na swoje rozmiary lepiej nadawał się do instalacji stacjonarnych. Watt oferował swoje wynalazki również przemysłowi; budował także maszyny dla fabryk tekstylnych.
Pierwszą maszynę parową służącą jako środek transportu wynalazł Francuz Nicolas Joseph Cugnot, inżynier i amatorski strateg wojskowy. W 1763 lub 1765 roku stworzył samochód, który mógł przewozić czterech pasażerów ze średnią prędkością 3,5 i maksymalnie 9,5 km/h. Po pierwszej próbie nastąpiła druga - pojawił się samochód do transportu broni. Został oczywiście przetestowany przez wojsko, ale ze względu na niemożność długotrwałej eksploatacji (ciągły cykl pracy nowe auto nie przekraczał 15 minut) wynalazca nie otrzymał wsparcia od władz i finansistów. Tymczasem w Anglii udoskonalano maszynę parową. Po kilku nieudanych próbach Moore'a, Williama Murdocha i Williama Symingtona na bazie Watta pojawił się pojazd szynowy Richarda Travisicka, zamówiony przez Welsh Colliery. Aktywny wynalazca przyszedł na świat: z podziemnych kopalń wstał na ziemię, a w 1802 r. podarował ludzkości potężny samochód, osiągając prędkość 15 km/h na płaskim terenie i 6 km/h na wzniesieniu.
Podgląd — kliknij, aby powiększyć.
Zasilany parą pojazdy były coraz częściej używane w Stanach Zjednoczonych: Nathan Reed w 1790 roku zaskoczył mieszkańców Filadelfii swoim model samochodu parowego. Jednak jeszcze większą sławę zyskał jego rodak Oliver Evans, który czternaście lat później wynalazł pojazd-amfibię. Po wojnach napoleońskich, podczas których nie przeprowadzano „eksperymentów samochodowych”, prace rozpoczęły się ponownie wynalezienie i udoskonalenie silnika parowego. W 1821 roku można go było uznać za doskonały i całkiem niezawodny. Od tego czasu każdy krok naprzód w dziedzinie pojazdów napędzanych parą zdecydowanie przyczynił się do rozwoju pojazdów przyszłości.
W 1825 r. Sir Goldsworth Gurney na 171 km odcinku z Londynu do Bath zorganizował pierwszą linię pasażerską. Jednocześnie korzystał z opatentowanego przez siebie powozu, który posiadał silnik parowy. Był to początek ery szybkich powozów drogowych, które jednak zniknęły w Anglii, ale rozpowszechniły się we Włoszech i Francji. Takie pojazdy osiągnęły swój największy rozwój wraz z pojawieniem się w 1873 roku „Curts” Amede Balle o wadze 4500 kg oraz „Mansel” – bardziej zwartej, ważącej nieco ponad 2500 kg i osiągającej prędkość 35 km/h. Obaj byli prekursorami techniki, która stała się charakterystyczna dla pierwszych „prawdziwych” samochodów. Pomimo dużej prędkości sprawność silnika parowego był bardzo mały. Bolle był tym, który opatentował pierwszy dobrze działający układ kierowniczy, ułożył elementy sterujące tak dobrze, że do dziś widzimy to na desce rozdzielczej.
Podgląd — kliknij, aby powiększyć.
Mimo ogromnego postępu w dziedzinie silników spalinowych, siła parowa nadal zapewniała bardziej równomierną i płynną pracę maszyny, przez co miała wielu zwolenników. Jak Bolle, który zbudował inne lekkie samochody, takie jak Rapide w 1881 r. z prędkością 60 km/h, Nouvelle w 1873 r., który miał przednią oś z niezależne zawieszenie kół, Leon Chevrolet w latach 1887-1907 wypuścił kilka samochodów z lekkim i kompaktowym generatorem pary, który opatentował w 1889 roku. Firma De Dion-Bouton, założona w Paryżu w 1883 r., przez pierwsze dziesięć lat swojego istnienia produkowała samochody z napędem parowym i odniosła w tym znaczący sukces – jej samochody wygrały wyścig Paryż-Rouen w 1894 r.
Podgląd — kliknij, aby powiększyć.
Jednak sukces Panharda i Levassora w stosowaniu benzyny skłonił De Dion do przejścia na silniki spalinowe. Kiedy bracia Bolle przejęli firmę ojca, zrobili to samo. Następnie firma Chevrolet przebudowała swoją produkcję. Samochody napędzane parą znikały coraz szybciej z horyzontu, mimo że były używane w USA jeszcze przed 1930 rokiem. W tym momencie produkcja została wstrzymana i wynalezienie silników parowych
Dokładnie 212 lat temu, 24 grudnia 1801 roku, w małym angielskim miasteczku Camborne, mechanik Richard Trevithick zademonstrował publiczności pierwszy psi wózek napędzany parą. Dziś to wydarzenie można śmiało zaliczyć do kategorii niezwykłej, ale nieistotnej, zwłaszcza że silnik parowy był znany wcześniej, a nawet był używany w pojazdach (choć byłoby to bardzo duży odcinek) ... Ale co ciekawe: właśnie teraz postęp technologiczny stworzył sytuację, która do złudzenia przypomina epokę wielkiej „bitwy” pary i benzyny na początku XIX wieku. Tylko baterie, wodór i biopaliwa będą musiały walczyć. Chcesz wiedzieć, jak to wszystko się skończy i kto wygra? Nie sugeruję. Wskazówka: technologia nie ma z tym nic wspólnego…
1. Minęła pasja do silników parowych, przyszedł czas na silniki spalinowe. Dla dobra sprawy powtarzam: w 1801 r. ulicami Camborne przejechał czterokołowy powóz, zdolny do przewiezienia ośmiu pasażerów ze względnym komfortem i powoli. Samochód był napędzany jednocylindrowym silnikiem parowym, a jako paliwo służył węgiel. Tworzenie pojazdów parowych podjęto z entuzjazmem, a już w latach 20. XIX wieku pasażerskie omnibusy parowe przewoziły pasażerów z prędkością do 30 km/h, a średni przebieg remontowy sięgał 2,5–3 tys. km.
Porównajmy teraz te informacje z innymi. W tym samym 1801 roku Francuz Philippe Lebon otrzymał patent na projekt silnik tłokowy spalanie wewnętrzne, praca na gazie oświetleniowym. Tak się złożyło, że trzy lata później Lebon zmarł, a inni musieli opracować proponowane przez niego rozwiązania techniczne. Dopiero w 1860 r. zebrał się belgijski inżynier Jean Etienne Lenoir silnik gazowy z zapłonem z iskry elektrycznej i doprowadził swoją konstrukcję do stopnia przydatności do montażu w pojeździe.
Tak więc samochodowy silnik parowy i silnik spalinowy są praktycznie w tym samym wieku. Sprawność silnika parowego tej konstrukcji w tamtych latach wynosiła około 10%. Sprawność silnika Lenoir miał tylko 4%. Dopiero 22 lata później, w 1882 roku, August Otto ulepszył go tak bardzo, że sprawność obecnego silnika benzynowego osiągnęła… aż 15%.
2. Trakcja parowa to tylko krótki moment w historii postępu. Począwszy od 1801 roku historia transportu parowego trwała aktywnie przez prawie 159 lat. W 1960 r. (!) autobusy i ciężarówki z silnikami parowymi były jeszcze budowane w USA. W tym czasie silniki parowe znacznie się poprawiły. W 1900 roku w USA „na parze” było 50% floty samochodowej. Już w tamtych latach powstała konkurencja między parą, benzyną i - uwaga! - wózki elektryczne. Po rynkowym sukcesie Forda Model-T i, wydawałoby się, porażce silnika parowego, w latach 20. ubiegłego wieku nastąpił nowy wzrost popularności samochodów parowych: koszt paliwa do nich (oleju, nafta) był znacznie niższy niż koszt benzyny.
Do 1927 roku Stanley produkował około 1000 parowozów rocznie. W Anglii ciężarówki parowe skutecznie konkurowały z ciężarówkami benzynowymi aż do 1933 roku i przegrywały tylko z powodu wprowadzenia przez władze podatku od dużych obciążeń. transport towarowy oraz niższe cła na import płynnych produktów naftowych ze Stanów Zjednoczonych.
3. Silnik parowy jest nieefektywny i nieekonomiczny. Tak, kiedyś tak było. „Klasyczny” silnik parowy, który uwalniał parę spalinową do atmosfery, ma sprawność nie większą niż 8%. Natomiast silnik parowy ze skraplaczem i profilowaną częścią przepływową ma sprawność do 25-30%. Turbina parowa dostarcza 30-42%. Instalacje o cyklu kombinowanym, w których turbiny gazowe i parowe są używane „w połączeniu”, mają sprawność do 55-65%. Ta ostatnia okoliczność skłoniła inżynierów BMW do rozpoczęcia prac nad opcjami wykorzystania tego schematu w samochodach. Nawiasem mówiąc, wydajność nowoczesnych silniki benzynowe wynosi 34%.
Koszt produkcji silnika parowego przez cały czas był niższy niż koszt gaźnika i silniki Diesla ta sama moc. Zużycie paliwa płynnego w nowych silnikach parowych pracujących w obiegu zamkniętym na parze przegrzanej (suchej) i wyposażonych w nowoczesne układy smarowania, wysokiej jakości łożyska i systemy elektroniczne regulacja cyklu pracy, to tylko 40% tego pierwszego.
4. Silnik parowy uruchamia się powoli. I to było kiedyś… Nawet samochody produkcji Stanleya „hodowały pary” od 10 do 20 minut. Udoskonalenie konstrukcji kotła i wprowadzenie kaskadowego trybu grzania pozwoliło skrócić czas gotowości do 40-60 sekund.
5. Wagon parowy jest za wolny. To nie jest prawda. Rekord prędkości z 1906 r. – 205,44 km/h – należy do wagonu parowego. W tamtych latach samochody z silnikami benzynowymi nie potrafiły tak szybko jeździć. W 1985 roku parowiec poruszał się z prędkością 234,33 km/h. A w 2009 roku grupa brytyjskich inżynierów zaprojektowała turbinę parową „bolid” z napędem parowym o mocy 360 KM. z., który był w stanie poruszać się z płytą Średnia prędkość w wyścigu – 241,7 km/h.
6. Wagon parowy dymi, jest nieestetyczny. Patrząc na stare rysunki przedstawiające pierwsze załogi parowe wyrzucające gęste kłęby dymu i ognia ze swoich kominów (co, nawiasem mówiąc, wskazuje na niedoskonałość pieców pierwszych „silników parowych”), rozumiesz, gdzie uporczywe skojarzenie pary z silnika i sadzy.
Dotyczący wygląd zewnętrzny maszyn, rzecz tutaj zależy oczywiście od poziomu projektanta. Mało prawdopodobne, aby ktokolwiek powiedział, że parowce Abnera Doble (USA) są brzydkie. Wręcz przeciwnie, są eleganckie nawet jak na dzisiejsze standardy. A poza tym jechali cicho, płynnie i szybko – do 130 km/h.
Interesujące jest to, że współczesne badania w dziedzinie paliwa wodorowego do silników samochodowych dały początek wielu „bocznym gałęziom”: wodór jako paliwo do klasycznych tłokowych silników parowych, a zwłaszcza do turbinowych silników parowych, zapewnia absolutną przyjazność dla środowiska. „Dym” z takiego silnika to… para wodna.
7. Silnik parowy jest kapryśny. To nie prawda. Jest konstrukcyjnie znacznie prostszy niż silnik spalinowy, co samo w sobie oznacza większą niezawodność i bezpretensjonalność. Zasób silników parowych to wiele dziesiątek tysięcy godzin ciągłej pracy, co nie jest typowe dla innych typów silników. Jednak sprawa nie ogranicza się do tego. Ze względu na zasady działania silnik parowy nie traci sprawności przy spadku ciśnienia atmosferycznego. Z tego powodu pojazdy parowe wyjątkowo dobrze sprawdzają się w wyżynach, na trudnych przełęczach górskich.
Warto zwrócić uwagę na jeszcze jedną użyteczną właściwość silnika parowego, który, nawiasem mówiąc, jest podobny do silnika elektrycznego prądu stałego. Spadek prędkości wału (na przykład wraz ze wzrostem obciążenia) powoduje wzrost momentu obrotowego. Ze względu na tę właściwość samochody z silnikami parowymi zasadniczo nie potrzebują skrzyń biegów - same w sobie są bardzo złożonymi, a czasem kapryśnymi mechanizmami.