Устройство двигателя парового двигателя: Паровой двигатель, принцип работы

Содержание

Схема парового двигателя чертеж | Хитрости Жизни

Содержание

Так сложилось, что даже люди с техническим образованием мало что знают об этом устройстве. Сегодня мы и восполним этот пробел, вспомним, как устроен паровой двигатель, его принцип действия. Его преимущества, недостатки и применении в современных условиях. И немного о истории изобретения.

Паровая машина кардинально изменила картину мира, произвела революцию в промышленности, на транспорте, дала импульс для новых открытий. Она служила универсальным двигателем на протяжении XIX века, и даже с появлением механизмов, требующих высоких скоростей, не канула в лету. Вместо тихоходной паровой машины ученые разработали быстроходную турбину с одним из самых высоких к.п.д.

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.

Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации

Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.

Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).

Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество паровой машины, как двигателя внешнего сгорания, отделение котла от самой машины. Это дает возможность использовать что угодно в качестве топлива хоть хворост, хоть урановое топливо, что выгодно отличает ее от двигателя внутреннего сгорания ‒ там для каждого типа требуется определённый вид горючего.

Заметнее всего это преимущество в случае с ядерным реактором, который не может производить механическую энергию, а вырабатывает лишь тепло, которое используют для получения пара, вращающего паровые турбины.

В двигателях внешнего сгорания можно использовать и другие источники тепла, например, энергию солнца или энергию разности температур океана на разной глубине.

Интересный факт, паровой локомотив хорошо работает на больших высотах, при чем эффективность двигателя не падает, а, наоборот, растет благодаря низкому атмосферному давлению.

Паровозы и сегодня используют в горной местности Латинской Америки и Китая, при том, что в равнинных районах они давно заменены на более современные типы локомотивов.

Даже в Швейцарии и в Австрии в ходу усовершенствованные тепловозы, работающие на сухом паре. Их разработали на основе модели SLM производства 1930 года. В конструкцию внесли ряд изменений: использовали роликовые подшипники, современную теплоизоляцию, новые виды топлива, специальные паропроводы и ряд других новшеств.

Благодаря этому потребление топлива уменьшилось на 60 процентов, а вес стал ниже, чем у дизельных и электрических аналогов, что актуально для железных дорог, проходящих в горной местности.

Среди других положительных качеств парового двигателя:

высокая надёжность;
возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки;
допустимость продолжительных перегрузок;
долговечность;
низкие расходы на эксплуатацию;
простота в обслуживании.

К недостаткам можно отнести:

наличие кривошипно-шатунного механизма;
низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей.

Применение в настоящее время

Сегодня паровые машины нашли широкое применение в виде паровых турбин, которые работают как приводы электрогенераторов.

Паровая турбина состоит из вращающихся дисков, которые закреплены на одной оси. Этот узел называется ротором. Также есть статор ‒ его неподвижные диски чередуются с дисками ротора. На дисках ротора размещены лопатки, при попадании на них пара, механизм приходит в движение.

Аналогичные лопатки, только расположенные под противоположным углом, есть и на дисках статора. Они служат для перенаправления струи пара на следующий диск ротора.

Турбина преобразует энергию пара во вращательное движение без каких-либо дополнительных механизмов. То есть преобразование возвратно-поступательного хода во вращательное движение делать не нужно.

Также у турбин меньшие размеры нежели у возвратно-поступательных машин, и они отличаются постоянным усилием на выходном валу. Ещё один плюс ‒ простая конструкция, а значит придётся меньше тратить средств на эксплуатацию.

Сфера использования паровых турбин ‒ производство электроэнергии. Более 85 процентов электрической энергии вырабатывают именно паровые турбины. Также их используют как судовые двигатели, в частности на подводных лодках и атомоходах.

Теперь вы знаете, как устроен паровой двигатель, что паровая машина, изобретённая ещё в первом столетии нашей эры, вовсе не анахронизм, а современное высокотехнологичное устройство, благодаря которому жизнь многих людей стала комфортнее.

Перспективы применения паровых машин на автомобилях имеют пока туманные очертания, но творческая мысль изобретателя не имеет границ и я с полной уверенностью могу предположить, что скоро появятся двигатели с элементами парового носителя

Подписывайтесь на наш блог, чтобы узнать много нового и интересного. Поделитесь этой информацией с друзьями в социальных сетях ‒ пусть они повысят свой технический уровень, ну и вам будет приятно иметь умных друзей.

в книге О.Курти «Постройка моделей судов», которую полностью можно скачать тут depositfiles.com/files/3b9jgisv9 есть пара интересных чертежей машин для привода моделей пароходов.
Вот они:

ПАРОВАЯ МАШИНА С КАЧАЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ ПРОСТОГО ДЕЙСТВИЯ И ПАРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ПЛИТОЙ (С КЛАПАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ)

Машины этого типа наиболее часто применяют в судомоделизме (рис. 562, а, b). Обычно детали изготовляют из латуни; цилиндр, чтобы не смазывать, — из фосфористой бронзы, а поршень — из стали. Крепят машину на квадратном или прямоугольном фундаменте в зависимости от места установки в корпусе. На фундамент ставят L-образную стойку, к которой прикрепляют парораспределительную плиту с отверстиями (окнами) для впуска и выпуска пара. Эти окна располагают по дуге, длина которой равна круговому пути, проходимому качающимся цилиндром. Цилиндр выполняют из куска латунной трубки и припаивают к опорной плите. Посредине плиты и цилиндра имеется отверстие, через которое впускается и выпускается пар. Болт в плите, служащий осью качания цилиндра, имеет пружину. Ее натяжение регулируется гайкой, благодаря чему удается достичь хорошего прилегания опорной плиты к парораспределительной плите.
В поршень, изготовленный из круглого куска бронзы, ввинчивают шток и присоединяют его к мотылю болтом с гайкой.
Приводной вал выполняют из круглого стерженька латуни, на концах которого делают нарезку. Один конец вала ввертывают в мотыль, затем вал пропускают через пустотелый винт, поддерживающий его в L-образной стойке, а на второй конец навинчивают маховик.
Паровые трубки для подвода и отвода пара делают из латунных или медных трубок и крепят к небольшим штуцерам, которые, в свою очередь, припаяны к парораспределительной плите. Детали паровой машины такого типа имеют следующие средние размеры:
цилиндр: внутренний диаметр — 12—15 мм, длина — 30— 45 мм;
стойка: высота — 40—60 мм, ширина — 40—50 мм;
маховик: диаметр — 35—45 мм, толщина — 12—15 мм;
трубопроводы: 5хб мм (внутренний и внешний диаметры).
На рис. 562, c и d приведена паровая машина, подобная описанной, но с цилиндром двойного действия, поэтому на парораспределительной плите просверлены еще два небольших отверстия для впуска и выпуска пара, а на цилиндре — второе небольшое отверстие.

Рис. 562. Паровая машина с качающимся цилиндром для модели: a) -конструктивный чертеж; b) – вид по деталям; c) – вид машины с цилиндром двойного действия; d) – принципиальная работа машины с цилиндром двойного действия.
1 – фундаментная плита; 2 – стойка; 3 – плита парораспределительных окон; 4 – деталь крепления впускной и выпускной трубок; 5 – опорная плита крепления цилиндра; 6 – цилиндр; 7 – крышка цилиндра; 8 – поршень; 9 – шток; 10 – мотыль; 11 – пустотелый винт; 12 – приводной вал; 13 – маховик; 14 – пружина с гайкой; 15 – трубка для подвода пара; 16 – трубка для отвода пара; 17 – штуцер для соединения с трубкой подвода пара от котла; 18 – контрольный болт на цилиндре; 19 – выход пара; 20 – подвод пара.

ПАРОВАЯ МАШИНА С НЕПОДВИЖНЫМ ЦИЛИНДРОМ ПРОСТОГО ДЕЙСТВИЯ И ЗОЛОТНИКОВЫМ ПАРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ

Машина сконструирована так, что ее можно устанавливать как в горизонтальном, так и вертикальном положениях (рис. 563, а). Цилиндр укреплен на фундаментной плите и представляет собой прямоугольный латунный брусок со сквозными отверстиями для поршня, а также для впуска и выпуска пара. В верхней части цилиндра находится парораспределительная коробка с золотником. Сбоку цилиндр закрывают крышкой, устанавливаемой на четырех болтах.
Поршень выполняют из куска круглой бронзы. Внутри поршень полый. Один конец шатуна соединяют с поршнем при помощи поршневого пальца и двух опорных колец; другой — с цилиндрическим латунным мотылем.
Приводной вал вращается в двух опорных латунных подшипниках, которые при помощи сквозных болтов закреплены на фундаменте. На приводном валу кроме мотыля установлен эксцентрик, соединенный со штоком золотника вилкой, причем движение эксцентрика сдвинуто по фазе относительно движения поршня. На конце приводного вала находится маховик. Выполнить золотник, как видно из рис. 563, несложно.
Входные и выходные паровые трубопроводы обычно изготовляют из медных или латунных трубок.
Средние размеры деталей машины:
цилиндр: длина — 45—55 мм, высота — 35—45 мм, ширина — 35—45 мм;
фундаментная плита: длина — 100—120 мм, ширина — 65— 85 мм;
маховик: диаметр — 45—50 мм, толщина — 12—15 мм.
трубопроводы: 5×6 мм.
Изменить направление вращения у паровой машины легко, для этого достаточно применить реверсивный клапан (рис. 563, b).

Рис. 563. Паровая машина с золотниковым парораспределителем: а — контруктивный чертеж; b — реверсивный клапан для изменения направления вращения машины; с — детали.
1 — цилиндр; 2 — крышка цилиндра; 3 — поршень; 4 — шатун; 5 — маховик с соединительным болтом для крепления на приводном валу; 6 — цилиндрический мотыль; 7 — крепление опорного подшипника коленчатого вала; 8 — эксцентрик; 9 — поршневой палец; 10 — парораспределительная камера; 11 — золотник; 12 — сальник для уплотнения штока золотника;
13 — уплотнительное кольцо; 14 — шток золотника; ментная плита для горизонтального расположения машины; 15 — приводной вал; 16 — вилка для соединения штока с эксцентриком; 17 — фундаментиая плита для горизонтального расположения машины; 18 — дополнительная опорная плита для вертикального расположения машины;19 — поступление пара; 20 — назад; 21 — вперед; 22 — выход пара.

Паровой двигатель начал свою экспансию еще в начале 19-го века. И уже в то время строились не только большие агрегаты для промышленных целей, но также и декоративные. В большинстве своем их покупателями были богатые вельможи, которые хотели позабавить себя и своих детишек. После того как паровые агрегаты плотно вошли в жизнь социума, декоративные двигатели начали применяться в университетах и школах в качестве образовательных образцов.

Паровые двигатели современности

В начале 20-го века актуальность паровых машин начала падать. Одной из немногих компаний, которые продолжили выпуск декоративных мини-двигателей, стала британская фирма Mamod, которая позволяет приобрести образец подобной техники даже сегодня. Но стоимость таких паровых двигателей легко переваливает за две сотни фунтов стерлингов, что не так и мало для безделушки на пару вечеров. Тем более для тех, кто любит собирать всяческие механизмы самостоятельно, гораздо интереснее создать простой паровой двигатель своими руками.

Устройство двигателя очень простое. Огонь нагревает котел с водой. Под действием температуры вода превращается в пар, который толкает поршень. Пока в емкости есть вода, соединенный с поршнем маховик будет вращаться. Это стандартная схема строения парового двигателя. Но можно собрать модель и совершенно другой комплектации.

Что же, перейдем от теоретической части к более увлекательным вещам. Если вам интересно делать что-то своими руками, и вас удивляют столь экзотичные машины, то эта статья именно для вас, в ней мы с радостью расскажем о различных способах того, как собрать двигатель своими руками паровой. При этом сам процесс создания механизма дарит радость не меньшую, чем его запуск.

Метод 1: мини-паровой двигатель своими руками

Итак, начнем. Соберем самый простой паровой двигатель своими руками. Чертежи, сложные инструменты и особые знания при этом не нужны.

Для начала берем алюминиевую банку из-под любого напитка. Отрезаем от нее нижнюю треть. Так как в результате получим острые края, то их необходимо загнуть внутрь плоскогубцами. Делаем это осторожно, чтобы не порезаться. Так как большинство алюминиевых банок имеют вогнутое дно, то необходимо его выровнять. Достаточно плотно прижать его пальцем к какой-нибудь твердой поверхности.

На расстоянии 1,5 см от верхнего края полученного «стакана» необходимо сделать два отверстия друг напротив друга. Желательно для этого использовать дырокол, так как необходимо, чтобы они получились в диаметре не менее 3 мм. На дно банки кладем декоративную свечку. Теперь берем обычную столовую фольгу, мнем ее, после чего оборачиваем со всех сторон нашу мини-горелку.

Мини-сопла

Далее нужно взять кусок медной трубки длиной 15-20 см. Важно, чтобы внутри она была полой, так как это будет наш главный механизм приведения конструкции в движение. Центральную часть трубки оборачивают вокруг карандаша 2 или 3 раза, так, чтобы получилась небольшая спираль.

Теперь необходимо разместить этот элемент так, чтобы изогнутое место размещалось непосредственно над фитилем свечки. Для этого придаем трубке формы буквы «М». При этом выводим участки, которые опускаются вниз, через проделанные отверстия в банке. Таким образом, медная трубка жестко фиксируется над фитилем, а ее края являются своеобразными соплами. Для того чтобы конструкция могла вращаться, необходимо отогнуть противоположные концы «М-элемента» на 90 градусов в разные стороны. Конструкция парового двигателя готова.

Запуск двигателя

Банку размещают в емкости с водой. При этом необходимо, чтобы края трубки находились под ее поверхностью. Если сопла недостаточно длинные, то можно добавить на дно банки небольшой грузик. Но будьте осторожны — не потопите весь двигатель.

Теперь необходимо заполнить трубку водой. Для этого можно опустить один край в воду, а вторым втягивать воздух как через трубочку. Опускаем банку на воду. Поджигаем фитиль свечки. Через некоторое время вода в спирали превратится в пар, который под давлением будет вылетать из противоположных концов сопел. Банка начнет вращаться в емкости достаточно быстро. Вот такой у нас получился двигатель своими руками паровой. Как видите, все просто.

Модель парового двигателя для взрослых

Теперь усложним задачу. Соберем более серьезный двигатель своими руками паровой. Для начала необходимо взять банку из-под краски. При этом следует убедиться, что она абсолютно чистая. На стенке на 2-3 см от дна вырезаем прямоугольник с размерами 15 х 5 см. Длинная сторона размещается параллельно дну банки. Из металлической сетки вырезаем кусок площадью 12 х 24 см. С обоих концов длинной стороны отмеряем 6 см. Отгибаем эти участки под углом 90 градусов. У нас получается маленький «столик-платформа» площадью 12 х 12 см с ногами по 6 см. Устанавливаем полученную конструкцию на дно банки.

По периметру крышки необходимо сделать несколько отверстий и разместить их в форме полукруга вдоль одной половины крышки. Желательно, чтобы отверстия имели диаметр около 1 см. Это необходимо для того, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию внутреннего пространства. Паровой двигатель не сможет хорошо работать, если к источнику огня не будет попадать достаточное количество воздуха.

Основной элемент

Из медной трубки делаем спираль. Необходимо взять около 6 метров мягкой медной трубки диаметром 1/4-дюйма (0,64 см). От одного конца отмеряем 30 см. Начиная с этой точки, необходимо сделать пять витков спирали диаметром 12 см каждая. Остальную часть трубы изгибают в 15 колец диаметром по 8 см. Таким образом, на другом конце должно остаться 20 см свободной трубки.

Оба вывода пропускают через вентиляционные отверстия в крышке банки. Если окажется, что длины прямого участка недостаточно для этого, то можно разогнуть один виток спирали. На установленную заранее платформу кладут уголь. При этом спираль должна размещаться как раз над этой площадкой. Уголь аккуратно раскладывают между ее витками. Теперь банку можно закрыть. В итоге мы получили топку, которая приведет в действие двигатель. Своими руками паровой двигатель почти сделан. Осталось немного.

Емкость для воды

Теперь необходимо взять еще одну банку из-под краски, но уже меньшего размера. В центре ее крышки сверлят отверстие диаметром в 1 см. Сбоку банки проделывают еще два отверстия — одно почти у дна, второе — выше, у самой крышки.

Берут два корка, в центре которых проделывают отверстие с диаметров медной трубки. В один корок вставляют 25 см пластиковой трубы, в другой — 10 см, так, чтобы их край едва выглядывал из пробок. В нижнее отверстие малой банки вставляют корок с длинной трубкой, в верхнее — более короткую трубку. Меньшую банку размещаем на большой банке краски так, чтобы отверстие на дне было на противоположной стороне от вентиляционных проходов большой банки.

Результат

В итоге должна получиться следующая конструкция. В малую банку заливается вода, которая через отверстие в дне вытекает в медную трубку. Под спиралью разжигается огонь, который нагревает медную емкость. Горячий пар поднимается по трубке вверх.

Для того чтобы механизм получился завершенным, необходимо присоединить к верхнему концу медной трубки поршень и маховик. В итоге тепловая энергия горения будет преобразовываться в механические силы вращения колеса. Существует огромное количество различных схем для создания такого двигателя внешнего сгорания, но во всех них всегда задействованы два элемента — огонь и вода.

Кроме такой конструкции, можно собрать паровой двигатель Стирлинга своими руками, но это материал для совершенно отдельной статьи.

Пароворот: Промышленная революция

Существует легенда, согласно которой Джеймс Уатт придумал свою паровую машину, глядя на пар, выходящий из носика кипящего чайника. Доля правды в этом мифе меньше, чем КПД первых паровых двигателей. Однако ни на одной из могил Вестминстерского аббатства нет такой уважительной эпитафии, как на могиле Уатта

Марина Чадеева

Item 1 of 7

1 / 7

Согласно легенде Джеймс Уатт придумал паровую машину, глядя на пар, выходящий из носика закипающего чайника. Конечно, это всего лишь миф. На самом деле история паровых машин насчитывает много столетий, десятки имен и бесчисленное множество конструкций, часть которых так и осталась на бумаге. И все же ни на одной могиле в Вестминстерском аббатстве не найдется столь уважительной эпитафии, как на могиле Уатта. Его имя носит знакомая всем единица измерения мощности, ватт, равная 1/746 л.с. Что же сделал этот знаменитый шотландец, и что помогло ему внести столь значительную лепту в технический прогресс?

Игрушки древних

Первые упоминания об использовании силы пара для выполнения механической работы встречаются в трудах ученых, работавших в знаменитом Александрийском мусейоне еще за 150 лет до нашей эры. Из дошедшей до нас книги Герона Александрийского мы узнаём об удивительных механизмах, придуманных им самим и его предшественниками Ктезибием и Филоном. Эти остроумные устройства напоминали скорее игрушки, сделанные на потеху публике, но на самом деле были результатом настоящих физических опытов, из которых делались выводы о свойствах веществ.

Здесь мы находим первые описания сифона, термоскопа и отдаленного предка паровой турбины.

Из книги Герона понятно, что греки к началу нашей эры владели достаточными техническими знаниями, чтобы предвосхитить машины, которые появились лишь в XVIII веке. Им были известны зубчатые передачи, гидростатика, применения сифонов, сжимаемость воздуха и движущая сила пара. Но дальше игрушек для развлечения публики, «магических» эффектов в храмах и оружейных приспособлений вроде катапульт дело не пошло.

В записях Герона, которые, к счастью, не потерялись в веках, можно найти подробное описание около сотни таких конструкций. Под номером 11 здесь фигурирует первое упоминание о применении тепла для приведения в движение жидкостей: после того как на алтаре разводили огонь, из сосуда, который держала в руках фигура на пьедестале, начинала литься жидкость, символизируя совершение возлияния. Чаще всего приводят в пример самое крупное в буквальном смысле слова сооружение, описанное Героном под номером 37 — устройство для автоматического открывания дверей храма. Оно было сложнее и эффектнее предыдущего. Жрец разводил огонь в расположенном перед храмом жертвеннике, а когда огонь достаточно разгорался, двери храма к восторгу верующих зрителей распахивались сами собой.

С началом римской эпохи наука постепенно стала приходить в упадок, Александрийский мусейон был закрыт, а о свойствах водяного пара забыли ни много ни мало — на 1,5 тысячи лет.

Хорошо забытое старое

Упоминания о первых попытках европейцев воспроизвести греческие паровые машины встречаются уже ближе к XVI веку. (Хотя известен один случай в Реймсе, относящийся к 1120 году, когда профессор местной школы Герберт построил орган, куда нагнетался воздух, предварительно «сжатый путем нагревания воды».)

Тогда, более 400 лет назад, только-только появились первые упоминания об атмосферном давлении, а в европейском научном сообществе шли споры о природе теплоты. Это было время создания термометров и температурных шкал, изучения свойств газов и попыток освоить силу расширения водяного пара. Опытным путем было установлено, что при охлаждении пара в закрытой емкости возникает заметное разрежение (понижение давления), которое тоже можно использовать для совершения механической работы. Когда наконец удалось более-менее разобраться с атмосферным давлением, температурой, некоторыми свойствами газов и получением «вакуума», пришло время перейти от науки к практике.

Самых больших успехов по части применения этих знаний добились англичане. Инженер Сэвери и самоучка Ньюкомен сконструировали тепловую машину для подъема воды из угольных шахт. В их машине пар, получаемый в котле, поступал через клапан в цилиндр, поднимая поршень. Затем клапан закрывали и поливали цилиндр холодной водой, при этом пар конденсировался, возникало разрежение и поршень опускался под действием атмосферного давления. Хотя эти устройства потребляли огромное количество тепла и имели КПД примерно 0,5%, они почти полвека служили на угольных шахтах Корнуэлла и Северной Англии и даже продавались на континент.

Тайна «скрытой теплоты»

Уатт работал в университете в Глазго, где занимался изготовлением механических инструментов, химией, физикой и был ассистентом профессора Джозефа Блэка, который не только преподавал, но и сам проводил эксперименты и изучал тепловые процессы. Будучи весьма продвинутым по тем временам учебным заведением, университет для изучения естественных наук приобрел наисовременнейшее и дорогостоящее устройство — двигатель Ньюкомена. Получив предложение отремонтировать его, Уатт всерьез занялся исследованиями паровых машин. Для начала он подробно изучил труды своих предшественников, а когда попытался разобраться в работе двигателя, обнаружил, что тот потребляет непомерно большое количество топлива. Почему? Ответа не было, и Уатт решил сделать свою экспериментальную установку.

Он построил новый котел-бойлер, чтобы измерять количество испарившейся воды и сконденсировавшегося пара в каждом цикле двигателя. Первый экспериментальный вывод был таков: для нагрева большого количества воды достаточно совсем немного пара. Обсудив результаты опытов с Блэком, Уатт получил от профессора подробные разъяснения по поводу этого явления — оказалось, что опыты Уатта подтвердили догадки самого Блэка

о существовании «скрытой теплоты».

Профессор рассказал своему ассистенту примерно следующее. Рассмотрим процесс превращения воды в пар. Мы подаем тепло, и вода постепенно нагревается до температуры кипения в 100 °C. Чтобы всю ее превратить в пар, нужно продолжить нагрев. Мы продолжаем подводить тепло, а температура не увеличивается и остается равной 100 °C до тех пор, пока вся вода не выкипит. Только после этого температура пара при дальнейшем нагреве начинает возрастать. Это значит, что все тепло, переданное веществу в процессе испарения, оказывается запасено или «скрыто» внутри пара. Причем количество этой тепловой энергии весьма значительно: пар может нагреть от точки замерзания до кипения в пять раз больше воды, чем сам весит: если мы соединим 5 кг воды при 0 °C и 1 кг пара при 100 °C, то получим 6 кг кипящей воды. А если вместо пара взять воду при тех же 100 °C, получится 6 кг воды температурой всего чуть больше 16 °C.

О пользе прогулок

За первыми опытами последовали тщательные количественные измерения. Определив, что пар в весовом отношении гораздо больший аккумулятор тепла, чем вода, Уатт понял, что для сокращения потерь нужно найти способ сохранять цилиндр во время всего цикла работы двигателя таким же горячим, как и поступающий в него пар. Сначала он попытался сделать более экономичный цилиндр, применив деревянные материалы с большей теплоизоляцией и не проводящие тепло трубки, но существенных изменений не произошло. Нужно было какое-то принципиально иное решение.

Однажды вечером Уатт вышел погулять, как всегда, не переставая размышлять о паровой машине. Прошел мимо старой прачечной и домика пастуха, как вдруг ему в голову пришла замечательная идея: если пар обладает свойством упругости, он будет перемещаться в вакуум, и если связать цилиндр с откачанным резервуаром, пар устремится туда и может быть сконденсирован без охлаждения цилиндра. Когда Уатт вернулся домой, в голове у него уже была готова новая конструкция. Так был изобретен недостающий элемент паровой машины — отдельная емкость для конденсации пара, которая в современных устройствах называется конденсатором.

Для проверки своего изобретения Уатт использовал в качестве парового цилиндра и поршня большой латунный хирургический шприц 35 см в диаметре и 25 см длиной. Шприц был перевернут, и шток поршня для удобства свисал вниз, а сверху и снизу были трубки для ввода пара из бойлера, снабженные кранами, выполнявшими роль паровых клапанов. Трубка вела также от цилиндра к конденсатору, сделанному из двух связанных между собой жестяных трубок, а еще одна соединенная с конденсатором трубка, куда Уатт вставил небольшой поршень, служила для откачивания воздуха. Все три трубки были опущены в емкость с холодной водой. Эта небольшая модель оказалась работоспособной, а качество вакуума было таким, что поршень поднимал груз весом 7 кг!

Конденсатор позволил уменьшить расход топлива почти в пять раз по сравнению с машиной Ньюкомена и поднять КПД до 2,5%. Но Уатт на этом не остановился. Он выяснил, что клапан можно закрывать до того, как цилиндр полностью заполнится паром, поскольку пар, расширяясь, все равно поднимет поршень. В результате такой дополнительной экономии КПД вырос до 4,5%. Дальше Уатт присоединил к своей конструкции вращательно-поступательный механизм, сделал двусторонний впуск пара, паровую рубашку вокруг цилиндра — то есть ввел фактически все элементы современных паровых двигателей, которыми люди пользовались почти 200 лет, пока в ХХ веке им на смену не пришли более производительные двигатели внутреннего сгорания.

Современный эолипил

В наше время паровозы уже стали раритетом, но без использования движущей силы пара современную жизнь представить себе все равно невозможно. Ведь основной элемент всех нынешних электростанций — это паровая турбина, следующая ступень в истории паровых двигателей. Здесь пар не поднимает поршень, а крутит лопасти, что оказалось гораздо выгоднее с точки зрения энергозатрат.

Впрочем, первый действующий прообраз паровой турбины — «эолипил» — описан в книге Герона Александрийского под номером 50. Две тысячи лет назад применение этого реактивного парового двигателя вполне соответствовало потребностям времени — с его помощью создавали движущиеся изображения вокруг алтаря.

С греческим эолипилом современные паровые турбины роднит, пожалуй, только пар да идея использовать его движущую силу. И хотя в них заложены уже сотни технических изобретений и усовершенствований, они имеют эффективность свыше 40% и мощность в сотни мегаватт, самым главным их элементом, помимо колеса с лопатками, остается конденсатор, тот самый, изобретенный Уаттом откачанный резервуар, куда пар устремляется из парового котла, заставляя бешено вращаться лопасти турбины и отдавая нам все гигантские запасы своей «скрытой теплоты».

Устройство паровой турбины — Уралэнергомаш

Паровая турбина – это тип двигателя, использующего для вращения вала пар или разогретый воздух и который не нуждается во внедрении в конструкцию таких деталей как коленчатый вал, шатун, поршни

С общим устройством выше описанной конструкции многие знакомы еще со школьной скамьи. В научной литературе устройство паровой турбины описывается следующим образом.

Общее строение двигателя

Основная часть двигателя – вал, на который устанавливаются диски и рабочие лопатки, а рядом располагаются такие элементы как трубы-сопла. Последние осуществляют постоянное поступление горячего пара из котла. На момент поступления пара в сопло создается механическое давление на рабочие лопатки, и, следовательно, на всю конструкцию диска. Это давление создает вращающий момент, что заставляет двигаться диски и расположенные на нем лопасти.

Сегодня в паровых турбинах более распространено использование большого количества дисков, нанизываемых на один вращающийся вал. В таком случае работа двигателя осуществляется несколько иначе. Горячий пар, двигающийся через лопатки дисков теряет часть энергии, отдавая ее элементам конструкции. Такое устройство повышает эффективность использования энергии, но и, в свою очередь, требует оборудования котла дополнительного повторного подогрева пара. Наибольшую популярность паровые турбины имеют на тепловых и атомных ЭС, где их работа определяет получение переменного электрического тока. Здесь частота обращения вала может быть близкой 3000 оборотов в минуту. Такое значение позволяет выгодно получать электрическую энергию, вырабатываемую генераторами.

Необходимо отметить, что в настоящий момент паровые турбины также применяются на морсикх и речных судах. Эксплуатация же турбин на летательных аппаратах и в наземном транспорте недоступна из-за высокого потребления воды для нормальной работы генераторов.

Внутреннее и внешнее устройство сопла, его функции

Сопло – одна из наиболее важных частей паровой турбины, именно через него происходит постоянная подача пара.

На момент, когда у конструкторов еще не было достаточно полной информации о процессе расширения пара, сконструировать устройство с высоким коэффициентом полезного действия было невозможно. В первую очередь, это определялось строением сопл, которые на протяжении всей своей длины имели равный диаметр. При этом, проходящий через них пар двигался попадал в область меньшего давления. В таких условиях давление потока закономерно снижалось, преобразуясь в скорость движения. Для нормального насыщения сухого пара, уровень его давления на конце сопла должен быть более 0,58 от его начального уровня. Данное значение получило название критического давления. На его основе вычисляют и максимальную скорость потока, критической скоростью, которое для перегретого пара устанавливается в значении 0. 546 от исходного давления пара.

Но данных условий для рациональной работы двигателя также было недостаточно. Здесь при преодолении трубы сопла пар приходил во вращение из-за расширения потока. Решением данной задачи стало преобразование формы сопла двигателя. Теперь сопло имело более узкий диаметр, который увеличивался при приближении к дискам турбины. Дополнительной особенностью такой формы было то, что на выходе потока удавалось приблизить его давление к значениям давления во внешней среде у конца сопла. Это разрешило проблему вращения пара, что негативно сказывалось на скорости потока, и позволило достичь сверхкритических значений уровня давления.

Строение паровой турбины и принцип действия

Необходимо отметить, что в паровой турбины реализуются два принца действия, определяемых ее конструкцией.

Первый принцип – принцип активных турбин. Подразумеваются те конструкции, где увеличение объема горячего потока происходит в неподвижных труба и до места его перехода на движущийся диск.

Второй принцип – реактивный. К подобным двигателям относят все те, увеличение объема горячего потока в которых осуществляется и до моментов поступлений на вращающийся диск, и в промежуток времени между ними. Также устройства с подобной конструкцией обозначают как работающие на реакции. При условии потери тепла в трубах около половины от всех потерь паровую турбину тоже называют реактивной.

Когда исследуется конструкция двигателя и его основных частей, необходимо отметить и другие процессы. Так поток жидкости, направленной на вращающийся диск, будет производить на него давление. Уровень давления здесь будет находится в прямой зависимости от условий: объема поступающей жидкости, скорость струи при вступлении и выходе к рабочим лопаткам, профилю лопаток и угла падения жидкости на поверхность лопастей. Совершенно не обязательно, чтобы вода била о лопасти, скорее наоборот, такого эффекта чаще избегают и стремятся к плавному касанию струей лопатки.

Функционирование паровой турбины

Что представляет собой конструкция турбины, функционирующей на подобном принципе. Основное внимание привлекает закон, что тело имеет большую кинетическую энергию, если движется с высокой скоростью. Но необходимо понимать – энергия теряется при появлении потерь в скорости. Тогда есть следующие возможные варианты развития событий при соударении горячего потока с лопастью рабочей лопатки, находящейся перпендикулярно его направлению.

Возможен первый вариант: струя сталкивается со статичной поверхностью. Тогда энергия движения частично преобразуется в тепловую, а остаток энергии будет затрачена на движение частиц потока в противоположную от лопасти сторону, назад. Очевидно, что выполненная при этом полезная работа будет минимальна.

Другой вариант: лопасти турбины будут находиться в движении. Тогда определенная часть внутренней энергии затратится на передвижение диска с лопатками, а остаток также исчезнет без совершения какой-либо полезной работы.

В конструкции паровой турбины и процессе ее функционирования – активном –реализуется последний вариант. Конечно, следует учитывать цель – минимизировать нерациональные затраты энергии. Кроме того, необходимо обезопасить лопатки от повреждения при их столкновении с потоком пара. Добиться безопасного протекания процесса можно с помощью установки лопатки с наиболее выгодной для этого формой лопастей.

Посредством проведения обследований и соответствующих вычислений было выявлено, что наиболее приспособленной к столкновению с потоком будет такая форма лопатки, которая сумеет произвести плавный оборот, после чего направление движения струи будет смещено в противоположную сторону. То есть для лопастей следует подобрать форму полукруга. Тогда, при ударе о поверхность лопатки. Пар будет передавать максимум своей внутренней энергии на дис турбины осуществляя таким образом его вращение. Выявляемые в таком случае потери тепла будут приближаться к незначительным.

Принцип работы активной паровой турбины

Строение и общий принцир функционирования двигателя в работе следующий.

Горячий поток с установленными давлением и скоростью направляется в сопло, гда его объем увеличивается до второго значения давления. Соответственно с данным значением увеличивается и скорость движения потока. Приобретая с продвижением по соплу все большую скорость поток достигает рабочих лопаток. Оказывая давление на лопатки, пар осущаествляет дввижение диска и также соединенного с ним вала турбины.

После прохождения через лопатки, поток за счет соударения с препятствиями снижает значени скорости – значительная часть внутренней кинетической энергии преобразуется в мехаическую. Здесь также снижается уровень давления. Однако на входе и выходе с лопаток эти значения пара равны, что обуславливается равными сечениями каналов по всей длине между лопастями рабочих лопаток. Также сохранение исходного состояния пара обуславливается тем, что внутри самих деталей также не происходит дополнительного увеличения исходного объема пара. Для удаления отработанного пара в конструкции турбины существуют специальный патрубок.

Техническое устройство паровой турбины

Конструкция турбины содержит три цилиндра, представляющие собой статоры в неподвижной оболочке, и мощный вращающийся ротор. Несколько разделенных роторов скрепляются муфтами. Цепочка, составленная из роторов цилиндров, генератора электрического тока и возбудителя объединяется в валопровод. Размеры данной структуры конструкции при наибольших размерах ее частей составляет около 80 метров в длину.

При функционировании турбина и ее работа представляют собой следующее. Валопроводом осуществляется вращение в опорных подшибниках скольжения вкладышей. Обороты выполняются на плотном смазочном слое, металлических поверхностей вкладышей в ходе работы вал непосредственно не касается. Сегодня, как правило, роторы устройства устанавливаются на двух опорных подшибниках.

Иногда посреди роторов, относящимися к ЦВД и ЦСД, работает только один опорный подшибник. Поток, увеличивающий свой объем в турбине, принуждает роторы осуществлять вращение. Вырабатываемая роторами энергия соединяется в полумуфте и здесь получает свое наибольшее значение.

Также все элементы испытывают воздействие осевого напряжения. Усилия складываются а их наибольший показатель – осевое напряжение в совокупности – отдается на роторные сегменты.

Техническое строение ротора турбины

Отдельные роторы располагаются в цилиндры. Значения давления в них в современных двигателях нередко доходит до 500 Мпа, поэтому корпуса изготавливаются с двумя стенками, что позволяет снизить различия давления. Также это дает возможность сделать процесс стягивания фланцевых соединений значительно проще и быстрее. С данной мерой предосторожности возможно резкое изменение значения вырабатываемой двигателями мощности.

Необходимым является присутствие горизонтального отверстия, позволяющего осуществить быстрый монтаж деталей внутри корпуса конструкции, а также создает доступ к уже встроенному ротору при выполнении проверки и починки устройства. При монтировании самой турбины все разъемы и отверстия корпуса располагаются соответствующе. В целях упрощения процедуры монтажа паровой турбины согласуется, что все горизонтальные плоскости соединяются в единую.

При дальнейшей установке валоповоротного устройства он располагается в подготовленный горизонтальный разъем, гарантирующий центовку частей. Это требуется в первую очередь для предотвращения возникновения столкновений между статором и ротором в процессе работы двигателя. Данная проблема может создать серьезную аварию паровой турбины. Так как поток пара внутри паровой турбины обладает высокими температурами, а обращение ротора выполняется по смазочному слою, то температура масла не должна превышать 100 ᵒ Цельсия. Такие рамки оптимальны как в соответствии с нормами противопожарной безопасности, так и в целях сохранения смазочных свойств жидкости. В целях достижения данных значений, вкладыши подшибников располагаются вне стенок цилиндра в подготовленных опорах.

Эксплуатация турбин на атомных станциях

Конструкция турбины на атомной электростанции исследуется на примере устройств насыщенного пара, присутствующие только на объектах, эксплуатирующих в качестве источника энергии водяной пар. Первичные показатели конструкций на АЭС обладают невысокими показателями. Поэтому для получения необходимого эффекта через них пропускается большее количество жидкости. В связи с этим повышается влажность, осаждающаяся на элементах конструкций турбин. Решением здесь становятся влагоулавливатели внутри и вне корпусов двигателей.

Повышение уровня влажности также понижает конечный КПД паровой турбины и вызывает появление эрозионного разрушения сопл. Во избежание возможных повреждений детали конструкции хромируются, закаливаются, подвергаются электроискровой обработке. Так в условиях АЗС основной задачей конструкторов является защита конструкций от разрушений высокой влажностью.

Самым рациональным методом удаления лишней жидкости из турбин является метод отбора пара, выполняемый на регенеративные нагреватели. При этом если данные отборы размещаются на турбине поступенчато, тогда они осуществляют полноценное удаление лишней влаги и потребность в установке влагоулавливателей внутри турбин пропадает. Возможные значения влажности напрямую зависят от диаметра лопастей рабочих лопаток и на частоте обращения дисков.

Строение паровых и газовых турбин

Основное преимущество паровой турбины, как и паровых турбин AEG? – отсутствие необходимости соединения с турбинным валом генератора электрического тока. Оно устойчиво к перегрузкам и может управляться с помощью устройства регуляции частоты обращения вала. КПД у них также сравнительно высок, что с принятием во внимание всех других качеств выводит их на первое место по эффективности эксплуатации.

Схожими характеристиками обладают и газовые турбины, который по конструкции почти не отличаются о паровых. Они также являются устройствами лопаточного типа, и движение ротора здесь также осуществляется посредством превращения кинетической энергии потока.

Основное различие – в виде используемого рабочего вещества. Как в паровой таковым является вола, или пар, так в газовой используется газ, выделяемый горючими материалами или представляющий собой состав пара и воздуха. Дополнительной различие в оборудовании, необходимом для выделения данных рабочих веществ. Поэтому в целом конструкции почти одинаковы, но их дополнительное оборудование к ним различно.

Паровая турбина со встроенным конденсатом

Конденсаторы и паровые турбины были исследованы в монографии С.М.Лосева, изданной в 1964 году. Книга вмещала теоретическое описание устройства и функционирования турбин и их конденсаторных установок.

Турбинная установка, расположенная в нагревателе, вмещает несколько сред – водяную, газовую и конденсаторную, которые вместе составляют завершенный цикл. При таком условии в среде в процессе превращений тратится минимальное количество пара и воды. Для их восполнения в установку наливают природную воду, предварительно пропущенную через водоочиститель. Здесь вода выдерживает воздействие химикатов, очищающих ее от лишних примесей.

Принцип действия конденсаторной установки:

Поток газа, прошедший через лопатки турбины и имеющий сравнительно более низкое давление и количество тепла, выводится в конденсатор.
При этом на пути прохождении пара расположены трубки, с помощью которых насосами вытягивается остывающая жидкость. Зачастую она используется из природных водоемов.
При касании холодных стенок трубок пар преобразуется в конденсат, что связано с его более высокой температурой.
Образовавшийся конденсат собирается в конденсаторную установку, где попадает в трубки насоса и заливается в деаэратор.
Оттуда жидкость опять передается в нагреватель, преобразуется в газ и запускается в новый цикл.

Помимо этих главных элементов и простого алгоритма функционирования, существует перечень других устройств – турбонаддув и подогреватель.

Новое изобретение парового двигателя. Карл Биленберг черпал вдохновение в… | по запросу @ASME | ASME ISHOW / IDEA LAB

Карл Биленберг черпал вдохновение в технологических инновациях промышленной революции, направленных на сокращение глобальной энергетической бедности.

Один взгляд на спутниковый снимок Земли ночью многое говорит об энергетическом неравенстве в мире. Европа, США и Ближний Восток светятся яркими огнями. Япония в огне, как и большая часть Юго-Восточной Азии, Южной Канады и густонаселенных прибрежных районов Южной Америки и Австралии. Но Африка — за пределами пылающего Йоханнесбурга и нескольких мерцающих городских центров — темна.

По данным Международного энергетического агентства, около 1,3 миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к электричеству. Почти половина из них живет в небольших отдаленных общинах, разбросанных по всей Африке к югу от Сахары, где проживает почти миллиард человек. И, несмотря на стремительный экономический рост во многих африканских странах, число людей, не подключенных к современным энергетическим услугам, растет, потому что расширение инфраструктуры не может идти в ногу с ростом городов. Действительно, при высокой стоимости и медленном росте энергетических услуг процент «подключенного» населения Африки — как городского, так и сельского — мало изменился за последние 40 лет.

Почти столько же времени Карл Биленберг искал способы создания доступной энергии в Африке. В 1980-х годах инженер-механик изучал, как использовать растительные масла в качестве более дешевых заменителей дизельного топлива, которое в то время приводило в действие большинство сельскохозяйственных машин. Ни одна из разрабатываемых им технологий не оказалась столь рентабельной, как он надеялся, поэтому он вернулся к чертежной доске. Путь назад.

«Я начал спрашивать, почему мы отказываемся от пара, — размышляет Биленберг. «Пар был источником энергии, подпитывавшим промышленную революцию. Почему бы нам не использовать это в Африке?»

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛИ

Между серединой 18-го и 19-го веков большинство заводов, кораблей и поездов приводились в движение паровыми двигателями. Технология была проста: котел — в основном резервуар или контейнер с огнем под ним — производил пар путем нагревания воды. Создание объемов пара внутри котла создавало давление, которое можно было использовать для движения и выполнения работы.

До конца 19-го века паровые двигатели генерировали полезную мощность за счет приложения давления в котле к поршню, который запускал цепную реакцию, когда он начинал движение. Движение будет вращать связанный вал, который можно использовать для привода механического оборудования, например, при прикреплении к колесам локомотива или гребному винту корабля. Или он мог производить электричество, вращая генератор. Это был простой процесс, а паровые двигатели были чрезвычайно надежными и долговечными машинами. На самом деле, паровая машина могла работать до 75 лет при нечастом обслуживании.

Доступ к энергии в Африке мало изменился за последние 40 лет.

Недостатком паровых машин было то, что они были большими, тяжелыми и капиталоемкими. Со временем, когда использование ископаемого топлива и двигателей внутреннего сгорания стало более распространенным, паровые двигатели стали менее конкурентоспособными. Поэтому, когда Биленберг решил вернуться к использованию пара в качестве источника энергии, он знал, что ему необходимо внести улучшения.

«Дело не в том, что они не знали, что им нужно было сделать в 19 веке для повышения эффективности. Они сделали очень многое за почти столетнюю историю его использования», — говорит Биленберг. «Но мы смогли продвинуться немного дальше с материалами, которых у них не было».

В 2008 году, используя современные материалы и улучшенную термодинамику, Биленберг разработал небольшую паровую установку, работающую на биомассе, которая преобразует древесные и сельскохозяйственные отходы в полезную энергию. Он назвал и прототип, и предприятие, которое он начал для коммерциализации, Village Industrial Power, или сокращенно VIP.

ЗАВИСИМОСТЬ БИОМАССЫ

Использование биомассы в качестве мощного и эффективного источника энергии может изменить правила игры в бедных, не подключенных к сети сообществах, где от 75 до 80 процентов общего потребления энергии потребляется природными веществами, говорит Биленберг. Отчасти причина такого высокого процента заключается в том, что много биомассы сжигается в традиционных открытых огнях, которые являются неэффективным способом обеспечения тепла.

Биленберг утверждает, что для борьбы с энергетической бедностью имеет смысл изучить виды топлива, которые люди уже используют, чтобы понять, как использовать их более эффективно и производить современные энергетические услуги. «Если вы можете это сделать, вы даете людям возможность развиваться экономически и повышать уровень жизни, не становясь зависимыми от дорогого импортного топлива. Это очень мощная парадигма», — говорит он.

VIP, безусловно, предлагает значительный импульс для изменения парадигмы, о чем свидетельствует слово «деревня» в его названии. Машина предназначена для обеспечения энергией целых сообществ или небольших коммерческих предприятий, а не отдельных домохозяйств. Предполагаемое использование VIP включает в себя питание сельскохозяйственной промышленности, общественных клиник и больниц или микросетей. На самом деле, все эти приложения были протестированы.

Географически целевые рынки VIP включают в себя менее развитые страны, где технология может заменить функции, которые в противном случае зависят от дорогостоящих источников топлива, таких как дизельное топливо, которое стоит около 1 доллара США за литр в большинстве районов Африки. Поскольку VIP работает на биомассе, эта технология полезна только в регионах с обильными источниками биомассы, а не в пустынях или регионах с небольшим количеством деревьев или малой растительностью. Самые идеальные районы находятся в пределах от 10 до 30 градусов от экватора.

В отдаленном африканском регионе Сахель — полосе между северной пустыней континента и центральным лесом, простирающейся от Судана до Сенегала — сельские общины обходятся небольшими источниками дохода и элементарной инфраструктурой.

Эффективность простых источников энергии из биомассы

«[Для получения энергии] люди сжигают древесину. Лес и деревья очень важны для их выживания», — объясняет Биленберг. Для всего, что не может быть топливом из дерева, люди полагаются на дизельные двигатели и генераторы или силу человеческих мышц.

Дизельные машины дороги в местах, где мало возможностей для заработка. Эксплуатация небольшого дизельного генератора мощностью 2,5 кВт в течение полного дня может стоить около 10 долларов на топливо. Таким образом, люди пытаются свести к минимуму потребление топлива, чтобы сэкономить деньги на неизбежные расходы, такие как лекарства, одежда и плата за обучение в школе; они делают это, максимально полагаясь на свой собственный труд.

«В деревнях, где есть зерновые мельницы с дизельным двигателем, значительная часть женщин предпочитает молоть кукурузу вручную, чтобы избежать затрат на механизированное измельчение», — объясняет Биленберг. «Это указывает на то, что для женщин с низким доходом ручной труд может быть дешевле дизельного топлива».

Биленберг подчеркивает потребность в доступных и недорогих видах энергии, а также в решениях, которые могут обеспечить возможности получения дохода в сообществах, особенно для женщин.

МАЛЕНЬКАЯ ПАРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬ, КОТОРАЯ МОЖЕТ

Возможность использовать биомассу в качестве источника энергии для слаборазвитых районов появилась у Биленберга благодаря 40 годам работы в Западной Африке и долгой карьере в области производства электроэнергии в США. В США он зарабатывал себе на жизнь, представляя то, что он называет «целевой компанией», которая производит промышленные котельные на биомассе.

«Основным рынком сбыта этих растений является Новая Англия, где зимы длинные, а вегетационный период короткий и у нас много древесины. Мы ставим их в школах и больницах, и они производят очень дешевое тепло и горячую воду для больших зданий», — говорит он. «Это технология, которая [является] очень интересной и рентабельной при уменьшении масштаба».

КПД 10-киловаттной машины VIP

Полезная выходная мощность VIP бывает трех видов: механическая, электрическая и тепловая. Механическая энергия может использоваться для привода механизмов или преобразовываться в электрическую энергию с помощью генератора машины. Первоначальный прототип паровой машины мощностью 7 кВт поглощает 60 процентов тепла от огня, работающего на биомассе, — около восьми процентов из которых можно использовать для производства энергии или электричества.

Последняя версия VIP — это машина мощностью 10 кВт, которая может улавливать 70 % тепла от огня, примерно 10 % которого можно преобразовать в электричество. Работая восемь часов в день, он может производить 80 кВт-часов, что достаточно для обеспечения электричеством от 100 до 200 домов для маломощного освещения и основных бытовых приборов, таких как небольшой холодильник. Это также заменяет расходы на дизельное топливо от 32 до 40 долларов каждый день.

Оставшиеся 60 процентов захваченной энергии можно использовать в качестве тепла для таких применений, как общественные бани, приготовление пищи, обработка или сушка урожая или стерилизация в медицинских учреждениях.

«Звучит плохо, что мы получаем больше тепла, чем электроэнергии, но в приложениях, которые мы рассматриваем, [таких как] обработка урожая и здравоохранение, потребность в тепле на самом деле превышает потребность в электроэнергии. или мощность, так что это, по сути, очень хороший баланс», — говорит Биленберг.

Одним из ключевых преимуществ VIP по сравнению с другими технологиями является то, что его мощность может быть легко передана в любое время. Фотоэлектрическая солнечная энергия, например, требует резервных батарей для работы ночью или в плохих погодных условиях.

Чтобы сделать паровую энергию доступной для сообществ с ограниченными ресурсами, Биленбергу и его команде пришлось внести значительные изменения в дизайн своей вдохновляющей модели. Традиционные паровые двигатели имели сложные соединения и механизмы для управления их клапанами, что усложняло и удорожало машину. Но VIP должен был быть простым по своей конструкции, с минимальным количеством движущихся частей из-за трудностей с поиском специалистов для обслуживания в отдаленных районах.

Решение, которое разработала команда Биленберга, заключалась в установке автоматических впускных клапанов. «Они находятся под давлением, работают сами по себе и делают именно то, что им нужно, не требуя никакого внешнего механизма для их перемещения», — объясняет он.

Еще одно важное изменение конструкции заключается в том, что VIP не требует смазки для своих движущихся частей. В стандартных паровых двигателях операторам приходилось использовать масло для смазки поршня и поршневых колец, чтобы двигатель работал плавно. Биленберг хотел отказаться от смазочных материалов по двум причинам: во-первых, потому что масло было бы дополнительными затратами, и во-вторых, потому что смазочное масло для поршня смешивалось бы с паром и его нужно было бы отфильтровывать перед рециркуляцией конденсата обратно в котел. — дополнительная сложность. Если бы этого не было, масло сгорало бы внутри котла и снижало его КПД.

В качестве решения команда VIP использовала углеграфитовые материалы для поверхности скольжения поршня и поршневых уплотнений. Поршни и уплотнения, изготовленные из этой кристаллической формы углерода, являются самосмазывающимися. Это позволяет воде — дефицитному ресурсу во многих местах — легко перерабатываться в машине.

Последним усовершенствованием конструкции VIP является прочный котел. В гидростатических испытаниях, когда для оценки производительности котла используется вода под давлением, коэффициент безопасности машины оказался в три раза выше, чем у обычных американских котлов. Это стало результатом кропотливой инженерной работы Биленберга, направленной на то, чтобы котел соответствовал или превосходил нормы котлов ASME — строгий набор стандартов, который был сформирован с появлением коммерческого производства паровой энергии.

Все эти доработки позволяют сделать машину более эффективной, безопасной и компактной. Однако VIP-оборудование по-прежнему является тяжелым оборудованием: готовые единицы весят около тонны.

В настоящее время все VIP изготавливаются вручную в Новой Англии и доставляются в конечные пункты назначения готовыми к эксплуатации по прибытии. Каждый блок построен как единое целое, которое можно перемещать на пикапе и прикручивать болтами к бетонной площадке внутри сарая. Как только VIP-устройство установлено на место, все, что нужно сделать оператору, это наполнить его топливом и водой, чтобы начать его использовать.

Есть недостатки в ручном изготовлении VIP-юнитов, так далеких от их целевых рынков, особенно с точки зрения стоимости. В настоящее время производство машин стоит около 20 000 долларов. Поскольку компания использует более дешевое производство и увеличивает объемы производства, ожидается, что цена упадет примерно до 15 000 долларов.

Для сравнения, дизель-генераторные установки, которые могут соответствовать выходной электрической мощности VIP, стоят от 4000 до 10 000 долларов США без учета текущих затрат на дизельное топливо. «Таким образом, производство нашего примерно в два раза дороже», — признает Биленберг.

Добавьте стоимость доставки в порты Африки, которая составляет около 2500 долларов за машину, от 100 до 500 долларов за транспортировку из порта до конечного объекта и до 300 долларов за установку, и VIP становится довольно дорогим оборудованием для сельские общины с низким доходом должны платить авансом.

Команда признает, что должны быть варианты финансирования, чтобы решение было жизнеспособным. Но они также ожидают, что, когда будет определена окончательная цена, VIP будет конкурентоспособен по стоимости с другими доступными технологиями. (VIP утверждает, что машина уже конкурентоспособна с солнечными системами сравнимого размера.) По оценкам Биленберга, если двигатель будет работать от восьми до десяти часов в день, машина окупится за один-два года.

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ РАБОТЫ

В конце 2014 года компания VIP начала полевые испытания своих устройств, чтобы оценить, какие аспекты технологии работают лучше, а какие необходимо улучшить. Пять бета-прототипов блоков мощностью 7 кВт были отправлены в Африку благодаря грантовому финансированию в рамках премии USAID 2013 года «Энергия сельского хозяйства»: два в Танзанию для питания больницы и деревенской микросети и три для устойчивых плантаций масличных пальм в Бенине. В Танзании больничная установка предназначена для обеспечения электричеством воды и отопления прачечной, а установка в деревне, как ожидается, электрифицирует 50 домов и ряд малых предприятий. В Бенине установки предназначены для замены дизельного топлива и дров для питания сельскохозяйственной техники и горячего водоснабжения.

VIP-гостиница и масличная пальма испытываются на топливе из кофейной шелухи (пергамента) и волокна масличной пальмы и скорлупы ядра пальмы соответственно, а деревенский завод испытывается на древесных отходах выращенных на плантациях эвкалиптов.

В дополнение к пяти испытательным блокам в Африке компания VIP установила два блока мощностью 50 кВт в государственном доме престарелых в Нью-Гемпшире. Эти блоки являются частью интегрированной автономной системы, которая также состоит из гидроэлектростанций и дизель-генераторов. Эти агрегаты получают пар от котельной установки Messersmith мощностью 5 мм БТЕ, частично разработанной Bielenberg. Инсталляция в Нью-Гэмпшире подчеркивает широкие возможности применения технологии и ее потенциальное использование в более богатых сообществах.

В ходе полевых испытаний команда надеется узнать больше о том, как работает VIP при работе на различных видах топлива, а также о том, сколько золы производят различные виды топлива и вызывают ли они коррозию передаточной поверхности котла или способствуют « зашлаковывание печи из-за налипания на ее горячие поверхности. Испытания также позволяют оценить адаптируемость технологии к различным видам топлива, чтобы определить, где она наиболее подходит для использования.

Большинство результатов, собранных VIP до сих пор, были анекдотичными, но, тем не менее, познавательными. Например, одной из проблем, которую решает команда, является установка автоматического контроля подачи и зарядки аккумуляторов на машинах. Другие отзывы показали, что некоторые аспекты машин работают лучше, чем предполагалось изначально.

«Многие люди думали, что тот факт, что это машина с ручным управлением, станет проблемой, — говорит Фелисити Лодж, генеральный директор VIP. «На самом деле, люди были в восторге от того, что это ручное управление, потому что им не нужно беспокоиться о замене деталей, к которым у них нет доступа или которые они не могут отремонтировать. Они были довольны тем, что устройство можно разобрать и собрать менее чем за час с помощью двух гаечных ключей».

Она добавляет, что технологии для рынков с низким уровнем ресурсов, подобных тем, которые они обслуживают в Африке, иногда могут быть слишком сложными. «Как только они ломаются, они ломаются. Здесь не тот дизайн. Было задумано сделать VIP ремонтопригодным и простым в обслуживании».

Один из самых неожиданных отзывов касается способности машины свести к минимуму использование дров в качестве ежедневного источника топлива. И Биленберг, и Лодж считали, что фермеры и сельские жители будут больше всего заинтересованы в экономии дизельного топлива. «Но оказывается, что значительное сокращение потребления древесины для них не менее, если не более важно», — говорит Лодж.

VIP Цикл ввода-вывода

Это важный знак будущего технологии как эффективного и устойчивого источника энергии. Нетрудно представить, как надежный производитель энергии, работающий на биомассе, может привести к разрушительным экологическим действиям, таким как вырубка лесов, чтобы поддерживать отопление и освещение сообществ и идти в ногу с экономическим ростом. Наоборот, Биленберг считает, что местное присутствие высокопоставленного лица может фактически стимулировать лесовосстановление, мотивируя фермеров устойчиво сажать деревья для использования в качестве топлива, а не просто заготавливать древесину для пропитания, говорит он.

Команда VIP еще не опубликовала количественные данные о том, сколько киловатт-часов электроэнергии могут производить машины на килограмм биомассы, но они анализируют эти цифры для нескольких источников топлива. Предварительные испытания показали, что когда давление в котле VIP составляет от 250 до 300 фунтов на квадратный дюйм, для производства 7 кВт энергии требуется от 25 до 30 кг воздушно-сухой древесины в час. «Новое поколение VIP», выпущенное в декабре 2015 года, «было рассчитано на работу при давлении до 400 фунтов на квадратный дюйм. Мы наблюдаем значительное увеличение мощности и эффективности при повышении давления и ожидаем, что новые агрегаты будут производить 10 кВт при том же расходе топлива», — говорит Биленберг.

Благодаря инвестиционному финансированию со стороны фирмы Factor(E) Ventures, занимающейся поддержкой венчурных инвестиций на ранней стадии, новые агрегаты, получившие название V-10, включают в себя несколько улучшений, таких как новый котел, разработанный в соответствии со стандартами ASME, сварные соединения труб и более прочные внутренние детали двигателя. чтобы приспособиться к повышенному давлению и мощности. Рыночные испытания новых устройств начнутся в 2016 году в Кении и Гане.

ЗАМЫКАНИЕ ЦИКЛА

В танзанийской деревне, где блок VIP используется для питания микросети, процесс запуска сети многому научил команду VIP относительно потенциала и ограничений их изобретения. В деревне они нашли общину, которая ждала, когда правительство подключит их к национальной электросети, хотя сеть Танзании обслуживает только 14 процентов ее почти 50 миллионов жителей. (Большинство его подключенных пользователей находятся в городах.) Из-за этого готовность сельских жителей платить за электроэнергию была ограничена, даже несмотря на то, что темпы подключения правительства были медленными.

Те, кто понимал, что сеть вряд ли до них доберется в ближайшее время, с большей готовностью платили за электроэнергию, при условии, что они могли снизить затраты, используя источник на более длительные периоды времени для поддержания продуктивной деятельности в дневное время.

«Люди были счастливы, что устройство можно разобрать и собрать за час с помощью двух гаечных ключей».

Таким образом, команда VIP узнала, что для обеспечения работы микросетевой системы эти приложения должны быть доступны с первого дня, а также должен существовать четкий процесс выставления счетов домохозяйствам за потребляемую ими электроэнергию. Затраты и планирование, необходимые для того, чтобы технология работала на этом уровне, могут быть больше, чем могут себе позволить некоторые из предполагаемых клиентов VIP.

Биленберг и Лодж признают, что первоначальная стоимость устройства VIP, будь то для микросети или любого другого приложения, создает проблему для его масштабируемости. «Одной большой проблемой для многих фермеров является финансирование, потому что они не могут легко получить доступ к финансированию от банков или других традиционных поставщиков», — говорит Лодж. «Мы рассматриваем различные модели финансирования и способы решения этой проблемы».

Одним из решений является помощь сообществам в разработке моделей финансирования, подобных энергосервисной компании или кооперативу, члены которого объединяются, чтобы купить машину. Они также надеются использовать заинтересованность успешных членов сообщества в том, чтобы помочь своим родным деревням получить доступ к лучшим ресурсам.

«В Африке люди, которые ушли и преуспели, традиционно несут ответственность за помощь своим деревням и семьям, — говорит Лодж.

Биленберг добавляет: «Я вижу в них людей, которые в конечном итоге должны нести ответственность за экономическое развитие своей страны. У них есть ресурсы, чтобы это произошло, но они не были задействованы в полной мере, потому что технологии [необходимые для экономического развития] не были доступны».

Биленберг на собственном опыте убедился, насколько эффективным может быть взаимодействие. В апреле прошлого года во время поездки в Бенин Биленберг разговаривал со своим малийским водителем о своей работе над VIP. Водитель предложил помощь с установкой трех агрегатов в Сакете. Он прибыл, чтобы помочь разгрузить машину и руководить всеми, кто ее устанавливал; он также научился обслуживать и запускать его. Он сказал Биленбергу, что после выхода на пенсию он хотел бы иметь VIP-персону в своей деревне в Мали.

Биленберг размышляет: «Он также сказал: «Это то, что вы никогда полностью не узнаете о плодах этого, потому что плоды будут продолжать накапливаться еще долгое время после того, как вас не станет». Sara Goudarzi и первоначально был опубликован в выпуске Demand Spring 2016 .

Первый американский паровой двигатель

№ 28:
ПЕРВАЯ АМЕРИКАНСКАЯ ПАРОВАЯ ДВИГАТЕЛЬ

Джон Х. Линхард

Щелкните здесь для прослушивания аудио эпизода 28.

Сегодня мы посетим первую американскую паровую машину.
Инженерный колледж Хьюстонского университета
представляет эту серию о машинах, которые делают
наша цивилизация управляется, и люди, чьи
изобретательность создала их.
Интеллигенция г.
Америка 18-го века очень интересовалась
технологическая революция, прокатившаяся тогда
Англия. В 1760 году молодой Джон Адамс написал в своем
дневник, что он изо всех сил пытался понять
Английские «пожарные машины», как тогда назывались паровые машины.
называется. Но историк Кэрролл Персел указывает
из того, что наш интерес к паровым двигателям был в значительной степени
академический, потому что реальная вещь просто не должна была
можно найти в колониях.
Использование паровых машин в начале 18 в.
Англия была довольно хорошо ограничена в хранении воды
из относительно глубоких британских угольных и металлических
шахты. По эту сторону Атлантики мы обходились
некоторое время с поверхностными отложениями угля и железа,
так что большой нужды в прокачке двигателей не было. Но
проблема возникла, когда мы пошли за медью и другими
более редкие металлы, потому что они залегают глубже в
земной шар.
В частности, медный рудник полковника Джона Шайлера.
недалеко от Пассаика, штат Нью-Джерси, был закрыт
наводнение в 1748 году. Итак, Шайлер послал англичан
изготовитель двигателей Джонатан Хорнблауэр от 1000 фунтов до
отправить ему «пожарную машину» в сопровождении рабочих в
помогите настроить. Двигатель приехал пять лет
позже, в 1753 году, вместе с сыном Хорнблауэра,
Иосия и несколько механиков.
Когда Иосия запустил машину почти
два года спустя Шайлер наняла его руководить
двигатель и шахта, а также. Он работал достаточно хорошо для
пять лет, пока он не сильно пострадал во время пожара.
Иосия снова вернул его в строй, но только
пока в 1768 году его не уничтожил очередной пожар.
оставался разрушенным до окончания Войны за независимость.
Джозайя Хорнблауэр сделал еще один ремонт в 179 г.3, и
на этот раз старая реликвия продолжала хорошо качать в
19-го века.
Но Америка не была построена на стандартном английском языке.
двигатели. Мы начали строить наши собственные двигатели
ко времени Войны за независимость. Перед Хорнблауэром
отремонтировал двигатель Шайлер во второй раз, он
были превзойдены не только лучшими английскими двигателями
но и по ранним американским образцам. Это было, по
то, что-то вроде антикварного туриста
Привлечение.
Настоящая ценность упорства Шайлер заключалась в том, что она
указал путь другим. Колониальные интеллектуалы
и писатели посетили шахту — Бен Франклин
остановился посмотреть. Какой был интеллигент
упражнение для Джона Адамса стало для нас реальным благодаря
Шайлер.
Я Джон Линхард из Хьюстонского университета.
где нас интересует, как изобретательные умы
Работа.

(Музыкальная тема)

Pursell, CW, Jr., Ранний стационарный пар
Двигатели в Америке: исследование миграции
Технология . Вашингтон, округ Колумбия: Смитсоновский институт
Institution Press, 1969, Глава 1, Колониальный
Опыт.
Примечание: 19.11./2011: г-н Эл Джарвис пишет, что фактическое
Шахта Шайлера находится в Северном Арлингтоне, штат Нью-Джерси, в пяти милях к югу от
Пассаик.
См. Эпизод 1085 для
исправленная и обновленная версия этого эпизода.

Двигатели нашей изобретательности
Copyright © 1988-2018 Джон Х.
Линхард.

Предыдущий
Эпизод | Поиск эпизодов |
Индекс |
Главная |
Далее
Эпизод

Паровые двигатели Генри Форда — Генри Форд

9 артефактов в этом наборе

Этот экспертный набор предоставлен вам:

Персонал Генри Форда

Генри Форд задокументировал эволюцию паровой энергии с помощью большой коллекции исторически и лично значимых паровых двигателей. Вот подборка — от самого старого известного парового двигателя до того, на котором Форд работал в подростковом возрасте — из «Генри Форда».

Подробное описание

Паровой тяговый двигатель Эйвери, около 1916 года

Паровой тяговый двигатель

Массивные паровые двигатели, такие как Эйвери, обычно использовались на больших фермах Великих равнин, хотя этот двигатель использовался на фермах Форда в Дирборне. , Мичиган. Он производил 30 лошадиных сил, но весил 23 тонны! Более эффективные тракторы, такие как Fordson, которые могли генерировать 20 лошадиных сил, но весили чуть более одной тонны, вскоре заменили этих динозавров на ферме.