Принцип дії парового двигуна

Зміст

Анотація

1. Теоретична частина

1.1 Тимчасовий ланцюжок

1.2 Паровий двигун

1.2.1 Паровий котел

1.2.2 Парові турбіни

1.3 Парові машини

1.3.1 Перші пароплави

1.3.2 Зародження двоколісного транспорту

1.4 Застосування парових двигунів

1.4.1 Перевага парових машин

1.4.2 Коефіцієнт корисної дії

2. Практична частина

2.1 Побудова механізму

2.2 Способи покращення машини та її ККД

2.3 Анкетування

Висновок

Список використаної літератури

додаток

паровий двигункорисна дія

Анотація

Дана наукова робота складається з 32 листів. Вона включає теоретичну частину, практичну частину, додаток і висновок. У теоретичній частині ви дізнаєтеся про принцип роботи парових двигунів та механізмів, про їхню історію та про роль їх застосування в житті. Практичній частині докладно розказано про процес конструювання та випробування парового механізму в домашніх умовах. Дана наукова робота може бути наочним прикладом роботи та використання енергії пара.

Вступ

Світ покірних будь-яким капризам природи, де машини приводяться в дію м'язовою силою або силою водяних коліс і вітряків - таким був світ техніки до створення парового двигуна. на вогонь, здатна змістити перешкоду (наприклад, аркуш паперу), що виявилося на її шляху. Це змусило людину задуматися над тим, як можна використовувати як робоче тіло пар. В результаті цього після безлічі дослідів з'явився паровий двигун. І уявіть собі заводи з трубами, що димляться, парові машини і турбіни, паровози і пароплави - весь складний і могутній світ паротехніки створений людиною Парова машина була практично єдиним універсальним двигуном і зіграла величезну роль у розвитку людини. парової машини послужило поштовхом для подальшого розвитку засобів пересування. Протягом ста років вона була єдиним промисловим двигуном, універсальність якого дозволяла використовувати її на підприємствах, залізницях та на флоті. Винахід парового двигуна є величезним ривком, що стояв на рубежі двох епох. І через століття ще гостріше відчувається вся значимість цього винаходу.

Гіпотеза:

Чи можливо побудувати своїми руками найпростіший механізм, який працював на парі.

Мета роботи: сконструювати механізм, здатний рухатися на пару.

Завдання дослідження:

1. Вивчити наукову литературу.

2. Сконструювати та побудувати найпростіший механізм, який працював на парі.

3. Розглянути можливості збільшення ККД надалі.

Дана наукова робота буде посібником на уроках фізики для старших класів і для тих, кого цікавить ця тема.

1. Теоретична частина

Паровий двигун - тепловий поршневий двигун, в якому потенційна енергія водяної пари, що надходить з парового котла, перетворюється на механічну роботу поворотно-поступального руху поршня або обертального руху валу.

Пар є одним з поширених теплоносіїв у теплових системах з рідким або газоподібним робочим тілом, що нагрівається, поряд з водою і термомаслами. Водяна пара має ряд переваг, серед яких простота та гнучкість використання, низька токсичність, можливість підведення до технологічного процесузначної кількості енергії. Він може використовуватися в різноманітних системах, які мають на увазі безпосередній контакт теплоносія з різними елементами обладнання, ефективно сприяючи зниженню витрат на енергоресурси, скорочення викидів, швидкої окупності.

Закон збереження енергії- фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що енергія ізольованої (замкнутої) фізичної системи зберігається з часом. Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може зникнути в нікуди, вона може лише переходити з однієї форми до іншої. З фундаментальної точки зору, згідно з теоремою Нетер, закон збереження енергії є наслідком однорідності часу і в цьому сенсі є універсальним, тобто властивим системам різної фізичної природи.

1.1 Часовий ланцюжок

4000 років до зв. е. - людина винайшла колесо.

3000 років до зв. е. - у Стародавньому Римі з'явилися перші дороги.

2000 до н. е. - колесо набуло більш звичного для нас вигляду. У нього з'явилися маточина, обід і спиці, що з'єднують їх.

1700 до н. е. - з'явилися перші дороги, бруковані дерев'яними брусками.

312 р. до н. е. - у Стародавньому Римі збудовані перші дороги з кам'яним покриттям. Товщина кам'яної кладки сягала одного метра.

1405 - з'явилися перші ресорні кінні екіпажі.

1510 р. - кінний екіпаж придбав кузов зі стінами та дахом. Пасажири отримали можливість захиститись від негоди під час поїздки.

1526 р. - німецький вчений і художник Альбрехт Дюрер розробив цікавий проект «безкіньного візка», що приводиться в дію м'язовою силою людей. Люди, що йдуть збоку екіпажу, обертали спеціальні ручки. Це обертання за допомогою черв'ячного механізму передавалося колесам екіпажу. На жаль, віз не був виготовлений.

1600 - Симон Стевін побудував яхту на колесах, що рухається під дією сили вітру. Вона стала першою конструкцією безкіньного візка.

1610 р. - карети зазнали двох суттєвих удосконалень. По-перше, ненадійні та надто м'які ремені, що заколисують пасажирів під час поїздки, були замінені сталевими ресорами. По-друге, було вдосконалено кінну упряж. Тепер кінь тягнув карету не шиєю, а грудьми.

1649 - пройшли перші випробування з використання в якості рушійної сили пружини, попередньо закрученої людиною. Карету з приводом від пружини збудував Йоханн Хауч у Нюрнберзі. Однак історики ці відомості ставлять під сумнів, оскільки існує версія, що замість великої пружини всередині карети сиділа людина, яка й приводила механізм у рух.

1680 - у великих містах з'явилися перші зразки кінного громадського транспорту.

1690 - Стефан Фарффлер з Нюрнберга створив триколісний візок, що пересувається за допомогою двох ручок, що обертаються руками. Завдяки цьому приводу конструктор віз міг переміщатися з місця на місце без допомоги ніг.

1698 - англієць Томас Севері побудував перший паровий котел.

1741 - російський механік-самоучка Леонтій Лук'янович Шамшуренков послав до Нижегородської губернської канцелярії «доношення» з описом «самобіглої коляски».

1769 - французький винахідник Кюньо побудував перший у світі паровий автомобіль.

1784 - Джеймс Уатт створив першу парову машину.

1791 р. - Іван Кулібін сконструював триколісний самохідний візок, що вміщав двох пасажирів. Привід здійснювався з допомогою педального механізму.

1794 р. - парову машину Кюньо здали в «сховище машин, інструментів, моделей, малюнків та описів з усіх видів мистецтв і ремесел» як чергову механічну дивину.

1800 - існує думка, що саме цього року в Росії був побудований перший у світі велосипед. Його автором був кріпосний Юхим Артамонов.

1808 - на вулицях Парижа з'явився перший французький велосипед. Він був виготовлений з дерева і складався з перекладини, що з'єднує два колеса. На відміну від сучасного велосипеда, у нього не було керма та педалей.

1810 - в Америці та країнах Європи почала зароджуватися каретна промисловість. У великих містах з'явилися цілі вулиці та навіть квартали, заселені майстрами-каретниками.

1816 - німецький винахідник Карл Фрідріх Драйз побудував машину, що нагадує сучасний велосипед. Щойно з'явившись на вулицях міста, вона отримала назву «бігової машини», оскільки її господар, відштовхуючись ногами, фактично біг землею.

1834 - в Парижі проводилися випробування парусного екіпажу, сконструйованого М. Хакуетом. Цей екіпаж мав щоглу заввишки 12 м-коду.

1868 - вважається, що в цей рік французом Ерне Мішо був створений прообраз сучасного мотоцикла.

1871 - французький винахідник Луї Перро розробив парову машину для велосипеда.

1874р. - у Росії побудований паровий колісний тягач. Як прототип був використаний англійський автомобіль"Евелін Портер".

1875р. - У Парижі пройшла демонстрація першої парової машини Амадея Бдллі.

1884 - американець Луїс Копленд побудував мотоцикл, на якому паровий мотор був встановлений над переднім колесом. Така конструкція могла розігнатися до 18 км/год.

1901р. - у Росії побудований легковий паромобіль московського велосипедного заводу «Дукс».

1902р. - Леон Серполле на одному зі своїх парових автомобілів встановив світовий рекорд швидкості – 120 км/год.

Роком пізніше він встановив ще один рекорд – 144 км/год.

1905 - американець Ф. Маріотт на паровому автомобілі перевищив швидкість 200 км

1.2 Паровийдвигун

Двигун, що приводиться в дію силою пари. Пар, що отримується шляхом нагрівання води, використовують для руху. У деяких двигунах сила пари змушує рухатися поршні, розташовані в циліндрах. Таким чином створюється зворотно-поступальний рух. Під'єднаний механізм зазвичай перетворює його на обертальний рух. У паровозах (локомотивах) використовуються поршневі двигуни. Як двигуни використовують також парові турбіни, які дають безпосередньо обертальний рух, обертаючи ряд коліс з лопатками. Парові турбіни приводять у дію генератори електростанцій та гвинти кораблів. У будь-якому паровому двигуні відбувається перетворення тепла, що виробляється при нагріванні води в паровому казані (бойлері) на енергію руху. Тепло може подаватися від спалювання палива в печі або атомного реактора. Найперший в історії паровий двигунів був рід насоса, за допомогою якого відкачували воду, що заливає шахти. Його винайшов у 1689 р. Томас Сейвері. У цій машині, зовсім проста по конструкції, пара конденсувалася, перетворюючись на невелику кількість води, і за рахунок цього створювався частковий вакуум, завдяки чому відсмоктувалась вода з шахтного ствола. У 1712 р. Томас Ньюкомен винайшов поршневий насос, що приводиться в дію пором. У 1760-ті роки. Джеймс Ватт покращив конструкцію Ньюкомена і створив набагато ефективніші парові двигуни. Невдовзі їх почали використовувати на фабриках для приведення в дію верстатів. У 1884 р. англійський інженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) винайшов першу застосовну практично парову турбіну. Його конструкції були настільки ефективні, що незабаром ними стали замінювати парові двигуни зворотно-поступального впливу на електростанціях. Найбільш дивовижним досягненням у сфері парових двигунів було створення повністю замкненого, працюючого парового двигуна мікроскопічних розмірів. Японські вчені створили його, використовуючи методи, що служать виготовлення інтегральних схем. Невеликий струм, що проходить електронагрівальним елементом, перетворює краплю води на пару, яка рухає поршень. Тепер вченим належить відкрити, в яких сферах цей пристрій може знайти практичне застосування.

Революція у промисловості розпочалася у середині XVIII в. в Англії з виникненням та впровадженням у промислове виробництво технологічних машин. Промисловий переворот був заміною ручного, ремісничого та мануфактурного виробництва, машинним фабрично-заводським.

Зростання попиту машини, які будували не для кожного конкретного промислового об'єкта, але в ринок і які стали товаром, призвело до виникнення машинобудування, нової галузі промислового виробництва. Зароджувалося виробництво засобів виробництва.

Широке поширення технологічних машин унеможливило другу фазу промислового перевороту -впровадження у виробництво універсального двигуна.

Якщо старі машини (тільки, молоти і т.д), що отримували рух від водяних коліс, були тихохідними і мали нерівномірний хід, то нові, особливо прядильні і ткацькі, вимагали обертального руху з великою швидкістю. Таким чином, вимоги до технічним характеристикамдвигуна набули нових рис: універсальний двигун повинен віддавати роботу у вигляді односпрямованого, безперервного та рівномірного обертального руху.

У умовах з'являються конструкції двигунів, які намагаються задовольнити назрілі вимоги виробництва. В Англії було видано понад десяток патентів на універсальні двигуни найрізноманітніших систем та конструкцій.

Однак першими практично діючими універсальними паровими машинами вважаються машини, створені російським винахідником Іваном Івановичем Ползуновим та англійцем Джеймсом Уаттом.

У машині Ползунова з котла по трубах пара з тиском, що трохи перевищує атмосферне, надходив почергово у два циліндри з поршнями. Для покращення ущільнення поршні заливали водою. Через тяги з ланцюгами рух поршнів передавався хутрам трьох мідеплавильних печей.

Будівництво машини Ползунова було закінчено у серпні 1765 року. Вона мала висоту 11 метрів, ємність казана 7 м, висоту циліндрів 2,8 метра, потужність 29 кВт.

Машина Ползунова створювала безперервне зусилля і була першою універсальною машиною, яку можна було застосовувати для руху будь-яких заводських механізмів.

Уатт почав свою роботу в 1763 майже одночасно з Ползуновим, але з іншим підходом до проблеми двигуна і в іншій обстановці. Повзунов починав із загальноенергетичної постановки завдання про повну заміну залежних від місцевих умов гідро силових установокуніверсальний тепловий двигун. Уатт починав з приватного завдання - підвищення економічності двигуна Ньюкомена у зв'язку з дорученою йому як механіку університету в Глазго (Шотландія) роботою з ремонту моделі водовідливної парової установки.

Остаточне промислове завершення двигун Уатта отримав 1784 року. У паровій машині Уатта два циліндри замінили одним закритим. Пара надходила поперемінно по обидва боки поршня, штовхаючи його то в один, то в інший бік. У такій машині подвійної дії пар, що відпрацював, конденсувався не в циліндрі, а в окремій від нього посудині - конденсаторі. Постійність числа оборотів маховика підтримувалося відцентровим регулятором швидкості.

Головним недоліком перших парових машин був низький ККД, що не перевищував 9%.

Спеціалізація паросилових установок та подальший розвиток

Парових машин

Розширення сфери застосування парового двигуна вимагало дедалі ширшої універсальності. Почалася спеціалізація теплових силових установок. Продовжували вдосконалюватись водопідйомні та шахтні парові установки. Розвиток металургійного виробництва стимулював удосконалення повітродувних установок. З'явилися відцентрові повітродувки зі швидкохідними паровими машинами. У металургії почали застосовувати прокатні паросилові установки та парові молоти. Нове рішення було знайдено в 1840 Дж. Несмітом, що об'єднав паровий двигун з молотом.

Самостійний напрямок склали локомобілі – пересувні паросилові установки, історія яких починається в 1765 році, коли англійський будівельник Дж. Смітон розробив пересувну установку. Проте помітне поширення локомобілі набули лише з середини XIX століття.

Після 1800 року, коли закінчився десятирічний термін привілеїв фірми " Уатт і Болтон " , доставив компаньйонам величезні капітали, інші винахідники отримали нарешті свободу дій. Майже одночасно були реалізовані прогресивні методи, що не застосовувалися Уаттом: високий тиск і подвійне розширення. Відмова від балансу і використання багаторазового розширення пари в декількох циліндрах призвели до створення нових конструктивних форм парових двигунів. Двигуни дворазового розширення стали оформлятися у вигляді двох циліндрів: високого тискуі низького тискуабо як компаунд-машини з кутом заклинювання між кривошипами 90°, або як тандем-машини, в яких обидва поршні насаджені на загальний шток і працюють на один кривошип .

Велике значення підвищення ККД парових двигунів мало використання з середини ХІХ століття перегрітої пари, ефект якого вказав французький вчений Г.А. Гірн. Перехід до використання перегрітої пари в циліндрах парових машин зажадав тривалої роботи з конструювання циліндричних золотників та клапанних розподільчих механізмів, освоєння технології отримання мінеральних пар мастил, здатних витримувати високу температуру, і за конструюванням нових типів ущільнень, зокрема з металевим набиванням, щоб поступово перейти від насиченої пари до перегрітої з температурою 200 - 300 градусів Цельсія.

Останній великий крок у розвитку парових поршневих двигунів – винахід прямоточної парової машини, зроблене німецьким професором Штумпфом у 1908 році.

У другій половині XIX століття здебільшого склалися всі конструктивні форми парових поршневих двигунів.

Новий напрямок у розвитку парових машин виникло при їх використанні як двигуни електрогенераторів електричних станцій з 80 - 90 років XIX століття.

До первинного двигуна електричного генератора висувалася вимога великої швидкості, високої рівномірності обертального руху і безперервно зростаючої потужності.

Технічні можливостіпоршневого парового двигуна - парової машини - що був універсальним двигуном промисловості та транспорту протягом усього ХІХ століття не відповідали потребам, що виникли наприкінці ХІХ століття у зв'язку з будівництвом електростанцій. Вони могли бути задоволені лише після створення нового теплового двигуна- Паровий турбіни.

Паровий котел

У перших парових казанах застосовувалася пара атмосферного тиску. Прототипами парових котлів послужила конструкція травних котлів, звідки і виник термін "котел", що зберігся до наших днів.

Зростання потужності парових двигунів викликало до життя і досі існуючу тенденцію котлобудування: збільшення

паропродуктивності - кількості пари, що виробляється котлом на годину.

Для досягнення цієї мети встановлювали по два-три казани для живлення одного циліндра. Зокрема, в 1778 році за проектом англійського машинобудівника Д. Смітона було споруджено трикотельну установку для відкачування води з Кронштадських морських доків.

Однак якщо зростання одиничної потужності паросилових установок вимагало підвищення паропродуктивності котлоагрегатів, то для збільшення ККД потрібно підвищення тиску пари, для чого були потрібні міцніші котли. Так виникла друга і нині чинна тенденція котлобудування: збільшення тиску. Вже до кінця XIX століття тиск у котлах досягав 13-15 атмосфер.

Вимога підвищення тиску суперечила прагненням збільшити паропродуктивність котлоагрегатів. Куля - найкраща геометрична форма судини, що витримує великий внутрішній тиск, дає мінімальну поверхню при даному обсязі, а для збільшення паропродуктивності потрібна велика поверхня. Найбільш прийнятним виявилося використання циліндра - наступної за кулею геометричної формищодо міцності. Циліндр дозволяє як завгодно збільшувати його поверхню за рахунок збільшення довжини. У 1801 році О. Е'анс в США побудував циліндричний котел з циліндричною внутрішньою топкою з надзвичайно високим для того часу тиском близько 10 атмосфер. У 1824 році СВ. Литвинов у Барнаулі розробив проект оригінальної паросилової установки з прямоточним котлоагрегатом, що складається з ореброваних труб.

Для збільшення котельного тиску та паропродуктивності знадобилося зменшення діаметра циліндра (міцність) та збільшення його довжини (продуктивність): котел перетворювався на трубу. Існували два способи дроблення котлоагрегатів: дробилися газовий тракт котла або водяний простір. Так визначилися два типи котлів: жаротрубні та водотрубні.

У другій половині XIX століття були розроблені досить надійні парогенератори, що дозволяють мати паропродуктивність до сотень тонн пари на годину. Паровий котел був комбінацією сталевих тонкостінних труб невеликого діаметру. Ці труби при товщині стінки 3-4 мм дозволяють витримувати дуже високий тиск. Висока продуктивність досягається за рахунок сумарної довжини труб. До середини XIX століття склався конструктивний тип парового котла з пучком прямих, трохи нахилених труб, ввальцьованих у плоскі стінки двох камер - так званий водотрубний котел. До кінця XIX століття з'явився вертикальний водотрубний казан, що має вигляд двох циліндричних барабанів, з'єднаних вертикальним пучком труб. Ці котли з їх барабанами витримували вищий тиск.

У 1896 році на Всеросійському ярмарку у Нижньому Новгородідемонструвався казан В.Г.Шухова. Оригінальний розбірний котел Шухова був транспортабельний, мав невисоку вартістьта малу металомісткість. Шухов вперше запропонував топковий екран, що застосовується у наш час. т£Л №№0№lfo 9-1* #5^^^

До кінця XIX століття водотрубні парові котли дозволяли отримати поверхню нагріву понад 500 м та продуктивність понад 20 тонн пари на годину, яка в середині XX століття зросла в 10 разів.

Парові машини використовувалися як приводний двигун у насосних станціях, локомотивах, на парових суднах, тягачах, парових автомобілях та інших. транспортних засобівах. Парові машини сприяли широкому поширенню комерційного використання машин на підприємствах і стали енергетичною основою промислової революції XVIII століття. Пізніше парові машини були витіснені двигунами внутрішнього згоряння, паровими турбінами, електромоторами та атомними реакторами, ККД яких вище.

Парова машина у дії

Винахід та розвиток

Перший відомий пристрій, що рухається пором, був описаний Героном з Олександрії в першому столітті - це так звана «лазня Герона», або «еоліпіл». Пара, що виходить по дотичній з дюз, закріплених на кулі, змушувала останній обертатися. Передбачається, що перетворення пари на механічний рух було відоме в Єгипті в період римського панування і використовувалося в нескладних пристосуваннях.

Перші промислові двигуни

Жоден з описаних пристроїв мало був застосовано як рішення корисних завдань. Першим застосованим на виробництві паровим двигуном була «пожежна установка», сконструйована англійським військовим інженером Томасом Сейвері у 1698 році. На свій пристрій Сейвері в 1698 отримав патент. Це був поршневий паровий насос, і, очевидно, не надто ефективний, тому що тепло пари щоразу губилося під час охолодження контейнера, і досить небезпечне в експлуатації, оскільки внаслідок високого тиску пара ємності та трубопроводи двигуна іноді вибухали. Так як цей пристрій можна було використовувати як для обертання коліс водяного млина, так і для відкачування води з шахт, винахідник назвав його «другом рудокопа».

Потім англійський коваль Томас Ньюкомен в 1712 продемонстрував свій «атмосферний двигун», який був першим паровим двигуном, на який міг бути комерційний попит. Це був удосконалений паровий двигун Сейвері, у якому Ньюкомен суттєво знизив. робочий тискпара. Ньюкомен, можливо, базувався на описі експериментів Папена, що у Лондонському королівському суспільстві , яких міг мати доступ через члена товариства Роберта Гука , працював з Папеном.

Схема роботи парової машини Ньюкомена.
– Пара показана ліловим кольором, вода – синім.
– Відкриті клапани показані зеленим кольором, закриті – червоним

Першим застосуванням двигуна Ньюкомена була відкачування води із глибокої шахти. У шахтному насосі коромисло було пов'язане з тягою, яка спускалася до шахти камери насоса. Поворотно-поступальні рухи тяги передавалися поршню насоса, який подавав воду нагору. Клапани ранніх двигунів Ньюкомена відкривалися та закривалися вручну. Першим удосконаленням була автоматизація дії клапанів, які рухалися самою машиною. Легенда розповідає, що це удосконалення було зроблено у 1713 році хлопчиком Хемфрі Поттером, який мав відкривати та закривати клапани; коли це йому набридало, він зв'язував рукоятки клапанів мотузками і йшов грати з дітьми. До 1715 року вже було створено важільну систему регулювання, яка наводиться від механізму самого двигуна.

Перша в Росії двоциліндрова вакуумна парова машина була спроектована механіком І. І. Повзуновим в 1763 і побудована в 1764 для приведення в дію повітродувного хутра на Барнаульських Коливано-Воскресенських заводах.

Хемфрі Гейнсборо у 1760-их роках побудував модель парової машини з конденсатором. У 1769 році шотландський механік Джеймс Уатт (можливо, використавши ідеї Гейнсборо) запатентував перші суттєві вдосконалення до вакуумного двигуна Ньюкомена, які зробили його значно ефективнішим за витратою палива. Вклад Уатта полягав у відділенні фази конденсації вакуумного двигуна в окремій камері, тоді як поршень та циліндр мали температуру пари. Уатт додав до двигуна Ньюкомена ще кілька важливих деталей: помістив всередину циліндра поршень для виштовхування пари і перетворив поворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух приводного колеса.

На основі цих патентів Уатт побудував паровий двигун у Бірмінгемі. До 1782 паровий двигун Уатта виявився більш ніж в 3 рази продуктивніше машини Ньюкомена. Підвищення ефективності двигуна Уатта призвело до використання енергії пари у промисловості. Крім того, на відміну від двигуна Ньюкомена, двигун Уатта дозволив передати обертальний рух, тоді як у ранніх моделях парових машин поршень був пов'язаний з коромислом, а не безпосередньо з шатуном. Цей двигун мав основні риси сучасних парових машин.

Подальшим підвищенням ефективності було застосування пари високого тиску (американець Олівер Еванс та англієць Річард Тревітік). Р.Тревітик успішно збудував промислові однотактові двигуни високого тиску, відомі як «корнуельські двигуни». Вони працювали з тиском 50 фунтів на квадратний дюйм або 345 кПа (3,405 атмосфери). Однак із збільшенням тиску виникала і велика небезпека вибухів у машинах та котлах, що призводило спочатку до численних аварій. З цього погляду найважливішим елементом машини високого тиску був запобіжний клапан, що випускав зайвий тиск. Надійна та безпечна експлуатаціяпочалася лише з накопиченням досвіду та стандартизацією процедур спорудження, експлуатації та обслуговування обладнання.

Французький винахідник Ніколас-Йозеф Куньо в 1769 продемонстрував перший діючий самохідний паровий транспортний засіб: "fardier à vapeur" (паровий віз). Можливо, його винахід можна вважати першим автомобілем. Самохідний паровий трактор виявився дуже корисним як мобільне джерело механічної енергії, що наводило в рух інші сільськогосподарські машини: молотарки, преси та ін. (штат Нью-Йорк). Він піднімав на борт 30 пасажирів і йшов зі швидкістю 7-8 миль на годину. Пароплав Дж. Фітча не був комерційно успішним, оскільки з його маршрутом конкурувала хороша сухопутна дорога. В 1802 шотландський інженер Вільям Сімінгтон побудував конкурентоспроможний пароплав, а в 1807 американський інженер Роберт Фултон використовував паровий двигун Уатта для приводу першого комерційно успішного пароплава. 21 лютого 1804 року на металургійному заводі Пенідаррен у Мертір-Тідвілі в Південному Уельсі демонструвався перший самохідний залізничний паровий локомотив, побудований Річардом Тревітіком.

Парові машини зі зворотно-поступальним рухом

Двигуни зі зворотно-поступальним рухом використовують енергію пари для переміщення поршня в герметичній камері або циліндрі. Поворотно-поступальна дія поршня може бути механічно перетворена в лінійний рух поршневих насосів або в обертальний рух для приводу частин верстатів або коліс транспортних засобів, що обертаються.

Вакуумні машини

Ранні парові машини називалися спочатку вогневими машинами, а також атмосферними або конденсуючими двигунами Уатта. Вони працювали на вакуумному принципі і тому відомі також як вакуумні двигуни. Такі машини працювали для приводу поршневих насосів, принаймні немає жодних свідчень про те, що вони використовувалися в інших цілях. При роботі парової машини вакуумного типу на початку такту пара низького тиску впускається в робочу камеру або циліндр. Впускний клапан після цього закривається і пара охолоджується, конденсуючись. У двигуні Ньюкомена вода, що охолоджує, розпорошується безпосередньо в циліндр, і конденсат збігає в збірку конденсату. Таким чином створюється вакуум у циліндрі. Атмосферний тиск у верхній частині циліндра тисне на поршень і викликає його переміщення вниз, тобто робочий хід.

Постійне охолодження та повторне нагрівання робочого циліндра машини було дуже марнотратним і неефективним, проте ці парові машини дозволяли відкачувати воду з більшої глибини, ніж це було можливо до появи. У році з'явилася версія парової машини, створена Уаттом у співпраці з Меттью Боултоном, основним нововведенням якої стало винесення процесу конденсації у спеціальну окрему камеру (конденсатор). Ця камера поміщалася у ванну з холодною водою, і з'єднувалася з циліндром трубкою, що перекривається клапаном. До конденсаційної камери була приєднана спеціальна невелика вакуумна помпа (прообраз конденсатного насоса), що рухається коромислом і служить для видалення конденсату з конденсатора. Утворилася гаряча водаподавалася спеціальним насосом (прообразом живильного насоса) у котел. Ще одним радикальним нововведенням стало закриття верхнього кінця робочого циліндра, у верхній частині якого тепер була пара низького тиску. Ця ж пара була у подвійній сорочці циліндра, підтримуючи його постійну температуру. Під час руху поршня вгору ця пара спеціальними трубками передавалася в нижню частину циліндра, для того, щоб піддатися конденсації під час наступного такту. Машина по суті перестала бути «атмосферною», і її потужність тепер залежала від різниці тисків між парою низького тиску і тим вакуумом, який вдавалося отримати. У паровій машині Ньюкомена мастило поршня здійснювалося невеликою кількістюналитої на нього зверху води, в машині Уатта це стало неможливим, оскільки у верхній частині циліндра тепер була пара, довелося перейти на мастило сумішшю тавота і нафти. Таке ж мастило використовувалося в сальнику штока циліндра.

Вакуумні парові машини, незважаючи на очевидні обмеження їхньої ефективності, були відносно безпечні, використовували пару низького тиску, що цілком відповідало загальному невисокому рівню котелень XVIII століття. Потужність машини обмежувалася низьким тиском пари, розмірами циліндра, швидкістю згоряння палива та випаровування води в котлі, а також розмірами конденсатора. Максимальний теоретичний ККД був обмежений відносно малою різницею температур з обох боків поршня; це робило вакуумні машини, призначені для промислового використання, надто великими та дорогими.

Стиснення

Випускне вікно циліндра парової машини перекривається дещо раніше, ніж поршень доходить до свого крайнього положення, що залишає в циліндрі кілька відпрацьованих пар. Це означає, що в циклі роботи присутня фаза стиснення, що формує так звану «парову подушку», що уповільнює рух поршня у його крайніх положеннях. Крім того, це усуває різкий перепад тиску на самому початку фази впуску, коли в циліндр надходить свіжа пара.

Випередження

Описаний ефект «парової подушки» посилюється також тим, що впуск свіжої пари в циліндр починається трохи раніше, ніж поршень досягне крайнього становища, тобто є деяке випередження впуску. Це випередження необхідно для того, щоб перед тим, як поршень почне свій робочий хід під дією свіжої пари, пара встигла б заповнити той мертвий простір, яке виникло в результаті попередньої фази, тобто канали впуску-випуску і обсяг циліндра, що не використовується для руху поршня.

Просте розширення

Просте розширення передбачає, що пара працює тільки при розширенні його в циліндрі, а відпрацьована пара випускається безпосередньо в атмосферу або надходить у спеціальний конденсатор. Залишкове тепло пари може бути використане, наприклад, для обігріву приміщення або транспортного засобу, а також для попереднього підігріву води, що надходить в котел.

Компаунд

У процесі розширення в циліндрі машини високого тиску температура пари падає пропорційно до його розширення. Оскільки теплового обміну при цьому не відбувається (адіабатичний процес), виходить, що пара надходить у циліндр із більшою температурою, ніж виходить із нього. Подібні перепади температури у циліндрі призводять до зниження ефективності процесу.

Один із методів боротьби з цим перепадом температур був запропонований у 1804 році англійським інженером Артуром Вульфом, який запатентував Компаундна парова машина високого тиску Вульфа. У цій машині високотемпературна пара з парового котла надходила в циліндр високого тиску, а після цього відпрацьована в ньому пара з нижчою температурою і тиском надходила в циліндр (або циліндри) низького тиску. Це зменшувало перепад температури в кожному циліндрі, що в цілому знижувало температурні втрати та покращувало загальний коефіцієнт корисної дії парової машини. Пара низького тиску мала більший обсяг, і тому вимагала більшого обсягу циліндра. Тому в компаудних машинах циліндри низького тиску мали більший діаметр (а іноді й більшу довжину), ніж циліндри високого тиску.

Така схема також відома під назвою подвійне розширення, оскільки розширення пари відбувається в дві стадії. Іноді один циліндр високого тиску був пов'язаний із двома циліндрами низького тиску, що давало три приблизно однакових за розміром циліндра. Таку схему було легко збалансувати.

Двоциліндрові компаундні машини можуть бути класифіковані як:

• Перехресний компаунд- Циліндри розташовані поруч, їх паропровідні канали перехрещені.
• Тандемний компаунд- Циліндри розташовуються послідовно і використовують один шток.
• Кутовий компаунд- Циліндри розташовані під кутом один до одного, зазвичай 90 градусів, і працюють на один кривошип.

Після 1880-х років компаудні парові машини набули широкого поширення на виробництві та транспорті і стали практично єдиним типом, що використовується на пароплавах. Використання їх на паровозах не набуло такого широкого поширення, оскільки вони виявилися надто складними, частково через те, що складними були умови роботи парових машин на залізничному транспорті. Незважаючи на те, що компаундні паровози так і не стали масовим явищем (особливо у Великій Британії, де вони були дуже мало поширені і взагалі не використовувалися після 1930-х років), вони набули певної популярності в кількох країнах.

Множинне розширення

Спрощена схема парової машини із потрійним розширенням.
Пара високого тиску (червоний колір) від котла проходить через машину, виходячи в конденсатор при низькому тиску (блакитний колір).

Логічним розвитком схеми компаунда стало додавання до неї додаткових стадій розширення, що збільшувало ефективність роботи. Результатом стала схема множинного розширення, відома як машини потрійного чи навіть четверного розширення. Такі парові машини використовували серії циліндрів подвійного впливу, обсяг яких збільшувався з кожною стадією. Іноді замість збільшення об'єму циліндрів низького тиску використовувалося збільшення їхньої кількості, так само, як і на деяких компаундних машинах.

Зображення праворуч показує роботу парової машини із потрійним розширенням. Пара проходить через машину зліва направо. Блок клапанів кожного циліндра розташований ліворуч від відповідного циліндра.

Поява цього типу парових машин стала особливо актуальною для флоту, оскільки вимоги до розміру та ваги для суднових машин були не дуже жорсткими, а головне, така схема дозволяла легко використовувати конденсатор, що повертає відпрацьовану пару у вигляді прісної води назад у котел (використовувати солону морську воду). для живлення котлів було неможливо). Наземні парові машини зазвичай не мали проблем із живленням водою і тому могли викидати відпрацьовану пару в атмосферу. Тому така схема для них була менш актуальною, особливо з урахуванням її складності, розміру та ваги. Домінування парових машин множинного розширення закінчилося лише з появою та широким поширенням парових турбін. Однак у сучасних парових турбінах використовується той самий принцип поділу потоку на циліндри високого, середнього та низького тиску.

Прямоточні парові машини

Прямотувальні парові машини виникли в результаті спроби подолати один недолік, властивий паровим машинаміз традиційним паророзподілом. Справа в тому, що пара в звичайній паровій машині постійно змінює напрямок свого руху, оскільки і для впуску і для випуску пари застосовується те саме вікно з кожного боку циліндра. Коли відпрацьована пара залишає циліндр, він охолоджує його стінки та паророзподільні канали. Свіжа пара, відповідно, витрачає певну частину енергії з їхньої нагрівання, що зумовлює падіння ефективності. Прямоточні парові машини мають додаткове вікно, яке відкривається поршнем наприкінці кожної фази, і через яке пар залишає циліндр. Це підвищує ефективність машини, оскільки пара рухається в одному напрямку, і температурний градієнт стінок циліндра залишається більш менш постійним. Прямоточні машини одинарного розширення показують приблизно таку ж ефективність, як компаудні машини зі звичайним паророзподілом. Крім того, вони можуть працювати на більш високих оборотахі тому до появи парових турбін часто застосовувалися для приводу електрогенераторів, що вимагають високої швидкості обертання.

Прямотувальні парові машини бувають як одинарної, так і подвійної дії.

Парові турбіни

Парова турбіна являє собою серію дисків, що обертаються, закріплених на єдиній осі, званих ротором турбіни, і серію чергуються з ними нерухомих дисків, закріплених на підставі, званих статором. Диски ротора мають лопатки на зовнішній стороні, пара подається на ці лопатки та крутить диски. Диски статора мають аналогічні лопатки, встановлені під протилежним кутом, які служать для перенаправлення потоку пари на наступні за ними диски ротора. Кожен диск ротора і відповідний диск статора називаються ступенем турбіни. Кількість і розмір щаблів кожної турбіни підбираються таким чином, щоб максимально використовувати корисну енергію пари тієї швидкості та тиску, який подається в неї. Відпрацьована пара, що виходить з турбіни, надходить у конденсатор. Турбіни обертаються з дуже високою швидкістю, і тому при передачі обертання на інше обладнання зазвичай використовуються спеціальні трансмісії, що знижують . Крім того, турбіни не можуть змінювати напрямок свого обертання, і часто вимагають додаткових механізмів реверсу (іноді використовуються додаткові ступені зворотного обертання).

Турбіни перетворюють енергію пари безпосередньо на обертання і не вимагають додаткових механізмів перетворення зворотно-поступального руху на обертання. Крім того, турбіни компактніші за поворотно-поступальні машини і мають постійне зусилля на вихідному валу. Оскільки турбіни мають простішу конструкцію, вони, як правило, вимагають меншого обслуговування.

Інші типи парових двигунів

Застосування

Парові машини можуть бути класифіковані за їх застосуванням таким чином:

Стаціонарні машини

Паровий молот

Парова машина на старий цукровий завод, Куба

Стаціонарні парові машини можуть бути поділені на два типи за режимом використання:

• Машини зі змінним режимом, до яких належать машини металопрокатних станів, парові лебідки та подібні пристрої, які повинні часто зупинятися та змінювати напрямок обертання.
• Силові машини, які рідко зупиняються і не повинні змінювати напрямок обертання. Вони включають енергетичні двигуни на електростанціях, а також промислові двигуни, що використовувалися на заводах, фабриках і кабельних залізницях до поширення електричної тяги. Двигуни малої потужності використовуються на суднових моделях та у спеціальних пристроях.

Парова лебедка є стаціонарним двигуном, але встановлена ​​на опорній рамі, щоб її можна було переміщати. Вона може бути закріплена тросом за якір та пересунута власною тягою на нове місце.

Транспортні машини

Парові машини використовувалися для приводу різних типів транспортних засобів, серед них:

• Сухопутні транспортні засоби:
  • Паровий автомобіль
  • Паровий трактор
  • Паровий екскаватор, і навіть
• Паровий літак.

У Росії її перший діючий паровоз побудували Є. А. і М. Є. Черепановими на Нижньо-Тагильском заводі 1834 року перевезення руди. Він розвивав швидкість 13 верст на годину та перевозив понад 200 пудів (3,2 тонни) вантажу. Довжина першої залізниці становила 850 м-коду.

Переваги парових машин

Основною перевагою парових машин є те, що вони можуть використовувати практично будь-які джерела тепла для перетворення його на механічну роботу. Це відрізняє їх від двигунів внутрішнього згоряння, кожен тип яких потребує певного виду палива. Найбільш помітна ця перевага при використанні ядерної енергії, оскільки ядерний реактор не в змозі генерувати механічну енергію, а виробляє тільки тепло, яке використовується для вироблення пари, що приводить в рух парові машини (зазвичай парові турбіни). Крім того, є інші джерела тепла, які не можуть бути використані в двигунах внутрішнього згоряння, наприклад, сонячна енергія. Цікавим напрямком є ​​використання енергії різниці температур Світового океану на різних глибинах.

Подібними властивостями також володіють інші типи двигунів зовнішнього згоряння, такі як двигун Стірлінга, які можуть забезпечити дуже високу ефективність, але мають значно більшу вагу і розміри, ніж сучасні типи парових двигунів.

Парові локомотиви непогано показують себе на великих висотах, оскільки ефективність їхньої роботи не падає через низький атмосферний тиск. Паровози досі використовуються в гірських районах Латинської Америки, незважаючи на те, що в рівнинній місцевості вони давно були замінені більш сучасними типамилокомотивів.

У Швейцарії (Brienz Rothhorn) та в Австрії (Schafberg Bahn) нові паровози, які використовують суху пару, довели свою ефективність. Цей тип паровоза був розроблений на основі моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) -х років, з безліччю сучасних удосконалень, таких як використання роликових підшипників, Сучасна теплоізоляція, спалювання як паливо легких нафтових фракцій, покращені паропроводи, і т.д. В результаті такі паровози мають на 60% менше споживання палива та значно менші вимоги до обслуговування. Економічні якості таких паровозів можна порівняти з сучасними дизельними та електричними локомотивами.

Крім того, парові локомотиви значно легші, ніж дизельні та електричні, що особливо актуально для гірських залізниць. Особливістю парових двигунів є те, що вони не потребують трансмісії, передаючи зусилля безпосередньо на колеса.

Коефіцієнт корисної дії

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна може бути визначений як відношення корисної механічної роботи до кількості теплоти, що міститься в паливі. Решта енергії виділяється в навколишнє середовищеу вигляді тепла. ККД теплової машини дорівнює

Рівно 212 років тому, 24 грудня 1801 року, у невеликому англійському місті Камборні механік Річард Тревітік продемонстрував громадськості перший автомобіль із паровим двигуном Dog Carts. Сьогодні цю подію можна було б сміливо віднести в розряд хоч і примітних, але несуттєвих, тим більше, що паровий двигун був відомий і раніше, і навіть застосовувався на транспортних засобах (хоча назвати їх автомобілями було б дуже великою натяжкою). саме зараз технічний прогрес породив ситуацію, яка напрочуд нагадує епоху великої «битви» пари і бензину на початку XIX століття. Тільки боротися належить акумуляторам, водню та біопаливу. Бажаєте дізнатися, чим усе закінчиться і хто переможе? Не підказуватиму. Натякну: технології ні до чого…

1. Захоплення паровими двигунами пройшло, і настав час двигунів внутрішнього згоряння.Для користі справи повторю: 1801 року вулицями Камборна покотився чотириколісний екіпаж, здатний з відносним комфортом і нешвидко перевозити вісім пасажирів. Автомобіль рухався одноциліндровим паровим двигуном, а паливом служило вугілля. Створенням парових транспортних засобів зайнялися з ентузіазмом, і вже у 20-х роках ХІХ століття пасажирські парові омнібуси перевозили пасажирів зі швидкістю до 30 км/год, а середній міжремонтний пробіг досяг 2,5–3 тис. км.

Тепер можна порівняти ці відомості з іншими. У тому ж 1801 француз Філіп Лебон отримав патент на конструкцію поршневого двигунавнутрішнього згоряння, що працював на світильному газі. Сталося так, що за три роки Лебон загинув, і розвивати запропоновані ним технічні рішення довелося іншим. Лише у 1860 році бельгійський інженер Жан Етьєн Ленуар зібрав газовий двигун із запаленням від електричної іскри та довів його конструкцію до ступеня придатності до встановлення на транспортний засіб.

Отже, автомобільні паровий двигун та двигун внутрішнього згоряння – практично ровесники. ККД парової машини тієї конструкції й у роки становив близько 10%. ККД двигунаЛенуар був всього 4%. Тільки через 22 роки, до 1882-го, Август Отто вдосконалив його настільки, що ККД тепер уже бензинового двигуна сягнув... аж 15%.

2. Парова тяга - лише короткий момент історія прогресу.Почавшись у 1801 році, історія парового транспорту активно тривала майже 159 років. 1960-го (!) у США все ще будувалися автобуси та вантажівки з паровими двигунами. Парові машини за цей час удосконалилися дуже значно. У 1900 році в США 50% парку автомобілів були "на пару". Вже в ті роки виникла конкуренція між паровими, бензиновими та – увага! - Електричними екіпажами. Після ринкового успіху «Моделі-Т» Форда і, здавалося б, поразки парового двигуна новий сплеск популярності парових авто припав на 20-і роки минулого століття: вартість палива для них (мазут, гас) була значно нижчою від вартості бензину.

Фірма Stanley виробляла до 1927 приблизно 1 тис. парових автомобілів на рік. В Англії парові вантажівки успішно конкурували з бензиновими до 1933 року і програли лише через введення владою податку на важкий. вантажний транспортта зниження тарифів на імпорт рідких нафтопродуктів із США.

3. Парова машина неефективна та неекономічна.Так, колись це було саме так. "Класичний" паровий двигун, який випускав відпрацьовану пару в атмосферу, має ККД не більше 8%. Однак паровий двигун із конденсатором та профільованою проточною частиною має ККД до 25–30%. Парова турбіна забезпечує 30-42%. Парогазові установки, де використовуються «у зв'язці» газові та парові турбіни, мають ККД до 55–65%. Остання обставина спонукала інженерів компанії BMW почати опрацювання варіантів використання цієї схеми в автомобілях. До речі, ККД сучасних бензинових двигунівскладає 34%.

Вартість виготовлення парового двигуна в усі часи була нижчою від вартості карбюраторного і дизельних двигунівтієї ж потужності. Витрата рідкого палива в нових парових двигунах, що працюють у замкнутому циклі на перегрітій (сухій) парі та оснащені сучасними системами мастила, якісними підшипниками та електронними системамирегулювання робочого циклу становить всього 40% від попереднього.

4. Паровий двигун повільно запускається.І це було колись… Навіть серійні автомобіліФірми Stanley «розводили пари» від 10 до 20 хвилин. Удосконалення конструкції котла та використання каскадного режиму нагрівання дозволило скоротити час готовності до 40–60 секунд.

5. Паровий автомобіль занадто неквапливий.Це не так. Рекорд швидкості 1906 - 205,44 км / год - належить паровому автомобілю. У ті роки автомобілі на бензинових моторахтак швидко їздити не вміли. 1985-го на паровому автомобілі роз'їжджали зі швидкістю 234,33 км/год. А в 2009 році група британських інженерів сконструювала паротурбінний «болід» із паровим приводом потужністю 360 л. с., який був здатний переміщатися з рекордної середньою швидкістюу заїзді – 241,7 км/год.

6. Паровий автомобіль димить, він неестетичний.Розглядаючи старовинні малюнки, на яких зображені перші парові екіпажі, що викидають зі своїх труб густі клуби диму та вогню (що, до речі, свідчить про недосконалість топок перших «паровиків»), розумієш, звідки взялася стійка асоціація парової машини та кіптяви.

Що стосується зовнішнього виглядумашин, справа тут, звичайно, залежить від рівня дизайнера. Навряд чи хтось скаже, що парові автомобілі Абнера Добля (США) негарні. Навпаки, вони елегантні навіть за теперішнім уявленням. І їздили до того ж безшумно, плавно та швидко – до 130 км/год.

Цікаво, що сучасні дослідження в галузі водневого палива для автомобільних моторів породили ряд «бічних відгалужень»: водень як паливо для класичних поршневих парових двигунів і особливо для паротурбінних машин забезпечує абсолютну екологічність. «Дим» від такого мотора є… водяною парою.

7. Паровий двигун примхливий.Це не правда. Він конструктивно значно простіше двигунавнутрішнього згоряння, що саме означає велику надійність і невибагливість. Ресурс парових моторів складає багато десятків тисяч годин безперервної роботи, що не властиво іншим типам двигунів. Однак цим справа не обмежується. Через принципи роботи паровий двигун не втрачає ефективності при зниженні атмосферного тиску. Саме тому транспортні засоби на паровій тязі виключно добре підходять для використання у високогір'ї, на важких гірських перевалах.

Цікаво відзначити ще одну корисну властивість парового двигуна, яким він, до речі, схожий з електромотором постійного струму. Зниження частоти обертання валу (наприклад, при зростанні навантаження) викликає зростання моменту, що крутить. В силу цієї якості автомобілям з паровими двигунами важливо не потрібні коробки передач - самі по собі дуже складні і часом примхливі механізми.

Я живу тільки на вугіллі та воді та досі маю достатню енергію, щоб розігнатися до 100 миль на годину! Це те, що може зробити паровоз. Хоча ці гігантські механічні динозаври в даний час вимерли на більшій частині світових залізниць, парові технології живуть у серцях людей, і локомотиви, подібні до цього, досі служать туристичними пам'ятками на багатьох історичних залізницях.

Перші сучасні парові машини були винайдені в Англії на початку 18 століття і ознаменували початок Промислової Революції.

Сьогодні ми знову повертаємось до енергії пари. Через особливості конструкції в процесі згоряння палива паровий двигун дає менше забруднень, ніж двигун внутрішнього згоряння. У цій публікації на відео подивіться, як він працює.

Що живило старовинний паровий двигун?

Потрібна енергія, щоб робити абсолютно все, про що ви тільки можете подумати: кататися на скейтборді, літати літаком, ходити в магазини або водити машину вулицею. Більшість енергії, яку ми використовуємо для транспортування сьогодні, надходить із нафти, але це було не завжди так. До початку 20-го століття вугілля було улюбленим паливом у світі, і він рухав все: від поїздів і кораблів до злощасних парових літаків, винайдених американським ученим Семюелем П. Ленглі, раннім конкурентом братів Райт. Що такого особливого у вугіллі? Усередині Землі його багато, тому він був відносно недорогим та широко доступним.

Вугілля є органічною хімічною речовиною, що означає, що вона заснована на елементі вуглецю. Вугілля утворюється протягом мільйонів років, коли останки мертвих рослин закопують під камінням, стискають під тиском та варять під дією внутрішнього тепла Землі. Ось чому це називається викопне паливо. Грудки вугілля – це справді грудки енергії. Вуглець всередині них пов'язаний з атомами водню та кисню сполуками, які називаються хімічними зв'язками. Коли ми спалюємо вугілля на вогні, зв'язки розпадаються і енергія виділяється у формі тепла.

Вугілля містить приблизно вдвічі менше енергії на кілограм, ніж чистіше викопне паливо, таке як бензин, дизельне паливо та гас – і це одна з причин, через яку парові двигуни повинні спалювати так багато.

Чи готові парові машини до епічного повернення?

Колись давно панував паровий двигун – спочатку у поїздах та важких тракторах, як ви знаєте, але зрештою й у автомобілях. Сьогодні це важко зрозуміти, але на рубежі 20 століття більше половини автомобілів у США працювали на парах. Паровий двигун був настільки вдосконалений, що у 1906 році парова машина під назвою «Ракета Стенлі» навіть мала рекорд швидкості на землі – необачна швидкість 127 миль на годину!

Тепер ви можете подумати, що парова машина мала успіх лише тому, що двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) ще не існували, але насправді парові машини та автомобілі ДВЗ були розроблені одночасно. Оскільки інженери вже мали 100-річний досвід роботи з паровими двигунами, парава машина мала досить великий старт. В той час, як ручні колінчасті двигуниламали руки нещасних операторів, до 1900 року парові машини були вже повністю автоматизовані - і без зчеплення або коробки передач (пар забезпечує постійний тиск, на відміну від ходу поршня ДВС), дуже легким в управлінні. Єдина застереження, що ви повинні були зачекати кілька хвилин, щоб казан нагрівся.

Однак за кілька коротких років Генрі Форд прийде і все змінить. Хоча паровий двигун технічно перевершував ДВС, він не міг зрівнятися із ціною серійних Фордів. Виробники парових автомобілів намагалися перемикати передачі та продавати свої автомобілі як преміальні, розкішні продукти, але до 1918 року Ford Model T був у шість разів дешевше, ніж Steanley Steamer (найпопулярніша парова машина на той час). З появою електродвигуна стартера в 1912 році та постійним підвищенням ефективності ДВЗ пройшло зовсім небагато часу, поки парова машина зникла з наших доріг.

Під тиском

Протягом останніх 90 років парові машини залишалися на межі зникнення, а гігантські звірі викочувалися на покази старовинних автомобілівале не набагато. Спокійно, однак, на задньому плані дослідження непомітно просувалися вперед – частково через нашу залежність від парових турбін у виробництві електроенергії, а також тому, що деякі люди вважають, що парові двигуни справді можуть перевершувати двигуни внутрішнього згоряння.

ДВЗ мають внутрішні недоліки: їм потрібно викопне паливо, вони виробляють багато забруднень, і вони галасливі. Парові двигуни, навпаки, дуже тихі, дуже чисті та можуть використовувати практично будь-яке паливо. Парові двигуни завдяки постійному тиску не вимагають зачеплення - ви отримуєте максимальний момент, що крутить, і прискорення миттєво, в стані спокою. Для міського водіння, де зупинка та запуск споживають величезну кількість копалин, безперервна потужність парових двигунів може бути дуже цікавою.

Технології пройшли довгий шляхі з 1920-х років – насамперед ми тепер майстри матеріалів. Оригінальним паровим машинам були потрібні величезні, важкі котли, щоб витримувати спеку і тиск, і в результаті навіть невеликі парові машини важили кілька тонн. З сучасними матеріалами парові машини можуть бути такими ж легкими, як їхні двоюрідні брати. Додайте сучасний конденсатор і якийсь котел-випарник, і ви зможете побудувати парову машину з пристойною ефективністю та часом прогріву, що вимірюється секундами, а не хвилинами.

У Останніми рокамиці досягнення об'єдналися у деякі захоплюючі події. У 2009 році британська команда встановила новий рекорд швидкості вітру на паровій тязі 148 миль на годину, нарешті побивши рекорд ракети Стенлі, який стояв понад 100 років. У 1990-х роках підрозділ Volkswagen R&D під назвою Enginion заявив, що він побудував паровий двигун, який можна порівняти з ДВС, але з меншими викидами. В останні роки Cyclone Technologies стверджує, що вона розробила паровий двигун, який вдвічі ефективніший, ніж ДВЗ. На сьогоднішній день, однак, жоден двигун не знайшов свого шляху в комерційному автомобілі.

Рухаючись уперед, малоймовірно, що парові машини колись сядуть з двигуна внутрішнього згоряння, хоча б через величезний імпульс Big Oil. Однак одного разу, коли ми нарешті вирішимо серйозно поглянути на майбутнє особистого транспорту, можливо, тиха, зелена, ковзаюча грація енергії, пара отримає другий шанс.

Парові двигуни нашого часу

Технологія.

Інноваційна енергіяВ даний час nanoFlowcell® є найінноваційнішою та найпотужнішою системою накопичення енергії для мобільних та стаціонарних додатків. На відміну від звичайних батарей, nanoFlowcell® забезпечується енергією у вигляді рідких електролітів (bi-ION), яка може зберігатися далеко від самої комірки. Вихлоп автомобіля з цією технологією – водяна пара.

Як і звичайний проточний осередок, позитивно та негативно заряджені електролітичні рідини зберігаються окремо у двох резервуарах і, як і звичайний проточний осередок або паливний елемент, прокачуються через перетворювач (дійсний елемент системи nanoFlowcell) в окремих контурах.

Тут два ланцюги електроліту розділені лише проникною мембраною. Обмін іонів відбувається, як тільки розчини позитивного та негативного електролітів проходять один з одним по обидва боки мембрани конвертера. Це перетворює хімічну енергію, пов'язану в бі-іон, в електрику, яка потім доступна для споживачів електроенергії.

Подібно до водневих транспортних засобів, «вихлоп», вироблений електромобілями nanoFlowcell, є водяною парою. Але чи є викиди водяної пари від майбутніх електромобілів екологічно чистими?

Критики електричної мобільності дедалі частіше ставлять під сумнів екологічну сумісність та стійкість альтернативних джерел енергії. Для багатьох автомобільні електроприводи є посереднім компромісом водіння з нульовим рівнем викидів та екологічно шкідливих технологій. Звичайні літій-іонні або металогідридні батареї не є ні стійкими, ні екологічно сумісними – ні у виробництві, ні у використанні, ні у переробці, навіть якщо реклама передбачає чисту «електронну мобільність».

nanoFlowcell Holdings також часто ставлять питання про стійкість та екологічну сумісність технології nanoFlowcell та біо-іонних електролітів. І сам nanoFlowcell, і розчини електролітів bi-ION, необхідні для його живлення, виробляються екологічно безпечним способом із екологічно чистої сировини. У процесі експлуатації технологія nanoFlowcell повністю нетоксична і не завдає шкоди здоров'ю. Бі-ІОН, який складається із слабосольового водного розчину (органічні та мінеральні солі, розчинені у воді) та фактичних енергоносіїв (електролітів), також безпечний для навколишнього середовища при використанні та переробці.

Як працює привід nanoFlowcell у електромобілі? Подібно до бензинового автомобіля, розчин електроліту споживається в електричному транспортному засобі з нанофлоуцеллом. Усередині нановідведення (фактичного проточного осередку) один позитивно і один негативно заряджений розчин електроліту прокачується через клітинну мембрану. Реакція – іонний обмін – має місце між позитивно та негативно зарядженими розчинами електроліту. Таким чином, хімічна енергія, що міститься в бі-іонах, виділяється у вигляді електрики, яка потім використовується для електродвигунів. Це відбувається до тих пір, поки електроліти прокачуються через мембрану та реагують. У разі приводу QUANTiNO з нанофлоуцеллом одного резервуара з електролітною рідиною достатньо більш ніж 1000 кілометрів. Після спустошення бак має бути поповнений.

Які “відходи” утворюються електричним транспортним засобом із нанофлоуцеллом? У звичайному транспортному засобі з двигуном внутрішнього згоряння при спалюванні викопного палива (бензину або дизельного палива) утворюються небезпечні вихлопні гази – головним чином діоксид вуглецю, оксиди азоту та діоксид сірки – накопичення яких було визначено багатьма дослідниками як причина зміни клімату. міняти. Тим не менш, єдині викиди, що виділяються транспортним засобом nanoFlowcell під час водіння, складаються майже як транспортний засіб, що працює на водні майже повністю з води.

Після того, як іонний обмін відбувся в наноосередку, хімічний склад розчину електроліту bi-ION практично не змінився. Він більше не є реактивним і таким чином вважається «витраченим», оскільки його неможливо перезарядити. Тому для мобільних застосувань технології nanoFlowcell, таких як електромобілі, було прийнято рішення мікроскопічно випаровувати та вивільняти розчинений електроліт під час руху автомобіля. При швидкості понад 80 км/год ємність для відпрацьованої електролітичної рідини спорожняється через надзвичайно дрібні форсунки розпилювання з використанням генератора, що приводиться в рух енергією приводу. Електроліти та солі попередньо механічно відфільтровуються. Випуск очищеної в даний час води у вигляді пари холодної води (мікротонкодисперсний туман) повністю сумісний з навколишнім середовищем. Фільтр змінюється приблизно на 10 г.

Перевага цього технічного рішення полягає в тому, що бак транспортного засобу спустошується під час руху у звичайному режимі і може бути легко та швидко поповнений без необхідності відкачування.

Альтернативне рішення, яке є більш складним, полягає в тому, щоб зібрати розчин відпрацьованого електроліту в окремому резервуарі і відправити його на переробку. Це рішення призначене для таких стаціонарних додатків nanoFlowcell.

Однак зараз багато критиків припускають, що водяна пара такого типу, що виділяється при конверсії водню в паливних елементахабо в результаті випаровування електролітичної рідини у разі нановідведення, теоретично є парниковим газом, який може вплинути на зміну клімату. Як виникають такі чутки?

Ми розглядаємо викиди водяної пари з точки зору їх екологічної значущості і ставимо питання про те, скільки ще водяної пари можна очікувати в результаті широкого використання транспортних засобів з нанофлоуцелл у порівнянні з традиційними технологіями приводу і чи можуть ці викиди H 2 O мати негативний вплив на навколишню середу.

Найбільш важливі природні парникові гази – поряд з CH 4 , O 3 і N 2 O – водяна пара та CO 2 , Вуглекислий газ та водяна пара неймовірно важливі для підтримки глобального клімату. Сонячне випромінювання, яке досягає землі, поглинається та нагріває землю, яка у свою чергу випромінює тепло в атмосферу. Проте більшість цього випромінюваного тепла йде назад у космос із земної атмосфери. Вуглекислий газ і водяна пара мають властивості парникових газів, утворюючи «захисний шар», який запобігає витоку всього випромінюваного тепла назад в космос. У природному контексті цей парниковий ефект має вирішальне значення для нашого виживання на Землі – без вуглекислого газу та водяної пари атмосфера Землі була б ворожою для життя.

Парниковий ефект стає проблематичним лише тоді, коли непередбачуване втручання людини порушує природний цикл. Коли на додаток до природних парникових газів люди викликають більш високу концентрацію парникових газів в атмосфері, спалюючи викопне паливо, це збільшує нагрівання земної атмосфери.

Як частина біосфери, люди неминуче впливають на довкілля і, отже, на кліматичну систему, самим своїм існуванням. Постійне зростання чисельності населення Землі після кам'яного віку та створення поселень кілька тисяч років тому, пов'язане з переходом від кочового життя до сільського господарства та тваринництва, вже вплинуло на клімат. Майже половина оригінальних лісів та лісів у світі була очищена для сільськогосподарських цілей. Ліси – поряд з океанами – головний виробник водяної пари.

Водяна пара є основним поглиначем теплового випромінювання в атмосфері. Водяна пара становить в середньому 0,3% за масою атмосфери, вуглекислий газ – лише 0,038%, що означає, що водяна пара становить 80% маси парникових газів в атмосфері (близько 90% за обсягом) і з урахуванням від 36 до 66% – найважливіший парниковий газ, що забезпечує наше існування землі.

Таблиця 3: Атмосферна частка найважливіших парникових газів, а також абсолютна та відносна частка підвищення температури (Циттель)