Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Музея Индустриальной Культуры. Нюрнберг Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.
Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.
Рис. 4. Схема паровой машины тандем: 1 – поршень, 2 – поршневой шток, 3 – подшипник, 4 – шатун, 5 – кривошип, 6 – движение эксцентрикового клапана, 7 – маховик, 8 – скользящий клапан, 9 – центробежный регулятор 
ru-wiki.ru
Краткий ответ на вопрос
Они все отличные, но используются каждый для своей задачи. Небольшой паровой двигатель легче построить, но эффективность (сколько работы он может сделать, если потратить сколько-то топлива) у него меньше, чем у ДВС. У большой паровой турбины эффективность высокая, но это стационарные агрегаты, которые неудобно использовать напрямую, поэтому их используют для производства электроэнергии, а уже ею крутят электродвигатели (ЭД). В целом если рассматривать ряд паровая машина (ПМ) — ДВС — ЭД с генератором электроэнергии, то сложность изготовления и требования к точности изготовления возрастают, а с ними растет эффективность. Кроме того, растут требования к количеству знаний, которые мы должны иметь о том, как все это работает, а знания накапливаются постепенно. Поэтому сначала были ПМ, которые, грубо говоря, можно сделать на коленке и не особо понимая как они работают, затем ДВС — нужно кое-как разбираться в принципе работы тепловых машин вообще, и затем ЭД, для которых нужны знания электродинамики и все вышеперечисленное, так как для генераторов электроэнергии чаще всего используют другие типы двигателей.
Но этот краткий ответ — полная ерунда, давайте разбираться подотошнее.
Зачем вообще нужны двигатели
Если мы хотим узнать какой двигатель лучше, давайте поймем зачем они нужны, какие они бывают, а потом оценим, какой из них делает эти вещи лучше, а кроме того — насколько легко сделать такой двигатель.
Человек всегда хотел облегчить себе работу, а работа его обычно заключалась в перемещении предметов из одного места в другое — ну или в обработке земли или материалов, для чего опять-таки нужно постоянно перемещать инструменты.
Проще всего заставить делать все это другого человека. Но результат получится не очень: другой человек тоже захочет облегчить себе работу и вообще рабство — отстой. Можно заставить работать животное вроде лошади. Это уже гораздо лучше: на них можно очень быстро передвигаться, возить тяжести, можно приводить ими в движение штуки вроде мельниц, подъемников, водяных насосов. Но все это немного не то. Было бы здорово иметь машину, которая работает когда нужна, а в остальное время ее не нужно кормить. И тогда начали придумывать двигатели, приводящие в движение машины.
Давайте пропустим паруса, ветряные и водяные колеса — их хоть и не нужно кормить, но они работают только там, где есть ветер и поток воды, а это тоже ограничивает их применение. Рассмотрим более поздние штуки: паровой двигатель, двигатель Стирлинга и двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Принцип работы теплового двигателя
У всех этих двигателей есть одна общая черта: в движение (то есть работу) они превращают тепло. То есть это тепловые двигатели[1].
Принцип работы теплового двигателя простой: что-то при нагревании расширилось и подвинуло нужный предмет в нужном направлении, а потом, возможно, еще и при остывании сжалось и снова что-то куда-то подвинуло. Только это краткое объяснение, а мы их не любим, поэтому давайте рассматривать конкретные модели.
Начнем с начала, то есть жечь будем что угодно, а телом для расширения возьмем воду (точнее, водяной пар), этого добра везде полно. Посмотрите на эту картинку (да, я знаю, она была у вас в учебнике физики за четвертый класс):
Это эолипил — паровая турбина Герона Александрийского, который жил около двух тысяч лет назад. Правда, неизвестно, существовало ли это устройство или было только описано Героном. В любом случае, полезной работы оно не совершало и еще по крайней мере полторы тысячи лет его никто не рассматривал в этом плане. Другое его изобретение работу совершало — испаряющаяся вода конденсировалась и своей тяжестью тянула вниз веревку, открывающую двери храма. Можете себе представить сколько времени это занимало. Ну, видимо тогда никто никуда не спешил.
Настолько не спешил, что следующий двигатель (ну, по крайней мере из известных) появился только в конце 17 века. Причем это был не совсем двигатель как мы его понимаем, он не имел привода: пар в нем не двигал поршень, а его впускали в резервуар с водой и он выталкивал ее наружу, и этим пользовались для откачивания воды из шахты. Следующий появился в 18-м веке и он уже имел привод. Вот он (паровая машина Ньюкомена[2], картинка из википедии):
Что интересно — он работает не совсем интуитивно: обычно ожидается, что горячий пар, расширяясь, толкает поршень и совершает работу, но здесь все наоборот. Когда поршень идет вверх, цилиндр наполняется паром низкого давления из котла, при этом поршень насоса (который слева) опускается вниз под собственным весом. Затем в рабочий цилиндр (который справа) впрыскивают холодную воду, пар, охлаждаясь, сжимается и атмосферное давление снаружи толкает поршень вниз, при этом совершается работа.
Эта штука жрала немыслимое количество топлива и ее коэффициент полезного действия (КПД), то есть какая доля тепла превращается в полезную работу, был меньше 1%. Цилиндр при каждом цикле приходилось нагревать заново. Клапаны, которые впускают пар и холодную воду, поначалу управлялись вручную. Но представьте себе, это все равно было выгоднее, чем лошадиная тяга.
Затем эту машину усовершенствовал Джеймс Уатт (тот самый, в честь которого названа единица мощности Ватт). Во-первых, цилиндр теперь не нагревали и остужали постоянно — пар остывал в отдельном резервуаре ("конденсаторе"). Во-вторых, оба хода поршня стали рабочими, то есть работа производилась и при расширении пара. И в-третьих — у двигателя появился вращательный привод и он смог не только качать воду, но и крутить колесо мельницы или станка. Мощность и КПД выросли примерно в пять раз. А тут как раз началась промышленная революция (неясно, являлось ли одно причиной другого или просто так совпало по времени), и пошло-поехало.
И вот уже здесь можно увидеть пару особенностей, которые позволят нам ответить на изначальный вопрос. Когда Джеймс Уатт начал заниматься усовершенствованием машины Ньюкомена, та существовала уже 50 лет, но никто как следует не понимал как она работает. Первое усовершенствование (конденсатор) заняло у него 10 лет, второе (двойное действие) - еще больше 10. Металлообработка того времени не позволяла изготовлять такие большие детали (поршень и цилиндр) с нужной точностью. То есть мы видим, что чем дальше в истории, тем более сложными становятся машины, тем выше требования к точности изготовления деталей и тем больше нужно накопить знаний о том, как они, собственно, работают.
Затем появляются паровые машины высокого давления. Здесь уже пар расширяется и толкает поршень в цилиндре, после чего его давление падает и он выпускается в атмосферу (или в конденсатор, чтобы использовать воду повторно). Причем поршень можно с помощью нехитрой парораспределительной системы двигать сначала в одну сторону, а затем подавать пар с другой стороны и толкать обратно (машина двойного действия). Примерно так (картинка из Википедии):
Далее эта схема уже принципиально не менялась, хотя находили много способов ее усовершенствовать:
Кроме всех этих схем с поршнями энергию пара можно использовать еще и в паровых турбинах. Самую простую турбину мы уже видели чуть выше, но чтобы она производила разумное количество работы на единицу топлива, нужно ее усовершенствовать. Во-первых, вращать паром колесо с лопатками, примерно такое:
Если поставить друг за другом несколько колес и вращать каждое следующее отработанным паром от предыдущего (ступени турбины), можно повысить ее эффективность. И очень неплохо, кстати, недаром паровые турбины широко используются и сейчас, хотя об этом чуть позже.
Разница между турбиной и поршневым двигателем еще и в том, что турбина не может эффективно работать на низких оборотах — ей нужно постоянно бешено крутиться, а не везде это применимо. Транспорт, к примеру, должен двигаться с разными скоростями и часто довольно медленно. Поршневой двигатель передает энергию из цилиндра на колеса практически напрямую, а в случае турбины нужно сильно усложнять конструкцию.
Кроме того, при высоких скоростях вращения сильно возрастают требования к точности изготовления и прочности материалов: несбалансированное колесо турбины на высоких оборотах просто разрушится от вибрации. И еще нужно сделать так, чтобы колесо было с одной стороны довольно большое, но при этом зазоры между движущимися частями были минимальные.
Еще есть двигатели Стирлинга, о них кратко, потому что хотя они применялись и применяются и у них куча преимуществ, но нельзя ткнуть пальцем в какую-то известную каждому машину и сказать "вот в ней используется двигатель Стирлинга". Он не требует пара и работает просто за счет того, что с одной стороны цилиндр нагревают, а с другой — охлаждают, и воздух внутри цилиндра то расширяется, то сжимается, совершая работу. Примерно так:
Все рассмотренные выше двигатели называют двигателями внешнего сгорания, потому что топливо в них сгорает снаружи. Однако догадались сжигать его и внутри и так появились двигатели внутреннего сгорания (именно их далее будем называть ДВС). Дрова, уголь или кизяк внутри цилиндра сжигать проблематично, поэтому таким двигателям нужно определенное топливо — горючий газ или жидкость вроде нефти, спирта, масла. На внутреннем сгорании тоже можно построить турбину (тогда она называется не паровой, а газовой турбиной), а кроме того — эффективный реактивный двигатель, в котором сгорающий газ вырывается через сопло и тем самым толкает вперед то, на чем стоит это сопло.
Самый простой поршневый ДВС работает примерно так:
В цилиндр входит горючая смесь, затем поджигается (электрическая свеча зажигания), горящая смесь расширяется и толкает поршень.
Чем же такой двигатель отличается от паровых машин в контексте нашего вопроса, то есть 1. чем он лучше/хуже и 2. почему, грубо говоря, раньше ездили на паровозах, а сейчас на тепловозах?
Преимущества ДВС: они легче, компактнее и экономичнее, чем паровые. Однако недостатков тоже куча: они работают только на одном виде топлива, эффективнее всего работают только в небольшом диапазоне оборотов и по сравнению с паровыми очень технологичны. Так, им обязательно нужна система зажигания: топливо должно загораться в строго определенные моменты от электрической искры или в дизельных двигателях — сжатием горючей смеси. Они сами по себе не заводятся, их надо стартовать или электрическим стартером, или вручную. Им обязательно нужна смазка. Им нужна система охлаждения. В общем, на коленке, как машину Ньюкомена или двигатель Стирлинга, это уже не соорудить. Поэтому развились они чуть позже, чем двигатели внешнего сгорания, но вскоре преимущества перевесили недостатки и теперь они используются шире (по крайней мере, в некоторых областях, в других все еще рулят паровые машины).
Теперь об электрических двигателях
Оказывается, если поместить рамку из провода с электрическим током в магнитное поле (например, между двумя полюсами магнита), то на этот виток будет действовать поворачивающая его сила, примерно так:
Если ток течет все время в одну сторону и магнитное поле не меняется, то рамка развернется и останется в таком положении. Но если вместе с поворотом рамки изменить направление тока или направление магнитного поля, то рамка развернется еще раз, и таким образом можно заставить ее постоянно вращаться. Если намотать побольше витков, можно увеличить мощность.
Да это же вообще самое простое и эффективное, что только может быть. Но есть нюанс: такому двигателю нужно электричество, а чтобы получить электричество, нужно провести обратный процесс, то есть взять ту же рамку в магнитном поле и повернуть ее, и тогда в рамке побежит ток. Да, есть и другие способы — солнечные батареи, к примеру, или химические источники, но сейчас выгоднее всего добывать электроэнергию именно так — вращать рамку в магнитном поле.
Хорошие новости в том, что вращать эту рамку можно где угодно и чем угодно — паровой машиной, двигателем Стирлинга, ДВС, водяным колесом, ветряным пропеллером, а электроэнергию очень просто передавать по проводам.
Теперь рассмотрим, где двигатели применяются сейчас и какой из них в какой области лучше всего работает.
Давайте посмотрим графики. Да, графики далее будут с сайта американского агентства энергетической информации Energy Information Administration www.eia.gov и с сайта yearbook.enerdata.ru, у них отличная статистика. Сразу оговорюсь, что буду рассматривать только статистику по США, поскольку она у них самая полная, а для наших целей более важны именно оценки, а с ними мы практически не ошибемся, если будем рассматривать одного из двух топовых потребителей энергии в мире:
Второй потребитель — это Китай, который сейчас потребляет даже больше, чем США, но детальную статистику по Китаю найти сложнее.
Итак, что в США потребляет больше всего энергии и как эту энергию получают? Вот совершенно замечательная инфографика:
Итак, в основном мы производим электроэнергию, а также тратим энергию на промышленность и транспорт. При этом мы в основном используем именно тепловые двигатели, то есть сжигаем нефть, газ и уголь (что достаточно печально, но это другой вопрос). Рассмотрим каждый из этих секторов подробнее.
1. Промышленность
Начнем с этого сектора, поскольку он попроще. Здесь большей частью используются электродвигатели (источник), что логично. Для транспорта энергию нужно практически таскать с собой, а производство обычно никуда не движется и к нему выгоднее всего подвести электроэнергию, а добывать ее можно в другом месте.
2. Производство электроэнергии
Как мы видим, только 13% производства составляют возобновляемые источники, остальное — сжигание угля, нефти и газа и атомная энергия, то есть тепловые двигатели. Какие именно двигатели для этого используются? Почти исключительно паровые турбины. Их, в отличие от поршневых двигателей, отлично получается делать очень большими и очень мощными и полнее всего использовать энергию, так что у них очень высокий КПД.
3. Транспорт
Этот сектор уже гораздо интереснее. Транспорт сейчас работает почти исключительно на нефтепродуктах, вот детальная статистика:
Транспорт бывает пассажирский и перевозка грузов, первый — это в основном (если считать по количеству пассажиров и пройденному расстоянию) автомобили (16000 миллиардов человеко-километров в год), автобусы (7000) и самолеты (2800). Лидеры по перевозке грузов — это морские перевозки (40000 миллиардов тон на километр в год), грузовики (7000) и железные дороги (6500) (источник статистики здесь).
В автомобилях и автобусах сейчас в основном используются бензиновые и дизельные ДВС, они очень похожи, отличаются практически только типом топлива и способом зажигания. Эти двигатели оптимальны для такого применения, поскольку они небольшие по размеру и им приходится работать в большом диапазоне скоростей. Электродвигатели здесь были бы еще лучше, но с ними есть определенные трудности в этой области: стоимость и время зарядки аккумуляторов и всемирный заговор (почти шутка) производителей автомобилей. Однако надеюсь, что в будущем эта ситуация все же сместится в сторону электромобилей. Go Tesla Motors go!
В пассажирской авиации в основном используются турбовентиляторные двигатели, которые выглядят вот так:
А устроены так:
То есть по сути это газовая турбина и вентилятор в одном корпусе: вращением турбины воздух из передней части двигателя засасывается, сжимается и подается в камеру сгорания, там смешивается с топливом, которое сгорает, вращает турбину и на большой скорости покидает двигатель в задней части, тем самым толкая всю конструкцию вперед. Как все турбины, эффективнее всего работает на одной достаточно высокой скорости, но для самолетов это самое оно.
Теперь о перевозке грузов. Как мы видели чуть выше, в основном это водный транспорт, перевозящий в основном нефть и нефтепродукты, сжиженный газ, контейнеры. Это суда колоссального размера, которые неспешно — около 40-50 км/ч — везут огромное количество груза. На них устанавливаются поршневые дизельные ДВС, работающие в оптимальном режиме, чтобы экономить топливо. Что касается второго по списку участника — грузовиков, здесь требования и двигатели те же, что у автотранспорта, разве что дизельных двигателей все же побольше, но все же это обычные ДВС.
На железных дорогах почти та же ситуация — используются тепловозы с ДВС (в основном дизельные двигатели), и электровозы с электродвигателями. Электровозы в этом случае достаточно рентабельны, поскольку работают все или почти все время не от аккумуляторов, а от электрической сети. Кроме того, электродвигатель можно сделать еще более экономичным, если у локомотива есть так называемая рекуперативная система торможения, когда при торможении накопленная составом огромная энергия не рассеивается попусту в тепло на тормозных колодках, а идет на зарядку аккумуляторов. Но электровозам все же требуется электрическая сеть, которая есть не везде. Кроме того — в большинстве дизельных локомотивов ДВС используется как генератор для электродвигателя, который уже крутит колеса: таким образом проще передавать мощность с ДВС, работающего в оптимальном режиме. Кстати, паровозы на железных дорогах еще остались, но мало. Например, в некоторых районах Китая, где нет электрификации и сложности с доставкой дизельного топлива, но есть уголь[3]. Плюс, конечно же, некоторое количество исторических машин для развлечения туристов [4].
Итак, к какому же выводу мы пришли, разобравшись в истории двигателей и всем разнообразии, которое появилось у нас за всю их историю? Нет двигателя, который подходил бы для любой задачи, поэтому используются многие из изобретенных до сегодняшнего дня, каждый в своей нише. Однако одни из них сложнее изготовить, чем другие, поэтому сейчас таких более сложных двигателей больше, чем раньше.
nopochemu.com
Принцип действия парового двигателя
Rīga 2011
Содeржание
Аннотация
Ведение
1. Теоретическая часть
1.1 Временная цепочка
1.2 Паровой двигатель
1.2.1 Паровой котёл
1.2.2 Паровые турбины
1.3 Паровые машины
1.3.1 Первые пароходы
1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта
1.4 Применение паровых двигателей
1.4.1 Преимущество паровых машин
1.4.2 Коэффициент полезного действия
2. Практическая часть
2.1 Построение механизма
2.2 Способы улучшения машины и ее КПД
2.3 Анкетирование
Заключение
Список используемой литературы
Приложение
паровой двигатель полезное действие
Данная научная работа состоит из 32листов.Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использованияэнергиипара.
Введение
Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц - таким был мир техники до создания парового двигателя.Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель.И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы - весь сложный и могучий мир паротехники созданный человекомПаровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.Гипотеза:
Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.
Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.
Задача исследования:
1. Изучить научную литературу.
2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.
3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.
Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема.
Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.
Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.
Закон сохранения энергии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.
3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги.
2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.
1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.
312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.
1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи.
1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.
1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.
1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.
1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.
1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.
1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.
1690 г. — Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.
1698 г. — англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.
1741 г. — русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».
1769 г. — французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.
1784 г. — Джеймс Уатт создал первую паровую машину.
1791 г. — Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.
1794 г. — паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.
1800 г. — существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.
1808 г. — на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.
1810 г. — в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.
1816 г. — немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.
1834 г. — в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.
1868 г. — считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.
1871 г. — французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.
1874г. — в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».
1875г. — в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.
1884 г. — американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.
1901г. — в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».
1902г. — Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости — 120 км/ч.
Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч.
1905 г. — американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км
1.2 Паровой двигатель
Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.
mirznanii.com
Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
6422 
0 За время своего развития паровые машины значительно усовершенствовались, поэтому на них было обращено внимание при поиске замены двигателя внутреннего сгорания. При сгорании в оптимальных условиях продукты сгорания жидкого нефтяного топлива были бы безвредны для здоровья, однако этого не происходит в двигателе внутреннего сгорания. Характеристика крутящего момента поршневой паровой машины очень выгодна для привода автомобилей, но для этого необходимо решить ряд задач. Следует напомнить, что паровую машину для автомобилей использовали раньше, чем двигатель внутреннего сгорания, и именно автомобиль с паровой машиной первым преодолел рубеж скорости 200 км/ч.
Конструкция безопасного котла не представляет трудностей. Удается ограничить объем котла до объема трубы, имеющей вид спирали, тем самым одновременно решается вопрос о быстром парообразовании. Однако большую проблему представляет вода. На железных дорогах применение воды в локомотивах с котельными установками и непрерывным режимом эксплуатации оправдано. При эксплуатации автомобиля, например, один раз в неделю, замерзающая жидкость доставляет большие хлопоты. Пропагандист паровых автомобилей Лир предлагает для применения жидкость, которая заменила бы воду, но полной информации о составе этой жидкости не имеется. Независимо от типа применяемой жидкости образующийся пар необходимо конденсировать и вновь использовать. При этом возникают большие трудности, так как для размещения конденсаторов потребовался бы объем всего автомобиля, а привод вентилятора требовал бы значительной мощности. По этой причине система конденсации в локомотивах отсутствовала.
Другие трудности связаны с работоспособностью масла при высокой температуре и с устранением его из сконденсированной жидкости. Было сконструировано несколько типов силовых установок с паровым двигателем и приемлемым содержанием вредных веществ в отработавших газах, причем применялись как поршневая паровая машина, так и паровая турбина.
Дальше всех пошел пионер паровых двигателей Лир, который создал много прототипов. В первую очередь он использовал поршневую паровую машину, позднее испытывал паровую турбину. Паросиловая установка, предназначенная для размещения сзади в автобусе, показана на рис. 1. Паровая турбина развивает мощность около 160 кВт и работает с полной конденсацией. Некоторые прототипы этой установки вследствие больших размеров конденсаторов работали с частичной конденсацией, т. е. при полной мощности часть пара отводилась в атмосферу. Для легкового автомобиля «Шевроле Монте Карло» также была разработана паросиловая установка, имевшая мощность 50 кВт и размеры 610x660x410 мм.
 |
| 1 — выпускные трубопроводы; 2 — горелки; 3 — теплообменник; 4 — котел; 5 — конденсаторы; 6 — вентиляторы; 7 — трубопровод подвода пара в турбину; 8 — трубопровод отвода пара из турбины ь теплообменник; 9 — трубопровод подвода пара из теплообменника в конденсатор; 10 — водяной насос; 11 — водяной бак; 12 — паровая турбина; 13 — генератор; 14 — трубопровод отвода воды из конденсатора в водяной бак; 15 — автоматическая коробка передач; 16 — редуктор; 17 — редукторы привода вспомогательных агрегатов. |
Однако, как показывает анализ цикла Карно, при использовании паровой машины невозможно достичь удовлетворительного термического КПД силовой установки.
Вследствие этого имеется мало надежд на применение в автомобилях паросиловых установок.
Опубликовано 17.03.2014icarbio.ru
Интерес к водяному пару, как доступному источнику энергии, появился вместе с первыми научными познаниями древних. Приручить эту энергию люди пытались на протяжении трёх тысячелетий. Каковы основные этапы этого пути? Чьи размышления и проекты научили человечество извлекать из него максимальную пользу?
Потребность в механизмах, способных облегчить трудоёмкие процессы, существовала всегда. Примерно до середины XVIII века для этой цели использовались ветряные мельницы и водяные колеса. Возможность использования энергии ветра напрямую зависит от капризов погоды. А для использования водяных колёс фабрики приходилось строить по берегам рек, что не всегда удобно и целесообразно. Да и эффективность тех и других была чрезвычайно мала. Нужен был принципиально новый двигатель, легко управляемый и лишённый этих недостатков.
Создание парового двигателя — результат долгих размышлений, удач и крушений надежд множества учёных.
Первые, единичные проекты были лишь интересными диковинками. Например, Архимед сконструировал паровую пушку, Герон Александрийский использовал энергию пара для открывания дверей античных храмов. А заметки о практическом применении энергии пара для приведения в действие иных механизмов исследователи находят в трудах Леонардо да Винчи.
Рассмотрим наиболее значительные проекты по этой тематике.
В XVI веке арабский инженер Таги аль Дин разработал проект примитивной паровой турбины. Однако практического применения она не получила из-за сильного рассеяния струи пара, подаваемой на лопасти колеса турбины.
Перенесемся в средневековую Францию. Физик и талантливый изобретатель Дени Папен после многих неудачных проектов останавливается на следующей конструкции: вертикальный цилиндр заполняли водой, над которой устанавливали поршень.
Цилиндр нагревали, вода закипала и испарялась. Расширяющийся пар приподнимал поршень. Его закрепляли в верхней точке подъёма и ожидали остывания цилиндра и конденсации пара. После конденсации пара в цилиндре образовывался вакуум. Освобожденный от крепления поршень под действием атмосферного давления устремлялся в вакуум. Именно это падение поршня предполагалось использовать как рабочий ход.
Итак, полезный ход поршня был вызван образованием вакуума из-за конденсации пара и внешним (атмосферным) давлением.
Потому паровой двигатель Папена как и большинство последующих проектов получили название пароатмосферных машин.
Эта конструкция обладала весьма существенным недостатком — не была предусмотрена повторяемость цикла. Дени приходит к идее получать пар не в цилиндре, а отдельно в паровом котле.
В историю создания паровых двигателей Дени Папен вошел как изобретатель весьма важной детали — парового котла.
А поскольку пар стали получать вне цилиндра, сам двигатель перешел в разряд двигателей внешнего сгорания. Но из-за отсутствия распределительного механизма, обеспечивающего бесперебойную работу, эти проекты почти не нашли практического применения.
Около 50 лет для откачки воды в угольных шахтах использовался паровой насос Томаса Ньюкомена. Он во многом повторял предыдущие конструкции, но содержал весьма важные новинки — трубу для вывода сконденсированного пара и предохранительный клапан для выпуска излишнего пара.
Его существенным минусом было то, что цилиндр приходилось то нагревать перед впрыскиванием пара, то охлаждать перед его конденсацией. Но потребность в таких двигателях была столь высока, что, несмотря на их очевидную неэкономичность, последние экземпляры этих машин прослужили вплоть до 1930 года.
В 1765 году английский механик Джеймс Уатт, занявшись усовершенствованием машины Ньюкомена, отделил конденсатор от парового цилиндра.
Появилась возможность цилиндр держать постоянно нагретым. КПД машины сразу вырос. В последующие годы Уатт значительно усовершенствует свою модель, оснастив её устройством для подачи пара то с одной, то с другой стороны.
Стало возможным использовать эту машину не только как насос, но и для приведения в действие различных станков. Уатт получил патент на свое изобретение — паровой двигатель непрерывного действия. Начинается массовый выпуск этих машин.
К началу XIX века в Англии работало более 320 паровых машин Уатта. Их стали закупать и другие европейские страны. Это способствовало значительному росту промышленного производства во многих отраслях как самой Англии, так соседних государств.
Двадцатью годами ранее Уатта, в России над проектом паровой машины работал алтайский механик Иван Иванович Ползунов.
Заводское начальство предложило ему построить агрегат, который приводил бы в действие воздуходувку плавильной печи.
Построенная им машина была двухцилиндровой и обеспечивала непрерывное действие подсоединённого к ней устройства.
Успешно проработав более полутора месяцев, котёл дал течь. Самого Ползунова к этому времени уже не было в живых. Ремонтировать машину не стали. И замечательное творение русского изобретателя-одиночки было забыто.
В силу отсталости России того времени мир узнал об изобретении И. И. Ползунова с большим опозданием….
Итак, для приведения в действие паровой машины необходимо, чтобы пар, вырабатываемый паровым котлом, расширяясь, давил на поршень или на лопасти турбины. А затем их движение передавалось другим механическим частям.
Несмотря на то, что КПД паровых двигателей того времени не превышал 5%, к концу XVIII века их стали активно использовать в сельском хозяйстве и на транспорте:
Уже к концу XIX столетия паровые двигатели, сыграв свою роль в техническом прогрессе общества, уступают место двигателям внутреннего сгорания и электродвигателям.
С появлением новых источников энергии в XX и XXI веке снова появляется потребность в использовании энергии пара. Паровые турбины становятся неотъемлемой частью АЭС. Пар, приводящий их в действие, получают за счёт ядерного топлива.
Широко используются эти турбины и на конденсационных тепловых электростанциях.
В ряде стран проводятся эксперименты по получению пара за счёт солнечной энергии.
Не забыты и поршневые паровые двигатели. В горных местностях в качестве локомотива до сих пор используют паровозы.
Эти надёжные труженики и безопаснее, и дешевле. Линии электропередач им не нужны, а топливо — древесина и дешёвые сорта угля всегда под рукой.
Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%, так, что люди решили пока с ними не расставаться и работают над паровыми локомотивами нового поколения.
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:Вы можете оставить комментарий к докладу.
www.doklad-na-temu.ru
Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.
На анимированной иллюстрации приведен принцип работы парового двигателя.
Для генерации подаваемого на двигатель пара использовались котлы, работающие как на дровах и угле, так и на жидком топливе.
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.
ingenerov.net
Этот обычный двухтактник ультимативно уникален: по сути, он паровой, да на солнечной энергии! (Фото HydroICE.)
Изобретатели отвечают двояко. Во-первых, пока гелиоэлектростанции на фотоэлементах выгодны только при достижении определённого масштаба. А как быть мелким потребителям? Зачем им развёртывать инверторы и прочую инфраструктуру, необходимую для получения 220 В на выходе? Им нужно что-то менее громоздкое и дорогостоящее. Во-вторых, потери с движущимся частями, утверждают конструкторы, пока не выше, чем без них. Коммерчески доступные фотоэлементы имеют КПД 15% — и ровно столько же, говорят они, показал их первый прототип, HydroICE (Hydro Internal Clean Engine) — переделанный двухтактный бензиновый двигатель от скутера объёмом 31 см³.
Принцип его работы прост. Концентрируемая параболическими зеркалами энергия солнечного излучения нагревает масло до температур от 204 до 371 ˚C (в зависимости от желаемой мощности и интенсивности солнечного света), затем оно подаётся в цилиндр, куда сразу же впрыскиваются буквально считанные микрокапли воды. Последняя, соприкоснувшись с горячим маслом, исходит паром и толкает поршень, вращая вал. После этого выхлопные газы попадают в водопаровой сепаратор, откуда компоненты направляются сначала в соответствующие небольшие баки, а потом вновь в двигатель.
Схема работы двигателя проста, но при всём том КПД заявлен на уровне самых изощрённых массовых фотоэлементов.
Нечего и говорить, стоимость двухтактников и фотоэлементов трудно сравнивать. По расчётам изобретателей, их система при равном КПД будет иметь вчетверо меньшую цену, чем такой же мощности фотоэлектрическая система (фотоэлемент плюс инвертор).
Подход в чём-то сходен с уже освещавшейся генерацией пара концентрированным солнечным светом. Однако там используются наночастицы, позволяющие получать пар из воды безо всякого масла, что может быть полезным и для HydroICE, ведь тогда из схемы исчезает сепаратор, да и КПД (благодаря более «прямой» схеме преобразования) может подрасти.
Подготовлено по материалам Gizmag. Источник
fun-space.ru
