Принципы устройства паровых двигателей

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Сила пара (с англ. — “steam power”) — способ использования пара для приведения в действие механизмов, главный фактор в промышленной революции. Именно с момента изобретения паровых двигателей началось бурное развитие машиностроения. Первые поезда стали двигаться по рельсам, чтобы перевозить грузы на большие расстояния. Человек пересел на автомобиль и для него не стало преград для передвижения между городами. Огромные заводы с новыми станками и конвейерными лентами начали производство большого количества продукции.

И хоть сейчас паровые машины не используются, в истории человечества эти типы машин оставили огромный след. Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период c начала 1800-х и вплоть до 1950-х годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.

Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.

Однажды я увидел на территории железнодорожного вокзала нашего города огромный поезд, странной формы. Я узнал, что он называется паровозом, т.е. приводится в движение с помощью обыкновенного водяного пара. И мне стало интересно, как легкий пар, который даже не видно, способен двигать огромные и сложные устройства.

Цель проекта: изучить принципы устройства паровых двигателей.

Задачи проекта:

1. Дать определение паровой силе;

2. Рассмотреть исторические этапы использования силы пара;

3. Выяснить, как устроен паровой двигатель.

Гипотеза: мы предполагаем, что в домашних условиях возможно изготовить простой паровой двигатель из простых и доступных материалов.

Наша работа актуальна как вспомогательное и краткое справочное пособие в изучении принципов устройства паровых машин. Информация из нашей работы будет полезна для школьников на уроках физики, а также для учащихся технологических классов и кружков. В нашей работе представлено руководство к изготовлению работающих, простых и безопасных паровых двигателей, что будет полезным в качестве руководства к домашнему эксперименту в качестве дополнительного образовательного материала.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Теоретические аспекты использования силы пара

Паровая сила

Вещество может пребывать в твердом, жидком или газообразном состояниях, а при особых условиях – в плазменном состоянии.

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества – твердое, жидкое и газообразное (Приложение А, рис. 1, 2).

Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределяются в новом объеме. Молекулярные свойства газа связаны с его свойствами, такими как температура и давление.

В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда, но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд – и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.

Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки, — так и беспорядочное нагромождение — аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).

Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества. Таким образом, плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в ней остается равным. Мы можем наблюдать как холодную и в незначительной степени ионизированную плазму (например, в люминесцентных лампах), так и полностью ионизированную горячую плазму (внутри Солнца, например)[5].

Чтобы вещество перешло из твердого состояния в жидкое (плавление или таяние), из жидкого в газообразное (кипение или испарение) или из твердого в газообразное (возгонка или сублимация), требуется поступление энергии извне (Приложение А, рис.3). При обратных процессах (таких, как конденсация или кристаллизация) вещество, напротив, отдает энергию.

При нагревании вода превращается в пар и стремится занять гораздо больший объем. Поэтому пар вырывается из кипящего чайника с такой силой [1].

1.2. Исторические этапы использования силы пара

1 этап – Теоретический. Примитивное использование силы пара.

В первом веке до нашей эры в сочинениях Герона Александрийского есть описание интересного прибора, который сейчас называют “героновым шаром” — эолипилом(Приложение Б1, рис. 1) Этот эолипил представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками и под ним был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара. По существу, эолипил – это не что иное, как паровая реактивная турбина. Конечно, эолипил не соответствует определению теплового двигателя, так как он ничего не приводит в движение, но в нем, безусловно, теплота превращается в механическую работу, а идея использования энергии пара путем разгона его и подачи струй в окружном направлении была позднее использована при создании паровых турбин.

Спустя 15 столетий в рукописях Леонардо да Винчи встречаются несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу [4].

2 этап. Теоретико-практическое. Разработка примитивных двигателей.

Среди работ И. Ньютона был найден рисунок тележки с паровым реактивным двигателем (1663 г.). (Приложение Б, рис.2а). А в 1680 г. по этому рисунку был создан действующий автомобиль – котел с водой был поставлен на колеса, снизу он нагревался от топки, и вырывающийся пар двигал тележку(Приложение Б, рис.2б.)

Фердинанд Фербис был священником. Считают, что именно он создал самый первый автомобиль в 1668 году. Этот автомобиль был очень маленький – всего 60 см в длину, приводился в движение паровым двигателем (Приложение Б, рис.3).

В 1698 г. Томас Севери, шахтовладелец, военный инженер, получил патент № 356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня. ..». Он создал первый паровой подъемник для осушения шахт и перекачивания воды (Приложение Б, рис. 4). Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. Этот паровой подъемник обладал низкой экономичностью, но все-таки нашел широкое применение и стал прототипом паровой машины.

В том же 1698 году Д. Папен сконструировал свою паровую машину. Машина была более удачна. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, образовавшийся пар толкал поршень вверх, далее пар охлаждался и конденсировался и поршень опускался вниз под действием атмосферного давления.

Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.

Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто — между двумя рабочими ходами поршня была пауза (Приложение Б, рис.5). Высотой она была с четырех — пятиэтажный дом и, следовательно, требовала большого количества топлива. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в топку, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр. Поршень, соединенный с балансиром, двигался в вертикальном цилиндре.

Другой конец балансира соединялся с водоподъемником. Давление пара, подаваемого в цилиндр из котла, поднимало поршень. Впрыскивание холодной воды из резервуара осаждало пар и создавало в цилиндре вакуум. Атмосферное давление опускало поршень вниз. Охлаждающая вода и сконденсированный пар выпускались из цилиндра по трубе, а излишний пар из котла – через предохранительный клапан.

Машина Ньюкомена работала по всей Европе целых 50 лет. Это было первое изделие в истории техники, выпущенное крупной партией в несколько тысяч штук. Такая машина за день выполняла недельную работу бригады из 25 человек и 10 лошадей.

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Он был создан в России выдающимся изобретателем, механиком “Воскресенских заводов” на Алтае И.И. Ползуновым. Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро — и водораспределения.

В апреле 1763 года Ползунов предложил проект и описание «огнедействующей машины». (Приложение Б, рис.6). Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.

Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. Строили машину 1 год и 9 месяцев. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала удовлетворительно. Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана [3].

3 этап. Практическое применение.

Изобретателем универсального парового двигателя является Джеймс Уатт. Своё изобретение он запатентовал в 1769 г., но продолжал его совершенствовать. В 1776 г. машина Уатта была построена и оказалась гораздо эффективнее машины Ньюкомена. Последний патент был выдан в 1784 г. именно говоря про него стали употреблять термин «универсальный двигатель»

Машина Т. Нюькомена была крайне не экономичной. Она преобразовывала в механическую только 1% тепловой энергии, а потому потребляла очень много топлива. Джеймс Уатт запатентовал машину нового типа (Приложение Б, рис.7).

В этой машине пар до конденсации отводился в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Цилиндр оставался все время горячим, его не приходилось охлаждать. Так пароатмосферная машина превратилась в паровую.

С появлением машины Уатта стало возможно:

Свободное размещение двигателей;

Значительное повышение мощности;

Использование парового двигателя на транспорте;

Новая машина применялась для приведения в движение станков на ткацких и прядильных фабриках, а затем – и на других предприятиях [2].

В 1804 г. изобретатель Ричард Тревитик построил первый паровоз (Приложение Б, рис.8а). Ему же принадлежит создание «Лондонского парового экипажа» — первого парового автомобиля для перевозки людей (Приложение Б, рис. 8б).

Решающий шаг вперёд сделал Г. Стефенсон. Он создал паровоз «Ракета». «Ракета» победила в гонке паровозов, развив с грузом 13 тонн среднюю скорость 19 км/час, а на отдельных участках – до 48 км/час. Ещё в 1820 г. Стефенсон построил первую железную дорогу, на которой удалось полностью отказаться от конной тяги(Приложение Б, рис.9).

В 1807 г. в США на р. Гудзон вышел в плавание первый пароход, построенный Р. Фултоном. (Приложение Б, рис.10).

В 1809 г. Фултон запатентовал изобретение. В 1819 г. американский колесный пароход «Саванна» пересёк Атлантический океан, но большую часть пути прошёл под парусами.

После того, как в 1838 г. в Англии был построен первый винтовой пароход, паровой флот быстро вытеснил парусный [6].

1.3. Устройство парового двигателя

Паровой машиной называется тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия расширяющегося пара преобразуется в механическую энергию, отдаваемую потребителю (Приложение В, рис. 1).

Внутри цилиндра 2 находится поршень 10, который может перемещаться вперед и назад под давлением пара; в цилиндре имеются четыре канала, которые могут открываться и закрываться. Два верхних пароподводящих канала 1 и 3 соединены трубопроводом с паровым котлом, и через них в цилиндр может поступать свежий пар. Через два нижних капала 9 и 11 пар, уже совершивший работу, выпускается из цилиндра.

На схеме показан момент, когда каналы 1 и 9 открыты, каналы 3 и 11 закрыты. Поэтому свежий пар из котла по каналу 1 поступает в левую полость цилиндра и своим давлением перемещает поршень вправо; в это время отработавший пар по каналу 9 из правой полости цилиндра удаляется. При крайнем правом положении поршня каналы 1 и 9 закрыты, а 3 для впуска свежего пара и 11 для выпуска отработавшего пара открыты, вследствие чего поршень переместится влево. При крайнем левом положении поршня открываются каналы 1 и 9 и закрываются каналы 3 и 11 и процесс повторяется. Таким образом, создается прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня:

Первый такт. Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения  поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.

Выпуск. В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.

Второй такт. В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.

Выпуск. В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно. Цикл повторяется заново. Паровой двигатель имеет т.н. мертвую точку в конце каждого хода, когда клапан переходит от такта расширения к выпуску. По этой причине каждый паровой двигатель имеет два цилиндра, что позволяет запускать двигатель из любого положения.

Принципы действия сложных паровых двигателей использовались продолжительное время в машиностроении и станкостроении. Однако эти типы двигателей были очень требовательны в эксплуатации и ремонте. В нашей практической части, используя теоретические знания, мы постараемся изготовить несколько упрощенных вариантов паровых двигателей, на которых наглядно сможем наблюдать работу силы пара [7].

2. Практический эксперимент с изготовлением двух простых паровых двигателей.

2.1. Опыт первый “Паровой волчок”

Для изготовления такого типа двигателя нам понадобятся следующие материалы: алюминиевая банка 0,3 литра; медная трубка, диаметром 2 мм.;свеча в гильзе; широкая чаша с водой (Приложение Г, рис. 1).

Инструменты: ножницы, гвоздь, карандаш, шприц медицинский без иглы, пасатижи.

Ход эксперимента.

Изготовление чаши и змеевика.

Для первого эксперимента мы взяли жестяную баночку от газировки, разрезали ее пополам, для опыта использовали нижнюю часть. Её мы очистили от лишней краски и загнули её края во внутрь, чтобы обеспечить безопасность для себя и сделать более жестким каркас получившейся чаши(Приложение Г, рис.2).

Затем взяли тонкую трубку из латуни и обрезали её, получив отрезок в 20 см. Аккуратно, используя в качестве основы карандаш, мы согнули трубку в центре. Необходимо несколько раз обернуть трубку вокруг основы, так, чтобы получилась спираль. Эта спираль будет змеевиком. У змеевика необходимо оставить два конца с каждой стороны, примерной длиной по 5 см.

Для крепления змеевика мы сделали два отверстия в чаше. Они расположены у верхнего края с противоположных сторон, на расстоянии 5 мм. от кромки чаши. Отверстия должны иметь размер, не превышающий диаметр трубки змеевика, т.е. около 3 мм. Наши работы мы проводили при помощи обыкновенного железного гвоздя, сделав сначала очень маленькое отверстие, и постепенно его увеличивали до нужного размера (Приложение Г, рис.3).

2. Размещение деталей в корпусе.

Наша турбина будет двигаться в воде. Мы использовали в качестве резервуара широкую миску, в которую налили обычную воду.

Затем, в чашу помещаем свечу. Так как дно банки было выгнуто, и мешало ровно установить свечу в гильзе, мы выровняли его, прижав пальцем. Для надежности крепления, мы использовали двусторонний скотч, которым соединили детали. Также можно использовать алюминиевую фольгу, которой стоит проложить зазор между свечей и стенкой чаши.

Далее нужно установить змеевик в отверстия чаши так, чтобы спираль располагалась над фитилем свечи. Концы трубки снаружи чаши, необходимо загнуть вниз, таким образом, чтобы они опустились ниже дна чаши. Кроме того, на каждом конце змеевика нужно изготовить направляющие сопла, согнув 5 мм. трубки под прямым углом, и направить их в разные стороны, относительно окружности чаши.

3. Запуск турбины.

Чтобы запустить нашу турбину, необходимо наполнить змеевик водой. Для этого, один конец змеевика мы поместили в воду, а из второго вытянули воздух с помощью шприца. После, быстро оба конца помещаем в воду, и ставим всю чашу на поверхность воды.

Поджигаем фитиль свечи и наблюдаем следующее: чаша начинает быстро вращаться вокруг своей оси. Это происходит благодаря тому, что внутри змеевика, вода, нагретая пламенем свечи превращается в пар, и под давлением выходит через сопла. Эта сила и приводит в движение всю турбину (Приложение Г, рис.4).

2.2. Опыт второй “Паровая турбина”

Для изготовления второго варианта парового двигателя, паровой турбины. нам понадобятся следующие материалы: 2 жестяные банки, трубочка металлическая длиной 3 см, внешним диаметром 4 мм, 2 болта с гайками, шприц, свеча, металлический стержень 2-3 мм диаметром и металлическая трубочка с внутренним диаметром чуть больше диаметра стержня (Приложение Г, рис. 5).

Инструменты: паяльник, припой, ножницы, плоскогубцы, гвозди.

Ход эксперимента:

1. Изготовление топки и крыльчатки.

На подготовительном этапе мы взяли первую консервную банку, открыли ее при помощи консервного ножа, отрезав крышку полностью. Крышку будем использовать для изготовления винта-крыльчатки. Для этого при помощи ножниц выполнили надрезы на круглой жестяной крышке, чтобы получилось 8 сегментов. Далее у каждого сегмента при помощи плоскогубцев отогнули край так, чтобы сегмент напоминал лопасть винта, в центре винта при помощи гвоздя сделали отверстие (Приложение Г, рис.6).

Оставшуюся часть банки использовали для изготовления топки: выполнили на банке разметку отверстия и вырезали ножницами. Размер отверстия сделали таким, чтобы легко пометить внутрь топки горючее или свечу. Для лучшего доступа кислорода к горючему и отведения газов при горении топлива, мы выполнили еще несколько отверстий при помощи гвоздя в верхней части топки (Приложение Г, рис. 8).

Для изготовления держателей винта-крыльчатки отрезали от банки полоску шириной 1,5 см, выпрямили ее и вырезали держатели. В верхних частях держателей-ушек при помощи гвоздя выполнили отверстия для закрепления в них стержня с винтом-крыльчаткой.

2. Изготовление резервуара для воды и получения пара.

Вторую консервную банку открываем полностью при помощи консервного ножа, вынимаем содержимое. Далее работаем с крышкой и выполняем в ней два отверстия для залива воды и одно – для выпуска пара при помощи гвоздя (Приложение Г, рис.9). В отверстие для отведения пара вставили трубочку. К отверстиям для залива воды припаяли гайки для того, чтобы закрыть эти отверстия болтами, чтобы пар мог выходить только через трубочку для его выпуска. Далее усовершенствованную крышку поместили на банку и припаяли ее к крышке, также припаяли держатели-ушки (Приложение Г, рис.10).

3. Соединение деталей в единую конструкцию и запуск турбины.

При помощи металлического стержня устанавливаем винт-крыльчатку в держатели-ушки. Для того, чтобы винт не перемещался по стержню в разные стороны во время вращения, предварительно устанавливаем его на металлическую втулку (Приложение Г, рис.7).

Мы заполняем резервуар водой примерно на 1/3 через отверстия для залива воды при помощи шприца и закрываем заливные отверстия, установив болты. Устанавливаем резервуар с водой и получившейся турбиной на топку, помещаем в топку топливо и поджигаем его. Лучше всего использовать топливо на спиртовой основе, так как для работы турбины требуются высокое давление и стабильная температура.

Через некоторое время вода внутри резервуара закипит и превратится в пар. Нарастающее давление будет выталкивать пар через отверстие с трубкой, которая направлена на лопасти крыльчатки. При достаточно высокой силе пара, крыльчатка начнет вращаться. Таким образом мы получили преобразование одного вида энергии в другую. Движущийся элемент будет продолжать действовать, пока не испарится вся вода и не ослабнет давление пара (Приложение Г, рис.11).

Таким образом, мы получили две действующие турбины, приводимые в движение силой водяного пара. Наша гипотеза подтвердилась. Следует отметить, что в целях безопасности использования этих экспериментальных устройств, стоит соблюдать все меры предосторожности в работе с огнем и режущими материалами. Следует обратить внимание на прочность конструкций и соединения швов на месте спайки. Котел в паровой турбине находится под давлением кипящей воды во время использовании, поэтому строго запрещается трогать его руками.

Заключение

Мир паровых машин теряет былой размах. В современном мире, где ценится удобство и скорость, медлительные и требовательные к топливу паровые двигатели находятся в проигрышном положении. Однако, такие машины дали начало технологическому прогрессу. Значит следует помнить и понимать суть и устройство парового двигателя.

В процессе работы над проектом мы узнали что:

Исследование возможностей силы пара берет свои истоки с давних времен, многие ученые всех эпох привносили свои корректировки в устройство паровой машины.

Революционные возможности паровых двигателей внедрялись в разные сферы человеческой жизни. Сила пара позволила человеку шагнуть в новый этап на пути к современной цивилизации.

Устройство паровых двигателей является простым, но требует высокой ответственности при изготовлении. Пар, образующийся при кипении воды, под давлением способен двигаться с огромной силой. Следует провести множество инженерных расчетов, чтобы безопасно его использовать.

Изготовить в домашних условиях элементарный паровой двигатель возможно, даже с использованием простых подручных материалов и инструментов. Проводить эксперимент стоит лишь удостоверившись в своих знаниях и прочности конструкции. Если эксперимент подготавливает ребенок, обязательно присутствие и помощь взрослых.

Список литературных источников:

Агрегатные состояния вещества [Электронный ресурс] — Электрон. текстовые дан.–Режим доступа: http://elementy.ru/trefil/21208/Agregatnye_sostoyaniya_veshchestva, свободный;

Буцкий Ю: Паровые автомобили. Об альтернативных автомобилях середины XX века [Текст]/ Ю.Буцкий;ред.В.И.Волков. — AUDITORIA, 2017 г. — 30 с.;

История термических движков [Электронный ресурс] — Электрон. текстовые дан.– Режим доступа:http://ctirling.ru/teplovie-mashini/istoriya-termicheskix-dvizhkov-www-gbogatih-narod-ru/, свободный;

Основы теории тепловых процессов и машин [Электронный ресурс] — Электрон. текстовые дан.– Режим доступа: http://net.knigi-x.ru/24raznoe/454077-1-osnovi-teorii-teplovih-processov -mashin-chast-osnovi-teorii-teplovih-processov-mashin.php, свободный;

Перельман Я: Занимательная физика [Текст]/ Я.И. Перельман;ред. Е.Ю. Сидорок. — АСТ, 2014 г. — 306 с.;

Промышленный переворот в Англии вторая половина XVIII [Электронный ресурс] — Электрон. текстовые дан.– Режим доступа: http://present5.com/promyshlennyj-perevorot-v-anglii-vtoraya-polovina-xviii/, свободный;

Схема устройства и принцип работы паровой машины [Электронный ресурс] — Электрон. текстовые дан. – Режим доступа: http://vdvizhke.ru/parovi-mashiny/osnovny-ponjatija-ob-parovyh- mashinah/shema-ustojstvo-i-princyp-raboty-parovoj-mawiny.html, свободный.

Паровые двигатели Wilesco — Wilesco — Паровые машины и двители

Паровые двигатели Wilesco

Паровая машина – старый знакомый

Под паровой машиной понимают тепловое устройство внешнего сгорания. Оно применяется для того чтобы преобразовывать паровую энергию в механическую работу поршня, двигающегося возвратно-поступательно, а вслед за тем заставляющим вращаться вал. Если говорить более широко, паровой машиной, можно считать какой угодно двигатель внешнего сгорания, способный преобразовать паровую энергию в механическую работу. Использовались эти устройства в качестве приводного двигателя в различных транспортных средствах. Они содействовали тому, что в свое время  машины стали широко использоваться в коммерческих целях на предприятиях. А это, в свою очередь послужило энергетической базой промышленной революции восемнадцатого века. Впоследствии их вытеснили двигатели внутреннего сгорания, электромоторы и паровые турбины, имеющие более высокое КПД. Причем последние устройства, которые формально представляют собой разновидность паровых машин, и по сей день широко применяются как приводы генераторов электрической энергии. Более восьмидесяти пяти процентов электричества, производимого в мире, вырабатывается  именно с их использованием. Для функционирования устройства нужен паровой котел. Пар, который расширяется, давит на поршень (вариант – на лопатки паровой турбины), а их движение передается иным механическим частям. Преимуществом двигателя внутреннего сгорания следует считать его непритязательность к топливу: это может быть хоть кизяк, хоть уран.

Впервые подобное устройство, которое приводится в движение с помощью пара, описал Герон Александрийский еще в первом столетии. Паровая турбина же была изобретена намного позже, в среднее века в Египте Таги-аль-Диноме, философом и астрономом. Однако прошло еще немало времени, пока эти и другие устройства люди попытались применить для решения практических задач. И только в 1804 в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый локомотив, который спроектировал и построил Ричард Тревитиком. В настоящее время паровые машины не применяются так широко в насосных станциях и локомотивах, тягачах и паровых судах, паровых автомобилях и прочих транспортных средствах, как прежде. Зато они нашли свою вторую жизнь в качестве двигателей моделей железнодорожной техники, а также в некоторых других. Кроме того, они представляют собой сувенирные изделия, завораживающие своим движением.     

WilescoD52 Паровой двигатель с лопастью

20 179.00

WilescoD14 Паровой двигатель (черный с красным)

19 900. 00

WilescoD10 Паровой двигатель

20 880.00

WilescoD455 Паровая машина вертикальная (серебр.)

31 300.00

D49 Паровой двигатель с реверсом

17 745.00

WilescoD16 Паровой двигатель

28 375.00

D48 Паровой двигатель на газу, Wilesco

49 433.00

WilescoD6 Паровой двигатель

12 150.00

WilescoD141 Паровой мини завод с крышей

35 410.00

WilescoD18 Паровой двигатель с динамо машиной и освещением

32 940.00

WilescoD21 Паровая машина (красно-золотая) с манометром

44 836.00

WilescoD2 Паровой двигатель

8 054.00

WilescoD10/100 Паровой двигатель «100 лет Wilesco» (подарочный)

23 400. 00

WilescoD3 Паровой двигатель

9 183.00

WilescoT125 Паровая турбина

67 140.00

WilescoD4 Паровой двигатель

15 000.00

№ 1572: Паровые двигатели высокого давления

Паровой двигатель во время британской промышленной революции

Паровая энергия была одним из самых значительных достижений промышленной революции (1760-1840) в Великобритании. Впервые изобретенный как насос в 1690-х годах, множество изобретателей усовершенствовали конструкции и возились с машинами, пока эффективная и мощная альтернатива энергии мышц, воды и ветра не привлекла коммерческих пользователей. В 19 веке паровой двигатель произвел революцию в промышленности и путешествиях, принеся в равной мере как преимущества, так и проблемы.

Джеймс Уатт работает над паровым двигателем

Приветственные изображения (CC BY)

Использование силы пара

До промышленной революции большие машины приводились в движение водяными колесами, животными или людьми. Все три были относительно дорогими (по крайней мере, в Великобритании). Эти источники энергии работали хорошо, а водяные колеса лучше всех, но очевидная необходимость источника воды была ограничением. Водяные колеса также могут выйти из строя в холодных условиях. Одна отрасль, в частности, нуждалась в новой технологии, чтобы работать лучше. Это была добыча угля. Добыча угля всегда была ограничена тем, что чем глубже были шахты, тем больше грунтовых вод попадало внутрь и препятствовало добыче угля. Нужен был мощный машинный насос. К 1700 году Великобритания производила 80% угля в Европе. Угольные шахты были крупным бизнесом, и именно этот факт побудил инвесторов и изобретателей найти дешевое решение для затопленных шахт, чтобы можно было добывать больше угля. Вот почему паровой двигатель, хотя и основанный на теориях европейских ученых, был изобретен в Британии.

Удалить рекламу

Реклама

К 1907 году в Великобритании насчитывалось более 9,5 миллионов паровых машин.

Сила пара была впервые использована для насоса Томасом Савери (ок. 1650-1715), запатентованным в 1698 году, но его мощность была ограничена. Первый важный принцип заключается в том, что нагретая вода производит пар, объем которого в 1500 раз больше. Пар, когда он охлаждается и снова конденсируется в воду, резко уменьшается в объеме и создает частичный вакуум. Вакуум создает мощность всасывания, которую можно использовать для всасывания воды. Говоря научным языком, было обнаружено, что вес внешней атмосферы с более высоким давлением, чем вакуум в машине, создает силу энергии, которую можно использовать для перемещения чего-либо из одного места в другое.

YouTube
Следите за нами на YouTube!

Принципы вакуума и атмосферного давления были известны в 17 веке такими учеными, как Галилео (1564-1642) и Евангелиста Торричелли (1608-1647), но проблема заключалась в том, чтобы создать двигатель, достаточно прочный, чтобы противостоять давлению. Если бы давление можно было использовать и увеличить, его можно было бы использовать для всасывания поршня, а не только воды, как это делал паровой насос Савери. Движение поршня вниз в вакуум представляет собой рабочий ход, который можно использовать для подъема рычажной балки. Как и на качелях, поршень опускается, а прикрепленная к нему балка поднимается. Затем восходящая балка может поднять другую часть оборудования. Когда вакуумный резервуар опорожняется с помощью клапанов для выпуска пара, балка возвращается в свое естественное положение благодаря силе тяжести, и поэтому поршень вытягивается из вакуумного резервуара, готовый повторить цикл.

Удалить рекламу

Реклама

Схема паровой машины Ньюкомена

Эмоскопы (CC BY-SA)

В 1710 году Томас Ньюкомен (1664-1729), торговец скобяными изделиями из Дартмута, нашел путь вперед, изменив конструкцию Савери, существенно увеличив скорость процесса конденсации (путем подачи холодной воды) и, таким образом, мощность. Еще одно ключевое новшество заключалось в том, что вместо прямого штока поршня (который мог легко заклинить, если его слегка согнуть), использовалась цепь. Насос с паровым двигателем Ньюкомена был впервые использован в угольной шахте в Дадли в Мидлендсе в 1712 году. Машина могла всасывать 5000 галлонов (22,7 тыс. литров) каждый час из шахты глубиной 153 фута (46,6 метра). «Атмосферный двигатель» Ньюкомена был не очень эффективен с точки зрения угля, необходимого для его нагрева, но, поскольку он работал в угольных шахтах, это не было проблемой. Чтобы использовать такую ​​машину в другом месте и не быть непомерно дорогой, потребуются дополнительные инженерные доработки.

Более мощный, но теперь потребляющий гораздо меньше топлива и намного дешевле в эксплуатации, чем когда-либо прежде, паровые двигатели можно использовать практически везде.

Эффективность первых паровых машин была повышена благодаря шотландскому мастеру инструментов Джеймсу Уатту (1736-1819) в 1769 году и снова в 1778 году с помощью Мэтью Боултона (1728-1809). Уатт разделил горячие и холодные части оборудования, которые мешали эффективности процесса конденсации. Поэтому его машину часто называют отдельным конденсатором. Ватт также следил за тем, чтобы пар толкал поршень вниз одновременно с втягиванием вакуума, тем самым увеличивая мощность (измеряемую в «лошадиных силах» — термин, придуманный Ваттом). Затем Уатт обратился к опыту Джона и Уильяма Уилкинсонов, которые были опытными изготовителями пушек. Мальчики Уилкинсона смогли обеспечить паровую машину Уатта гораздо более качественными железными деталями, что гарантировало, что из поршневого механизма случайно выйдет очень мало пара. Уатт продолжал возиться со своей машиной, пока не достиг точки, когда его паровая машина использовала только четверть угля, который был у Ньюкомена. Теперь паровые насосы можно было использовать на оловянных и медных рудниках, где уголь был дорогим.

Любите историю?

Подпишитесь на нашу бесплатную еженедельную рассылку по электронной почте!

Паровые двигатели продолжали развиваться. Важным усовершенствованием стал расширительный двигатель, который по существу отключал источник тепла до того, как пар полностью расширился, что позволяло расширению продолжаться естественным образом и, таким образом, экономить топливо. Еще одним шагом вперед стало управление расширением пара с помощью клапанов. Еще лучше была конструкция, делающая рабочий ход круговым (вращательным движением), который мог приводить в действие маховик, гораздо более универсальный, чем прямой стержень или цепь, и гораздо более стабильный. Благодаря разработкам в области материалов и вкладу других дизайнеров, которые часто делились своими открытиями, к 1800 году стало возможным использовать только паровую часть процесса и не беспокоиться о конденсационной части. Более мощные, но потребляющие гораздо меньше топлива и намного более дешевые в эксплуатации, чем когда-либо прежде, паровые двигатели теперь можно было использовать практически где угодно.

Модель парового двигателя с вращающимся движением

Таморлан (общественное достояние)

Паровая машина была всех размеров и теперь представляла собой чрезвычайно сложный механизм. В любопытной взаимопомощи промышленной революции машины использовались для улучшения других машин, так что паровые двигатели приводили в действие режущие и металлообрабатывающие станки для производства более качественных и прочных деталей, которые можно было использовать для будущих паровых двигателей. К 1800 году в Британии насчитывалось более 2500 паровых машин, большинство из которых использовалось на шахтах, хлопчатобумажных фабриках и фабриках. Эти двигатели питались углем, и благодаря их успеху добыча угля процветала. Паровые двигатели теперь также использовались на угольных шахтах в других европейских странах, особенно в Бельгии, Франции, Германии и Нидерландах.

На протяжении 19-го века повсеместное присутствие машин означало, что усовершенствования производились теми, кто работал с ними ежедневно. В 1845 году Уильям Макнот, например, значительно увеличил давление и, следовательно, мощность своих машин. Эта эволюция в конечном итоге завершилась созданием первой паровой турбины, которая преобразовывала энергию в колесо с тонкими лопастями, похожее на гигантский вентилятор. Он был изобретен в 1884 году Чарльзом Парсонсом (1854-1931), который использовал его для приведения своего корабля Turbina в движение с удивительной скоростью 34,5 узла. К 1907 года в Британии насчитывалось более 9,5 миллионов паровых машин. Это был конец эволюции парового двигателя до того, как двигатель внутреннего сгорания и электричество стали основными источниками энергии. Однако в 19 веке паровая энергия прошла долгий путь от угольных шахт и нашла целый ряд применений во всех основных отраслях промышленности.

Удалить рекламу

Реклама

Паровоз

Система каналов в Британии долгое время была лучшим способом транспортировки товаров из одного места в другое, но их господству вот-вот должна была бросить вызов более дешевая и гораздо более быстрая альтернатива: железные дороги. В 1801 году Ричард Тревитик (1771-1833) изобрел первое дорожное транспортное средство с паровым приводом после того, как он разработал паровую машину высокого давления (двигатели низкого давления просто не имели необходимой мощности для движения транспортных средств). Его машина была очень хороша, но ее подвело плохое качество доступных дорог. В 1803 году Тревитик изобрел первый паровой железнодорожный локомотив, который мог двигаться по собственным специально построенным путям. 27 сентября 1825 г. 9Поезд 0139 Locomotion 1 , изобретенный Джорджем Стефенсоном (1781-1848), перевозил первых железнодорожных пассажиров из Стоктона в Дарлингтон на северо-востоке Англии. В 1829 году сын Джорджа Стефенсона, Роберт Стефенсон (1803-1859), создал ракету , , и участвовал в испытаниях Рейнхилла. Испытания представляли собой соревнования, призванные найти лучший локомотив для использования на новой железнодорожной линии, которая должна была соединить Манчестер и Ливерпуль и которая открылась в 1830 году. В 1838 году Бирмингем был соединен с Лондоном; в 1841 году пассажиры могли сесть на поезд из столицы в Бристоль. Железные дороги процветали.

Ракета Стивенсона

Национальный железнодорожный музей, Великобритания (CC BY)

Железные пути распространились по Британии так быстро, что это явление стало известно как «железнодорожная мания». К 1870 году насчитывалось более 15 000 миль (24 000 км) железнодорожных линий. Во многих направлениях пассажирам больше не приходилось терпеть медленные и неудобные конные повозки, которые раньше были единственным средством передвижения на большие расстояния. Скорость и комфорт были теперь ожиданиями путешественников.

Паровые корабли

Казалось, пар и транспорт созданы друг для друга. Дизайн кораблей был еще одной областью, в которой произошел переворот с появлением паровой машины, но здесь была фундаментальная проблема. Поскольку для работы паровой машины требовалось огромное количество угля и чистой пресной воды (которая не повреждает механизмы), любой корабль, приводимый в движение гребным колесом с паровым приводом, должен был направлять большую часть своей грузоподъемности на эти нужды. По этим причинам первые паровые лодки, как правило, были небольшими и ограничивались короткими поездками, обычно по рекам. Для дальнемагистральных паровых кораблей требовались еще более эффективные двигатели, и поэтому инженеры приступили к работе. И снова необходимость привела к изобретательству. Новые паровые двигатели теперь улавливали отработанный выхлопной пар и включали несколько поршней или кривошипов. Это увеличение мощности и эффективности означало, что требовалось меньше топлива, и, наконец, можно было бросить вызов господству парусного спорта.

Удалить рекламу

Реклама

Первым паромным паромом был Hibernia, , который перевозил пассажиров между Холихедом в Уэльсе и Дублином в Ирландии. Паровые суда одновременно разрабатывались в других странах, в частности, в Соединенных Штатах для плавания по рекам Огайо и Миссисипи с 1811 года. Появлялись более крупные корабли и даже пересекали Атлантику, но проблема места для двигателей и угля по-прежнему существовала. не было много места для груза или пассажиров. Следовательно, эти первые корабли не были коммерчески жизнеспособными. Дальние морские путешествия были просто слишком дорогими из-за затрат на топливо. Было необходимо переосмыслить, насколько большим должен быть корабль.

Великий инженер Изамбард Кингдом Брюнель (1806–1859) использовал паровой двигатель для приведения в движение своих гигантских кораблей SS Great Western (1838 г.), новаторского винтового SS Great Britain (1843 г.) и SS Great Eastern, самый большой корабль в мире длиной 692 фута (211 м), построенный в 1858 году. Эти и другие корабли пересекли Атлантику быстрее, чем когда-либо прежде (10 дней по сравнению с 32 днями, используя только паруса), и вскоре были открыты новые амбициозные маршруты в Индию и Австралию. учредил. Первым грузовым судном, использовавшим энергию пара, был 9-й0139 John Bowes , построен в 1852 году.

SS Great Eastern

Чарльз Парсонс (общественное достояние)

Эпоха парусного спорта, по крайней мере для больших кораблей, подходила к концу. Пароходы не зависели от ветра и могли двигаться по прямой (парусные корабли должны лавировать против встречного ветра), сокращая продолжительность плавания. Скорость стала новым приоритетом океанских путешественников. Более быстрый и дешевый доступ пароходов к новым ресурсам и потребительским рынкам по всему миру подтолкнул промышленность к производству все большего количества товаров, что, в свою очередь, привело к производству еще большего количества паровых машин.

Удалить рекламу

Реклама

Паровые машины

К 1789 году на текстильных фабриках использовались ткацкие станки с паровым приводом, машина, впервые изобретенная Эдмундом Картрайтом между 1784 и 1786 годами и впервые эффективно использованная на фабриках, принадлежавших хлопковому барону Ричарду Аркрайту (1732-1792). Машина Картрайта удвоила скорость производства, но была не такой эффективной; последующие изобретатели успешно работали над этой проблемой. К 1835 году около 75% хлопчатобумажных фабрик использовали паровую энергию. Паровой завод не обязательно располагать рядом с источником воды, поэтому можно было выбрать лучшие места, где было больше людей и поблизости были природные ресурсы, такие как уголь.

Канализационные насосы использовали энергию пара, городские фонтаны тоже, а также двигатели, которые очищали заболоченные участки, чтобы сделать их полезными для сельского хозяйства. Монеты теперь чеканились паровыми машинами. Печатные станки приводились в движение паром, и их эффективность сделала газеты гораздо более доступными в предпоследнем десятилетии XIX века. Даже во многих работах, выполняемых вручную, используемые инструменты часто изготавливались с использованием машин, приводимых в движение паром. Короче говоря, любую работу, требующую толкания, тяги, подъема или нажатия, можно было бы сделать намного эффективнее с помощью паровых машин. Звездной машиной и, безусловно, самой большой из них был паровой молот.

В 1839 году Джеймс Нэсмит (1808-1890) изобрел паровой молот. Он использовался для изготовления из очень больших кусков железа таких компонентов машин, как гребные валы для транспортировки. Молот работал с силой пара, поднимая большой вес, а затем опуская его вертикально на металл, который нужно согнуть. Важно отметить, что машина контролировала спуск груза как с точки зрения скорости, так и точности, что позволяло производить однородное железо или сталь. Позже сила пара также уменьшила вес, а это означало, что можно было придать форму практически любому куску металла любого размера. Паровые молоты вырастали до невероятных размеров, некоторые из них были более 35 футов (10,6 метра) в высоту и весили 90 тонн, что означало, что они создавали огромное количество шума, который можно было услышать в городах.

Британский двигатель шоумена

Эмслихтер (общественное достояние)

Одно из больших преимуществ паровых двигателей заключалось в том, что их можно было перемещать туда, где они нужны. Это было особенно полезно для сельского хозяйства и таких приспособлений, как молотилки. Паровые машины теперь могли выглядеть как небольшой поезд, но это были не транспортные средства; они были спроектированы таким образом, чтобы мощность пара могла достигать любого места, где это необходимо. Ярмарки, которые перемещались по стране, были еще одним бенефициаром паровой энергии, используемой для работы механических аттракционов. Для этих ярмарок был разработан особый тип переносного парового двигателя, двигатель шоумена, и они сами по себе стали богато украшенными достопримечательностями.

Последствия

Энергия пара, возможно, снизила себестоимость производства, повысила прибыль и позволила удешевить товары массового производства, но за эти преимущества пришлось заплатить. Традиционные отрасли промышленности, такие как ручное ткачество, были практически уничтожены появлением паровых фабрик. Дилижансы, почтовые кареты, постоялые дворы и те, кто разводил лошадей и ухаживал за ними, сильно пострадали, когда поезда забрали их бизнес. Многие люди потеряли средства к существованию, от которых зависели они, их родители, бабушки и дедушки. Мужчины особенно теряли работу, поскольку фабриканты предпочитали нанимать более дешевых женщин и детей. Жизнь в городах становилась тесной, а воздух заметно менее чистым.

Некоторые люди протестовали против изменений, особенно в крупных промышленных городах Йоркшира, Ланкашира и Ноттингемшира. Период между 1811 и 1816 годами был особенно проблематичным для фабрикантов. Известные как луддиты в честь своего мифического лидера Неда Ладда, наиболее жестокие протестующие врывались на фабрики и громили машины, которые отнимали у них средства к существованию. Истеблишмент дал отпор. За информацию о луддитах или за их поимку предлагались солидные награды, а для защиты фабрик была призвана армия. Те протестующие, которых поймали, столкнулись с суровыми наказаниями, включая повешение или депортацию в Австралию.

Первая промышленная революция, ок. 1760 — 1840

Симеон Нетчев (CC BY-NC-SA)

Паровая революция привела к потере рабочих мест и потрясениям для многих, но она также создала новые рабочие места. Машины позволили построить более крупные фабрики, что потребовало большего количества рабочих, и поэтому в городах стало жить больше людей. Машины нуждались в огромном количестве угля, а новые продукты, которые они производили, нуждались в большем количестве стали и железа, что привело к увеличению количества шахт и рабочих мест. Машины открыли новые возможности в использовании металлов, и поэтому масштабные строительные проекты, такие как туннели, мосты и железные дороги, принесли больше рабочих мест. Железным дорогам нужны были инженеры, машинисты, рабочие, начальники станций, носильщики. Магазины процветали, поскольку у городских рабочих было немного больше денег, чем раньше, которые они могли потратить на интересные товары со всей Британской империи. Морские курорты процветали благодаря железнодорожным экскурсиям. Многовековое господство сельского хозяйства в Британии подходило к концу, и для многих начинался совершенно новый образ жизни.

Было еще одно долговременное последствие силы пара, машин и концентрации труда. Заводы с тяжелой техникой были жаркими и шумными местами, и рабочим приходилось работать долгие часы.