Zanimanje za vodenu paru kao pristupačan izvor energije javilo se zajedno s prvim znanstvenim spoznajama starih ljudi. Ljudi već tri tisuće godina pokušavaju ukrotiti tu energiju. Koje su glavne faze ovog puta? Čije su misli i projekti naučili čovječanstvo da to maksimalno iskoristi?

Preduvjeti za nastanak parnih strojeva

Potreba za mehanizmima koji mogu olakšati radno intenzivne procese oduvijek je postojala. Otprilike do sredine 18. stoljeća u tu su svrhu korištene vjetrenjače i vodena kola. Mogućnost korištenja energije vjetra izravno ovisi o vremenskim nepogodama. A da bi se koristili vodeni kotači, tvornice su morale biti izgrađene uz obale rijeka, što nije uvijek zgodno ili praktično. A učinkovitost oba bila je izuzetno niska. Bio je temeljno potreban novi motor, lako upravljiv i lišen ovih nedostataka.

Povijest izuma i usavršavanja parnih strojeva

Stvaranje parnog stroja rezultat je mnogo razmišljanja, uspjeha i razočarenja mnogih znanstvenika.

Početak puta

Prvi, izolirani projekti bili su samo zanimljivi kurioziteti. Na primjer, Arhimed dizajnirao parni pištolj, Heron iz Aleksandrije koristio energiju pare za otvaranje vrata drevnih hramova. I istraživači nalaze bilješke o praktičnoj upotrebi energije pare za pokretanje drugih mehanizama u radu Leonardo da Vinci.

Pogledajmo najznačajnije projekte na ovu temu.

U 16. stoljeću arapski inženjer Taghi al Din razvio je dizajn primitivne parne turbine. Međutim, nije dobio praktičnu primjenu zbog jake disperzije mlaza pare koja se dovodi do lopatica turbinskog kotača.

Vratimo se u srednjovjekovnu Francusku. Fizičar i talentirani izumitelj Denis Papin, nakon mnogih neuspješnih projekata, odlučio se za sljedeći dizajn: okomiti cilindar napunjen je vodom, iznad kojeg je postavljen klip.

Cilindar je zagrijan, voda je prokuhala i isparila. Para koja se širila podigla je klip. Bio je fiksiran na gornjoj točki uspona i čekalo se da se cilindar ohladi i para kondenzira. Nakon što se para kondenzirala, u cilindru je nastao vakuum. Klip je, oslobođen pričvršćivanja, pod utjecajem atmosferskog tlaka jurnuo u vakuum. Upravo je taj pad klipa trebao poslužiti kao radni takt.

Dakle, korisni hod klipa uzrokovan je stvaranjem vakuuma uslijed kondenzacije pare i vanjskog (atmosferskog) tlaka.

Jer Parni stroj Papena kao i većina kasnijih projekata, nazvani su parno-atmosferski strojevi.

Ovaj dizajn je imao vrlo značajan nedostatak - nije osigurana ponovljivost ciklusa. Denis dolazi na ideju da paru ne proizvodi u cilindru, već zasebno u parnom kotlu.

Denis Papin ušao je u povijest stvaranja parnih strojeva kao izumitelj vrlo važnog dijela - parnog kotla.

A budući da se para počela proizvoditi izvan cilindra, sam motor je postao motor s vanjskim izgaranjem. Ali zbog nedostatka distribucijskog mehanizma koji bi osigurao nesmetan rad, ti projekti nisu našli gotovo nikakvu praktičnu primjenu.

Nova faza u razvoju parnih strojeva

Otprilike 50 godina korišten je za crpljenje vode u rudnicima ugljena. Thomas Newcomen parna pumpa. Umnogome je ponavljao prethodne izvedbe, ali je sadržavao vrlo važne nove elemente - cijev za odvod kondenzirane pare i sigurnosni ventil za ispuštanje viška pare.

Njegov značajan nedostatak bio je taj što se cilindar morao ili zagrijati prije ubrizgavanja pare ili ohladiti prije kondenzacije. Ali potreba za takvim motorima bila je toliko velika da su, unatoč njihovoj očitoj neučinkovitosti, posljednje kopije ovih strojeva služile do 1930.

Godine 1765 engleski mehaničar James Watt, počevši poboljšavati Newcomenov stroj, odvojio kondenzator od parnog cilindra.

Postalo je moguće držati cilindar stalno grijanim. Učinkovitost stroja odmah se povećala. Sljedećih godina, Watt će značajno poboljšati svoj model, opremiti ga uređajem za dovod pare s jedne ili druge strane.

Postalo je moguće koristiti ovaj stroj ne samo kao pumpu, već i za pogon raznih strojeva. Watt je dobio patent za svoj izum - kontinuirani parni stroj. Započinje masovna proizvodnja ovih strojeva.

Do početka 19. stoljeća u Engleskoj su radili parni strojevi snage više od 320 W. Počele su ih kupovati i druge europske zemlje. To je pridonijelo značajnom povećanju industrijske proizvodnje u mnogim industrijama kako u samoj Engleskoj tako iu susjednim zemljama.

Dvadeset godina ranije nego Watt, u Rusiji radi na projektu Parni stroj Radio je altajski mehaničar Ivan Ivanovič Polzunov.

Uprava tvornice pozvala ga je da napravi agregat koji bi pokretao puhalo talioničke peći.

Stroj koji je napravio bio je dvocilindrični i osiguravao je neprekidan rad uređaja koji je na njega priključen.

Nakon uspješnog rada više od mjesec i pol, bojler je procurio. Sam Polzunov u to vrijeme više nije bio živ. Auto nije popravljan. I prekrasna kreacija usamljenog ruskog izumitelja bila je zaboravljena.

Zbog zaostalosti tadašnje Rusije svijet je s velikim zakašnjenjem saznao za izum I. I. Polzunova...

Dakle, za rad parnog stroja potrebno je da se para koju proizvodi parni kotao širi i pritišće lopatice klipa ili turbine. A onda se njihovo kretanje prenosilo na druge mehaničke dijelove.

Primjena parnih strojeva u prometu

Unatoč činjenici da učinkovitost parnih strojeva tog vremena nije prelazila 5%, do kraja 18. stoljeća počeli su se aktivno koristiti u poljoprivredi i prometu:

• u Francuskoj se pojavljuje automobil na parni pogon;
• u SAD-u počinje prometovati brod između gradova Philadelphia i Burlington;
• u Engleskoj je demonstrirana željeznička lokomotiva na parni pogon;
• Ruski seljak iz Saratovske pokrajine patentirao je traktor gusjeničar od 20 konjskih snaga koji je napravio. S.;
• Nekoliko puta pokušano je izgraditi zrakoplov s parnim strojem, ali, nažalost, mala snaga tih jedinica u kombinaciji s velikom težinom zrakoplova učinila je te pokušaje neuspješnima.

Do kraja 19. stoljeća parni strojevi, odigravši svoju ulogu u tehničkom napretku društva, ustupaju mjesto električnim motorima.

Parni uređaji u 21. stoljeću

Pojavom novih izvora energije u 20. i 21. stoljeću ponovno se javlja potreba za korištenjem energije pare. Parne turbine postaju sastavni dio nuklearnih elektrana. Para koja ih pokreće dobiva se iz nuklearnog goriva.

Ove turbine također se široko koriste u kondenzacijskim termoelektranama.

U nizu zemalja provode se eksperimenti za proizvodnju pare pomoću sunčeve energije.

Nisu zaboravljeni ni klipni parni strojevi. U planinskim područjima kao lokomotiva Još uvijek se koriste parne lokomotive.

Ovi pouzdani radnici sigurniji su i jeftiniji. Ne trebaju dalekovodi, a gorivo - drvo i jeftini ugljen - uvijek su im pri ruci.

Suvremene tehnologije omogućuju hvatanje do 95% atmosferskih emisija i povećanje učinkovitosti na 21%, tako da su ljudi odlučili da se za sada ne odvajaju od njih i rade na novoj generaciji parnih lokomotiva.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim

Princip rada parnog stroja

Sadržaj

anotacija

1. Teorijski dio

1.1 Vremenski lanac

1.2 Parni stroj

1.2.1 Parni kotao

1.2.2 Parne turbine

1.3 Parni strojevi

1.3.1 Prvi parni brodovi

1.3.2 Rođenje dvokotača

1.4 Primjena parnih strojeva

1.4.1 Prednosti parnih strojeva

1.4.2 Učinkovitost

2. Praktični dio

2.1 Konstrukcija mehanizma

2.2 Načini poboljšanja stroja i njegove učinkovitosti

2.3 Upitnik

Zaključak

Bibliografija

Primjena

Parni strojkorisna radnja

anotacija

Ovaj znanstveni rad sastoji se od 32 lista, a sastoji se od teorijskog dijela, praktičnog dijela, prijave i zaključka. U teoretskom dijelu naučit ćete princip rada parnih strojeva i mehanizama, njihovu povijest i ulogu njihove uporabe u životu. Praktični dio detaljno opisuje proces projektiranja i ispitivanja parnog mehanizma kod kuće. Ovaj znanstveni rad može poslužiti jasan primjer rad i korištenje energije pare.

Uvod

Svijet podložan svim hirovima prirode, gdje se strojevi pokreću mišićnom snagom ili snagom vodenih kotača i vjetrenjača - to je bio svijet tehnologije prije nastanka parnog stroja. Još u davna vremena ljudi su primijetili da struja vodena para, izlazeći iz posude koja je zapaljena, sposobna je pomaknuti prepreku (na primjer, list papira) koja joj se nađe na putu.To je potaknulo čovjeka na razmišljanje o tome kako bi se para mogla koristiti kao radni fluid. Kao rezultat toga, nakon mnogih eksperimenata, pojavio se parni stroj. A zamislite tvornice s dimnjacima koji se dime, parne strojeve i turbine, parne lokomotive i parne brodove - cijeli složeni i moćni svijet parne tehnologije koju je stvorio čovjek. Parni stroj je praktički jedini univerzalni motor i odigrao je golemu ulogu u razvoju čovječanstva.Izum Parni stroj poslužio je kao poticaj daljnjem razvoju prometnih sredstava. Stotinu godina bio je to jedini industrijski motor čija je svestranost dopuštala da se koristi u tvornicama, željeznicama i mornarici. Izum parnog stroja veliki je proboj na prijelazu dvaju razdoblja. I stoljećima kasnije, puni značaj ovog izuma osjeća se još oštrije.

Hipoteza:

Je li moguće vlastitim rukama izgraditi jednostavan mehanizam koji radi na paru?

Svrha rada: projektirati mehanizam koji se može kretati na paru.

Cilj istraživanja:

1. Proučiti znanstvenu literaturu.

2. Dizajnirajte i izradite jednostavan mehanizam koji radi na paru.

3. Razmotrite mogućnosti povećanja učinkovitosti u budućnosti.

Ovaj znanstveni rad služit će kao vodič u nastavi fizike za srednju školu i onima koje ova tematika zanima.

1. TeoRetički dio

Parni stroj je toplinski klipni stroj kod kojeg se potencijalna energija vodene pare koja dolazi iz parnog kotla pretvara u mehanički rad povratnim gibanjem klipa ili rotacijskim gibanjem osovine.

Para je jedno od uobičajenih rashladnih sredstava u toplinskim sustavima s grijanim tekućim ili plinovitim radnim fluidom, uz vodu i termalna ulja. Vodena para ima niz prednosti, uključujući jednostavnost i fleksibilnost korištenja, nisku toksičnost i mogućnost opskrbe tehnološkog procesa značajnom količinom energije. Može se koristiti u različitim sustavima koji uključuju izravan kontakt rashladne tekućine s različitim elementima opreme, učinkovito pomažući u smanjenju troškova energije, smanjenju emisija i brzom povratu.

Zakon održanja energije je temeljni zakon prirode, empirijski utvrđen, koji kaže da se energija izoliranog (zatvorenog) fizičkog sustava održava tijekom vremena. Drugim riječima, energija ne može nastati ni iz čega i ne može nestati u ništa, može samo prijeći iz jednog oblika u drugi. S temeljne točke gledišta, prema Noetherovom teoremu, zakon održanja energije posljedica je homogenosti vremena i u tom je smislu univerzalan, odnosno svojstven sustavima vrlo različite fizičke prirode.

1.1 Vremenski lanac

4000 godina prije Krista e. - čovjek je izumio kotač.

3000 godina prije Krista e. - Prve ceste pojavile su se u starom Rimu.

2000 godina prije Krista e. - kotač nam je dobio poznatiji izgled. Sada ima glavčinu, rub i žbice koje ih povezuju.

1700 godina prije Krista e. - pojavile su se prve ceste popločane drvenim kockama.

312. pr. Kr e. - Prve kamene ceste izgrađene su u starom Rimu. Debljina kamenih zidova dosezala je jedan metar.

1405. - pojavile su se prve proljetne konjske zaprege.

1510. - konjska zaprega dobila je tijelo sa zidovima i krovom. Putnici su se mogli zaštititi od vremenskih nepogoda tijekom putovanja.

1526. - Njemački znanstvenik i umjetnik Albrecht Durer razvio je zanimljiv projekt za "kočiju bez konja" pokretanu mišićnom snagom ljudi. Ljudi koji su hodali uz bok kočije okretali su posebne ručke. Ta se rotacija prenosila na kotače kočije pomoću pužnog mehanizma. Nažalost, kolica nisu napravljena.

1600. - Simon Stevin izgradio je jahtu na kotačima koji su se kretali pod utjecajem vjetra. To je postao prvi dizajn kočije bez konja.

1610. - kočije su doživjele dva značajna poboljšanja. Prvo, nepouzdani i premekani pojasevi koji ljuljaju putnike tijekom putovanja zamijenjeni su čeličnim oprugama. Drugo, poboljšane su konjske orme. Sada je konj vukao kočiju ne vratom, već prsima.

1649. - provedeni su prvi testovi upotrebe opruge, koju je prethodno uvijala osoba, kao pogonske sile. Kočiju na opružni pogon izgradio je Johann Hautsch u Nürnbergu. Međutim, povjesničari dovode u pitanje ovu informaciju, jer postoji verzija da je umjesto velike opruge u kočiji sjedila osoba koja je pokretala mehanizam.

1680 - prvi primjeri jahanja konja pojavili su se u velikim gradovima javni prijevoz.

1690. - Stefan Farffler iz Nürnberga stvorio je kolica s tri kotača koja su se kretala pomoću dvije ručke koje su se okretale rukom. Zahvaljujući ovom pogonu, dizajner kolica mogao se kretati s mjesta na mjesto bez korištenja nogu.

1698. - Englez Thomas Savery napravio je prvi parni kotao.

1741 - Ruski samouki mehaničar Leonty Lukyanovich Shamshurenkov poslao je "izvješće" s opisom "samohodnih kolica" pokrajinskom uredu u Nižnjem Novgorodu.

1769. - Francuski izumitelj Cugnot napravio je prvi parni automobil na svijetu.

1784. - James Watt stvorio je prvi parni stroj.

1791. - Ivan Kulibin konstruirao je samohodnu kočiju na tri kotača koja je mogla primiti dva putnika. Pogon se odvijao pomoću mehanizma s pedalom.

1794. - Cugnotov parni stroj predan je u “skladište strojeva, alata, modela, crteža i opisa svih vrsta umjetnosti i obrta” kao još jedan mehanički kuriozitet.

1800. - postoji mišljenje da je ove godine u Rusiji napravljen prvi bicikl na svijetu. Njegov autor bio je kmet Efim Artamonov.

1808. - prvi francuski bicikl pojavio se na ulicama Pariza. Bio je izrađen od drveta i sastojao se od prečke koja povezuje dva kotača. Za razliku od modernog bicikla, nije imao volan ni pedale.

1810. - U Americi i europskim zemljama počela se javljati industrija kočija. U velikim su se gradovima čitave ulice, pa čak i četvrti pojavile pune kočijaša.

1816. - Njemački izumitelj Karl Friedrich Dries napravio je stroj nalik modernom biciklu. Čim se pojavio na ulicama grada, dobio je naziv "stroj za trčanje", jer je njegov vlasnik, odgurujući se nogama, zapravo trčao po tlu.

1834. - u Parizu su obavljena ispitivanja jedriličarske posade koju je dizajnirao M. Hakuet. Ova posada imala je jarbol visok 12 m.

1868. - vjeruje se da je te godine Francuz Erne Michaud napravio prototip modernog motocikla.

1871. - Francuski izumitelj Louis Perrault razvio je parni stroj za bicikl.

1874. godine - u Rusiji je izgrađen parni traktor na kotačima. Kao prototip korišten je engleski automobil "Evelyn Porter".

1875. godine - U Parizu je održana demonstracija prvog parnog stroja, Amadeus Bdlli.

1884. - Amerikanac Louis Copland napravio je motocikl s parnim strojem postavljenim iznad prednjeg kotača. Ovaj dizajn mogao je ubrzati do 18 km/h.

1901 - putnički parni automobil izgrađen je u Rusiji u moskovskoj tvornici bicikala "Dux".

1902. godine - Leon Serpollet je postavio svjetski rekord brzine od 120 km/h u jednom od svojih parnih automobila.

Godinu dana kasnije postavio je još jedan rekord - 144 km/h.

1905. - Amerikanac F. Marriott u parnom automobilu prešao brzinu od 200 km

1.2 Na parimotor

Stroj pokretan parnom snagom. Za pogon se koristi para koja nastaje zagrijavanjem vode. U nekim motorima snaga pare tjera klipove koji se nalaze u cilindrima da se kreću. Ovo stvara recipročno gibanje. Povezani mehanizam obično ga pretvara u rotacijsko gibanje. Parne lokomotive koriste klipne motore. Kao motori koriste se i parne turbine, koje omogućuju izravno rotacijsko gibanje rotirajući niz kotača s lopaticama. Parne turbine pokreću generatore elektrana i brodske propelere. U svakom parnom stroju toplina nastala zagrijavanjem vode u parnom kotlu (kotlu) pretvara se u energiju gibanja. Toplina može potjecati od izgaranja goriva u peći ili iz nuklearnog reaktora. Prvi parni stroj u povijesti bio je tip pumpe koja se koristila za ispumpavanje vode koja je preplavila rudnike. Izumio ga je 1689. Thomas Savery. U ovom stroju, koji je bio vrlo jednostavne konstrukcije, para se kondenzirala u malu količinu vode, te je zbog toga nastao djelomični vakuum, zbog čega je voda isisana iz rudarskog okna. Godine 1712. Thomas Newcomen izumio je klipnu pumpu pokretanu parom. Godine 1760 James Watt poboljšao je Newcomenov dizajn i stvorio mnogo učinkovitije parne strojeve. Ubrzo su se počeli koristiti u tvornicama za pogon strojeva. Godine 1884. engleski inženjer Charles Parson (1854.-1931.) izumio je prvu praktičnu parnu turbinu. Njegovi dizajni bili su toliko učinkoviti da su ubrzo počeli zamjenjivati ​​klipne parne strojeve u elektranama. Najčudesnije postignuće na području parnih strojeva bilo je stvaranje potpuno zatvorenog, mikroskopskog parnog stroja. Japanski znanstvenici stvorili su ga koristeći metode koje se koriste za izradu integriranih sklopova. Mala struja koja prolazi kroz električni grijač pretvara kapljicu vode u paru koja pokreće klip. Sada znanstvenici moraju otkriti u kojim područjima ovaj uređaj može pronaći praktičnu primjenu.

Proces izuma parnog stroja, kako to u tehnici često biva, trajao je gotovo jedno stoljeće, pa je izbor datuma za ovaj događaj prilično proizvoljan. Međutim, nitko ne poriče da je iskorak koji je doveo do tehnološke revolucije izveo Škot James Watt.

Ljudi su od davnina razmišljali o korištenju pare kao radnog fluida. Međutim, tek na prijelazu iz XVII u XVIII stoljeće. uspio pronaći način za proizvodnju korisnog rada pomoću pare. Jedan od prvih pokušaja da se para stavi u službu čovjeka učinjen je u Engleskoj 1698. godine: stroj izumitelja Saveryja bio je namijenjen za isušivanje rudnika i crpljenje vode. Istina, Saveryjev izum još nije bio motor u punom smislu te riječi, budući da, osim nekoliko ventila koji su se ručno otvarali i zatvarali, nije imao pokretnih dijelova. Saveryjev stroj radio je na sljedeći način: prvo je zatvoreni spremnik napunjen parom, zatim je vanjska površina spremnika ohlađena hladnom vodom, uzrokujući kondenzaciju pare i stvaranje djelomičnog vakuuma u spremniku. Nakon toga je voda - na primjer, s dna okna - usisana u spremnik kroz usisnu cijev i nakon uvođenja sljedećeg dijela pare izbačena je van.

Prvi parni stroj s klipom izgradio je Francuz Denis Papin 1698. Unutar okomitog cilindra s klipom zagrijavala se voda, a nastala para gurala je klip prema gore. Kako se para hladila i kondenzirala, klip se pomicao prema dolje pod utjecajem atmosferskog tlaka. Preko sustava blokova Papenov parni stroj mogao je pokretati razne mehanizme, poput pumpi.

Napredniji stroj konstruirao je 1712. engleski kovač Thomas Newcomen. Kao u Papinovom stroju, klip se kretao u okomitom cilindru. Para iz kotla ulazila je u bazu cilindra i podizala klip prema gore. Ubrizgavanjem hladne vode u cilindar, para se kondenzirala, u cilindru je nastao vakuum, a pod utjecajem atmosferskog tlaka klip je pao. Ovaj obrnuti hod uklonio je vodu iz cilindra i, kroz lanac povezan s klackalicom koja se kretala poput ljuljačke, podigao šipku pumpe prema gore. Kada je klip bio na dnu svog hoda, para je ponovno ušla u cilindar, a uz pomoć protuutega pričvršćenog na šipku pumpe ili klackalicu, klip se podigao u svoj prvobitni položaj. Nakon toga, ciklus se ponovio.

Newcomenov stroj bio je široko korišten u Europi više od 50 godina. Četrdesetih godina 17. stoljeća stroj s cilindrom dužine 2,74 m i promjera 76 cm u jednom je danu dovršio posao koji je ekipa od 25 ljudi i 10 konja, radeći u smjenama, obavila u tjedan dana. A ipak je njegova učinkovitost bila iznimno niska.

Industrijska revolucija najjasnije se očitovala u Engleskoj, prvenstveno u tekstilnoj industriji. Nesklad između ponude tkanina i brzo rastuće potražnje privukao je najbolje dizajnerske umove razvoju strojeva za predenje i tkanje. Imena Cartwrighta, Kaya, Cromptona i Hargreavesa zauvijek će ostati zapisana u povijesti engleske tehnologije. Ali strojevi za predenje i tkanje koje su stvorili trebali su kvalitativno novi, univerzalni motor koji bi kontinuirano i ravnomjerno (upravo to nije mogao pružiti vodeni kotač) pokretao strojeve u jednosmjerno rotacijsko gibanje. Tu se u svom sjaju pokazao talent slavnog inženjera, “čarobnjaka iz Greenocka” Jamesa Watta.

Watt je rođen u škotskom gradu Greenocku u obitelji brodograditelja. Radeći kao pripravnik u radionicama u Glasgowu, James je u prve dvije godine stekao kvalifikacije gravera, majstora za izradu matematičkih, geodetskih, optičkih instrumenata i raznih navigacijskih instrumenata. Po savjetu svog strica profesora, James je upisao lokalno sveučilište kao mehaničar. Ovdje je Watt počeo raditi na parnim strojevima.

James Watt pokušao je poboljšati Newcomenov parno-atmosferski stroj, koji je općenito bio prikladan samo za crpljenje vode. Bilo mu je jasno da je glavni nedostatak Newcomenova stroja naizmjenično zagrijavanje i hlađenje cilindra. Godine 1765. Watt je došao na ideju da cilindar može ostati stalno vruć ako se prije kondenzacije para odvede u poseban spremnik kroz cjevovod s ventilom. Osim toga, Watt je napravio još nekoliko poboljšanja koja su konačno pretvorila parno-atmosferski stroj u parni stroj. Na primjer, izumio je mehanizam šarke - "Wattov paralelogram" (tako nazvan jer dio karika - poluga uključenih u njegov sastav - tvori paralelogram), koji je recipročno kretanje klipa pretvorio u rotacijsko kretanje glavne osovine. Sada su tkalački stanovi mogli raditi neprekidno.

Godine 1776. testiran je Wattov stroj. Njegova učinkovitost bila je dvostruko veća od Newcomenova stroja. Godine 1782. Watt je napravio prvi univerzalni parni stroj s dvostrukim djelovanjem. Para je ulazila u cilindar naizmjenično s jedne, zatim s druge strane klipa. Stoga je klip i radni i povratni hod vršio uz pomoć pare, što nije bio slučaj kod prijašnjih strojeva. Budući da je u parnom stroju s dvostrukim djelovanjem klipnjača vršila vučnu i gurajuću akciju, prethodni pogonski sustav lanaca i klackalica, koji je reagirao samo na vuču, morao je biti redizajniran. Watt je razvio sustav spojenih šipki i upotrijebio planetarni mehanizam za pretvaranje recipročnog gibanja klipnjače u rotacijsko gibanje, upotrijebio teški zamašnjak, centrifugalni regulator brzine, disk ventil i manometar za mjerenje tlaka pare. Wattov patentirani "rotacijski parni stroj" najprije je široko korišten u predionicama i tkaonicama, a kasnije iu drugim industrijskim poduzećima. Wattov motor bio je prikladan za bilo koji stroj, a izumitelji samohodnih mehanizama brzo su to iskoristili.

Wattov parni stroj doista je bio izum stoljeća, označivši početak industrijske revolucije. No, izumitelj se tu nije zaustavio. Susjedi su više puta začuđeno gledali kako Watt juri konje po livadi vukući posebno odabrane utege. Ovako se pojavila jedinica snage - Konjske snage, koji je kasnije dobio univerzalno priznanje.

Nažalost, financijske poteškoće natjerale su Watta da već u odrasloj dobi provodi geodetska istraživanja, radi na izgradnji kanala, gradi luke i marine, te naposljetku sklapa ekonomski porobljavajući savez s poduzetnikom Johnom Rebeckom koji ubrzo doživljava potpuni financijski krah.

Živim samo na ugljenu i vodi i još uvijek imam dovoljno energije za 100 mph! Upravo to može parna lokomotiva. Iako su ti ogromni mehanički dinosauri sada izumrli na većini svjetskih željeznica, parna tehnologija i dalje živi u srcima ljudi, a lokomotive poput ove još uvijek služe kao turističke atrakcije na mnogim povijesnim željeznicama.

Prvi moderni parni strojevi izumljeni su u Engleskoj početkom 18. stoljeća i označili su početak industrijske revolucije.

Danas se ponovno vraćamo energiji pare. Zbog konstrukcijskih značajki procesa izgaranja, parni stroj proizvodi manje onečišćenja od motora unutarnje izgaranje. U ovom video postu pogledajte kako to radi.

Što je pokretalo drevni parni stroj?

Potrebna je energija za apsolutno sve što vam padne na pamet: voziti skejtbord, letjeti avionom, ići u kupovinu ili voziti auto ulicom. Većina energije koju danas koristimo za transport dolazi iz nafte, ali to nije uvijek bio slučaj. Sve do početka 20. stoljeća ugljen je bio omiljeno gorivo u svijetu, pokretalo je sve, od vlakova i brodova do zlosretnih parnih zrakoplova koje je izumio američki znanstvenik Samuel P. Langley, rani konkurent braći Wright. Što je tako posebno u ugljenu? Ima ga u izobilju unutar Zemlje, pa je bio relativno jeftin i široko dostupan.

Ugljen je organska kemikalija, što znači da se temelji na elementu ugljiku. Ugljen se formira tijekom milijuna godina kada se ostaci mrtvih biljaka zakopaju ispod stijena, stisnu pod pritiskom i kuhaju unutarnjom toplinom Zemlje. Zato se i zove fosilno gorivo. Grude ugljena su uistinu grumene energije. Ugljik unutar njih vezan je za atome vodika i kisika u spojeve koji se nazivaju kemijske veze. Kada spaljujemo ugljen u vatri, veze pucaju i energija se oslobađa u obliku topline.

Ugljen sadrži otprilike upola manje energije po kilogramu od čišćih fosilnih goriva kao što su benzin, dizel i kerozin—što je jedan od razloga zašto parni strojevi moraju toliko sagorijevati.

Jesu li parni strojevi spremni za epski povratak?

Nekada davno, parni stroj je vladao - prvo u vlakovima i teškim traktorima, kao što znate, ali na kraju iu automobilima. Danas je to teško razumjeti, ali na prijelazu u 20. stoljeće više od polovice automobila u Sjedinjenim Državama radilo je na paru. Parni stroj bio je toliko napredan da je 1906. godine parni stroj nazvan Stanley Rocket čak držao rekord u brzini na kopnu - vrtoglavu brzinu od 127 milja na sat!

Sada biste mogli pomisliti da je parni stroj bio uspješan samo zato što motori s unutarnjim izgaranjem (ICE) još nisu postojali, ali zapravo su parni strojevi i automobili na ICE razvijeni u isto vrijeme. Budući da su inženjeri već imali 100 godina iskustva u radu s parnim strojevima, parni je stroj imao veliku prednost. Dok su motori s ručnim pogonom lomili ruke nesretnim operaterima, do 1900. godine parni su strojevi bili potpuno automatizirani - i bez kvačila ili mjenjača (para osigurava konstantan tlak, za razliku od hoda klipa motora s unutarnjim izgaranjem), vrlo jednostavni za rukovanje. Jedina zamjerka je da ste morali pričekati nekoliko minuta da se kotao zagrije.

Međutim, za nekoliko kratkih godina pojavit će se Henry Ford i sve promijeniti. Iako je parni stroj bio tehnički superiorniji od motora s unutarnjim izgaranjem, cijenom nije mogao parirati serijskim Fordovima. Proizvođači parnih automobila pokušali su promijeniti brzinu i plasirati svoje automobile kao vrhunske, luksuzne proizvode, ali do 1918. Ford Model T bio je šest puta jeftiniji od Steinley Steamera (najpopularnijeg parnog automobila u to vrijeme). S pojavom elektropokretača 1912. godine i stalnim poboljšanjem učinkovitosti motora s unutarnjim izgaranjem, parni stroj nije dugo nestao s naših cesta.

Pod pritiskom

Posljednjih 90 godina parni strojevi bili su na rubu izumiranja, a divovske zvijeri su se prikazivale na sajmovima starinskih automobila, ali ništa drugo. Međutim, tiho, u pozadini, istraživanje tiho napreduje - dijelom zbog naše ovisnosti o parnim turbinama za proizvodnju električne energije, ali i zato što neki ljudi vjeruju da bi parni strojevi zapravo mogli biti superiorniji od motora s unutarnjim izgaranjem.

ICE imaju inherentne nedostatke: zahtijevaju fosilna goriva, proizvode mnogo onečišćenja i bučni su. S druge strane, parni strojevi vrlo su tihi, vrlo čisti i mogu koristiti gotovo svako gorivo. Parni strojevi, zahvaljujući svom stalnom tlaku, ne zahtijevaju zupčanike - maksimalni okretni moment i ubrzanje dobivate trenutno, u mirovanju. Za gradsku vožnju, gdje se za zaustavljanje i pokretanje troše ogromne količine fosilnog goriva, kontinuirana snaga parnih strojeva može biti vrlo zanimljiva.

Tehnologija je daleko odmakla od 1920-ih - prije svega mi sada majstori materijala. Izvorni parni strojevi zahtijevali su ogromne, teške kotlove da izdrže toplinu i pritisak, a kao rezultat toga, čak su i mali parni strojevi težili nekoliko tona. S modernim materijalima, parni strojevi mogu biti lagani poput svojih rođaka. Dodajte moderni kondenzator i neku vrstu kotla-isparivača, i možete izgraditi parni stroj s pristojnom učinkovitošću i vremenom zagrijavanja koje se mjeri u sekundama, a ne minutama.

U posljednjih godina ova su se postignuća udružila kako bi stvorila neke uzbudljive razvoje. Godine 2009. britanski tim postavio je novi rekord brzine vjetra pokretan parom od 148 mph, konačno oborivši rekord rakete Stanley koji je stajao više od 100 godina. U 1990-ima, Volkswagenov odjel za istraživanje i razvoj pod nazivom Enginion rekao je da je napravio parni stroj koji je po učinkovitosti usporediv s motorom s unutarnjim izgaranjem, ali s nižim emisijama. Posljednjih godina tvrtka Cyclone Technologies tvrdi da je razvila parni stroj koji je dvostruko učinkovitiji od motora s unutarnjim izgaranjem. Do danas, međutim, niti jedan motor nije pronašao put do komercijalnog vozila.

Gledajući naprijed, malo je vjerojatno da će se parni strojevi ikada odmaknuti od motora s unutarnjim izgaranjem, makar samo zbog ogromnog zamaha Big Oila. Međutim, jednog dana, kada konačno odlučimo ozbiljno promotriti budućnost osobnog prijevoza, možda će tiha, zelena, klizna gracioznost parne energije dobiti drugu priliku.

Parni strojevi našeg vremena

Tehnologija.

Inovativna energija. Trenutno je nanoFlowcell® najinovativniji i najsnažniji sustav za pohranu energije za mobilne i stacionarne aplikacije. Za razliku od konvencionalnih baterija, nanoFlowcell® se opskrbljuje energijom u obliku tekućih elektrolita (bi-ION), koji se mogu pohraniti dalje od same ćelije. Ispuh automobila s ovom tehnologijom je vodena para.

Poput konvencionalne protočne ćelije, pozitivno i negativno nabijene elektrolitičke tekućine pohranjuju se odvojeno u dva rezervoara i, poput konvencionalne protočne ćelije ili gorivne ćelije, pumpaju se kroz pretvarač (stvarni element sustava nanoFlowcell) u odvojenim krugovima.

Ovdje su dva lanca elektrolita odvojena samo propusnom membranom. Ionska izmjena se događa čim pozitivna i negativna otopina elektrolita prolaze jedna kroz drugu s obje strane membrane pretvarača. To pretvara kemijsku energiju vezanu u bi-ion u električnu energiju, koja je zatim izravno dostupna potrošačima električne energije.

Poput vozila na vodik, "ispuh" električnih vozila nanoFlowcell je vodena para. No jesu li emisije vodene pare iz budućih električnih vozila ekološki prihvatljive?

Kritičari električne mobilnosti sve više dovode u pitanje ekološku kompatibilnost i održivost alternativnih izvora energije. Za mnoge su pogoni električnih vozila osrednji kompromis između vožnje bez emisija i tehnologija štetnih za okoliš. Konvencionalne litij-ionske ili metal-hidridne baterije nisu ni održive ni ekološki kompatibilne – ni za proizvodnju, ni za upotrebu, ni za recikliranje, čak i ako oglašavanje sugerira čistu "e-mobilnost".

NanoFlowcell Holdings također se često pita o održivosti i ekološkoj kompatibilnosti tehnologije nanoFlowcell i bi-ionskih elektrolita. I sam nanoFlowcell i otopine bi-ION elektrolita potrebne za njegovo napajanje proizvedeni su na ekološki prihvatljiv način od ekološki prihvatljivih sirovina. Tijekom rada tehnologija nanoFlowcell potpuno je netoksična i ni na koji način ne šteti zdravlju. Bi-ION, koji se sastoji od vodene otopine s niskim udjelom soli (organske i mineralne soli otopljene u vodi) i stvarnih nositelja energije (elektrolita), također je ekološki prihvatljiv kada se koristi i prerađuje.

Kako pogon nanoFlowcell radi u električnom vozilu? Kao automobil na benzin, otopina elektrolita se troši u električnom vozilu s nanoflowcellom. Unutar nanograne (stvarne protočne ćelije), jedna pozitivno i jedna negativno nabijena otopina elektrolita pumpaju se preko stanične membrane. Reakcija - ionska izmjena - odvija se između pozitivno i negativno nabijenih otopina elektrolita. Tako se kemijska energija sadržana u bi-ionima oslobađa u obliku električne energije, koja se zatim koristi za pogon elektromotora. To se događa sve dok se elektroliti pumpaju kroz membranu i reagiraju. U slučaju pogona QUANTiNO s nanoflowcellom, jedan spremnik tekućine elektrolita dovoljan je za više od 1000 kilometara. Nakon pražnjenja, spremnik se mora napuniti.

Kakav "otpad" stvara električno vozilo s nanoflowcellom? U tipičnom vozilu s motorom s unutarnjim izgaranjem, izgaranje fosilnih goriva (benzina ili dizela) proizvodi opasne ispušne plinove - uglavnom ugljikov dioksid, dušikove okside i sumporov dioksid - čije su nakupljanje mnogi istraživači identificirali kao uzrok klimatskih promjena. promijeniti. Međutim, jedine emisije koje emitira nanoFlowcell vozilo tijekom vožnje su - slično vozilu na vodik - gotovo u potpunosti voda.

Nakon što je došlo do ionske izmjene u nanoćeliji, kemijski sastav otopine bi-ION elektrolita ostao je gotovo nepromijenjen. Više nije reaktivan i stoga se smatra "potrošenim" jer se ne može ponovno napuniti. Stoga je za mobilne primjene nanoFlowcell tehnologije, kao što su električna vozila, odlučeno mikroskopski ispariti i otpustiti otopljeni elektrolit dok se vozilo kreće. Pri brzinama iznad 80 km/h, spremnik otpadne elektrolitičke tekućine prazni se kroz izuzetno fine mlaznice za raspršivanje pomoću generatora pogonjenog pogonskom energijom. Elektroliti i soli prethodno se mehanički filtriraju. Otpuštanje trenutno pročišćene vode u obliku hladne vodene pare (mikro-fina magla) potpuno je kompatibilno s okolišem. Filter se mijenja otprilike svakih 10 g.

Prednost ovog tehničkog rješenja je što se spremnik vozila prazni tijekom normalne vožnje te se lako i brzo puni bez potrebe za pumpanjem.

Alternativno rješenje, koje je nešto složenije, je sakupljanje potrošene otopine elektrolita u poseban spremnik i slanje na recikliranje. Ovo je rješenje namijenjeno sličnim stacionarnim aplikacijama nanoFlowcell.

Međutim, mnogi kritičari sada sugeriraju da je ova vrsta vodene pare, koja se oslobađa tijekom pretvorbe vodika u gorivim ćelijama ili isparavanjem elektrolitičke tekućine u slučaju nanodiverzije, teoretski staklenički plin koji bi mogao utjecati na klimatske promjene. . Kako nastaju takve glasine?

Promatramo emisije vodene pare u smislu njihovog značaja za okoliš i pitamo se koliko se više vodene pare može očekivati ​​kao rezultat široke upotrebe Vozilo s nanoflowcell u usporedbi s tradicionalnim pogonskim tehnologijama i mogu li te emisije H2O imati negativan utjecaj na okoliš.

Najvažniji prirodni staklenički plinovi - uz CH 4, O 3 i N 2 O - su vodena para i CO 2. Ugljični dioksid i vodena para nevjerojatno su važni u održavanju globalne klime. Sunčevo zračenje koje dopire do zemlje apsorbira se i zagrijava zemlju, koja zauzvrat zrači toplinu u atmosferu. Međutim, većina te zračene topline bježi natrag u svemir iz Zemljine atmosfere. Ugljični dioksid i vodena para imaju svojstva stakleničkih plinova, tvoreći "zaštitni sloj" koji sprječava da sva dozračena toplina pobjegne natrag u svemir. U prirodnom kontekstu, ovaj efekt staklenika ključan je za naš opstanak na Zemlji - bez ugljičnog dioksida i vodene pare, Zemljina atmosfera bila bi neprijateljska prema životu.

Efekt staklenika postaje problematičan samo kada nepredvidiva ljudska intervencija poremeti prirodni ciklus. Kada ljudi uzrokuju veće koncentracije stakleničkih plinova u atmosferi izgaranjem fosilnih goriva, uz prirodno prisutne stakleničke plinove, to povećava zagrijavanje zemljine atmosfere.

Kao dio biosfere, ljudi neminovno svojim postojanjem utječu na okoliš, a time i na klimatski sustav. Stalni porast stanovništva Zemlje od kamenog doba i stvaranje naselja prije nekoliko tisuća godina, povezano s prijelazom s nomadskog života na poljoprivredu i stočarstvo, već je utjecao na klimu. Gotovo polovica izvornih svjetskih šuma i šuma iskrčena je u poljoprivredne svrhe. Šume su, uz oceane, glavni proizvođači vodene pare.

Vodena para je glavni apsorber toplinskog zračenja u atmosferi. Vodena para čini u prosjeku 0,3 % mase atmosfere, ugljični dioksid samo 0,038 %, što znači da vodena para čini 80 % mase stakleničkih plinova u atmosferi (oko 90 % volumena) i, čineći 36 do 66% je najvažniji staklenički plin koji osigurava naše postojanje na zemlji.

Tablica 3: Atmosferski doprinos najvažnijih stakleničkih plinova te apsolutni i relativni doprinos porasta temperature (Zittel)

PARNI ROTORNI STROJ i PARNI AKSIJALNI KLIPNI STROJ

Parni rotacijski stroj (parni stroj rotacijskog tipa) jedinstveni je energetski stroj, čiji razvoj još nije dobio pravi razvoj.

S jedne strane, različiti dizajni rotacijskih motora postojali su još u zadnjoj trećini 19. stoljeća i čak su dobro funkcionirali, uključujući i pogon dinama u svrhu proizvodnje električne energije i pogona svih vrsta objekata. Ali kvaliteta i preciznost izrade takvih parnih strojeva (parnih strojeva) bila je vrlo primitivna, pa su imali nisku učinkovitost i malu snagu. Od tada su mali parni strojevi postali prošlost, ali uz doista neučinkovite i besperspektivne klipne parne strojeve, postali su i perspektivni parni rotacijski strojevi.

Glavni razlog je taj što na razini tehnologije s kraja 19. stoljeća nije bilo moguće napraviti uistinu kvalitetan, snažan i izdržljiv rotacijski motor.
Stoga su od cjelokupne raznolikosti parnih strojeva i parnih strojeva do danas sigurno i aktivno opstale samo parne turbine goleme snage (od 20 MW i više), koje danas proizvode oko 75% električne energije u našoj zemlji. Parne turbine velike snage također daju energiju iz nuklearnih reaktora u borbenim podmornicama koje nose projektile i velikim arktičkim ledolomcima. Ali sve su to ogromni strojevi. Parne turbine dramatično gube svu svoju učinkovitost kako im se veličina smanjuje.

…. Zato u svijetu ne postoje pogonski parni strojevi i parni strojevi snage ispod 2000 - 1500 kW (2 - 1,5 mW), koji bi učinkovito radili na paru dobivenu izgaranjem jeftinog krutog goriva i raznih slobodnih zapaljivih otpadaka. .
Upravo u ovom praznom polju tehnologije danas (i apsolutno ogoljenoj, ali komercijalnoj niši koja ima veliku potrebu za opskrbom proizvodima), u ovoj tržišnoj niši strojeva male snage, parni rotacijski strojevi mogu i trebaju zauzeti svoje mjesto. dostojno mjesto. A potrebe za njima samo u našoj zemlji su deseci i deseci tisuća... Posebno male i srednje energetske strojeve za autonomnu proizvodnju električne energije i neovisno napajanje trebaju mala i srednja poduzeća u područjima udaljenim od velikih gradova i velike elektrane: - u malim pilanama, udaljenim rudnicima, u poljskim kampovima i šumskim parcelama itd., itd.
…..

..
Pogledajmo čimbenike koji rotacijske parne strojeve čine boljim od svojih najbližih srodnika – parnih strojeva u obliku klipnih parnih strojeva i parnih turbina.
… — 1) Rotacijski motori su pogonski strojevi s pozitivnim pomakom - poput klipnih motora. Oni. imaju malu potrošnju pare po jedinici snage, jer se para dovodi u njihove radne šupljine s vremena na vrijeme, i to u strogo doziranim obrocima, a ne u stalnom, obilnom protoku, kao kod parnih turbina. Zato su parni rotacijski strojevi znatno ekonomičniji od parnih turbina po jedinici izlazne snage.
— 2) Rotacijski parni strojevi imaju radni krak primjene plinske sile(krak zakretnog momenta) je znatno (nekoliko puta) veći od klipnih parnih strojeva. Stoga je snaga koju razvijaju puno veća od snage parnih klipnih strojeva.
— 3) Rotacijski parni strojevi imaju puno duži hod od klipnih parnih strojeva, tj. imaju sposobnost pretvaranja većine unutarnje energije pare u koristan rad.
— 4) Parni rotacijski strojevi mogu učinkovito raditi na zasićenoj (mokroj) pari, bez poteškoća dopuštajući da se značajan dio pare kondenzira u vodu izravno u radnim dijelovima parnog rotacijskog stroja. Time se također povećava učinkovitost parne elektrane koja koristi parni rotacijski stroj.
— 5 ) Parni rotacijski strojevi rade na brzinama od 2-3 tisuće okretaja u minuti, što je optimalna brzina za proizvodnju električne energije, za razliku od preniskih klipnih motora (200-600 okretaja u minuti) tradicionalnih parnih strojeva tipa lokomotive. , ili od prebrzih turbina (10-20 tisuća okretaja u minuti).

Istodobno, tehnološki su parni rotacijski strojevi relativno jednostavni za izradu, što čini njihove proizvodne troškove relativno niskima. Za razliku od parnih turbina, čija je proizvodnja izuzetno skupa.

DAKLE, KRATAK SAŽETAK OVOG ČLANKA — parni rotacijski stroj je vrlo učinkovit parni stroj za pretvaranje tlaka pare od topline izgaranja krutog goriva i zapaljivog otpada u mehaničku i električnu energiju.

Autor ove stranice već je dobio više od 5 patenata za izume o različitim aspektima dizajna parnih rotacijskih strojeva. Proizveden je i niz malih rotacijskih motora snage od 3 do 7 kW. U tijeku je projektiranje parnih rotacijskih strojeva snage od 100 do 200 kW.
Ali rotacijski motori imaju "generički nedostatak" - složeni sustav brtvila, koji se za male motore pokazao previše složenim, minijaturnim i skupim za proizvodnju.

U isto vrijeme, autor stranice razvija parne aksijalne klipne strojeve sa suprotstavljenim - protuhodom klipova. Ovaj raspored je energetski najučinkovitija varijanta svih mogućih shema za korištenje klipnog sustava.
Ovi motori u malim veličinama su nešto jeftiniji i jednostavniji od rotacijskih motora, a brtve koje koriste su najtradicionalnije i najjednostavnije.

Ispod je videozapis malog aksijalnog klipnog boxer motora koji se koristi u suprotnom smjeru.

Trenutno se proizvodi takav aksijalni klipni suprotstavljeni motor od 30 kW. Očekuje se da će životni vijek motora biti nekoliko stotina tisuća radnih sati jer je brzina parnog stroja 3-4 puta manja od brzine motora s unutarnjim izgaranjem, tarni par "klip-cilindar" podvrgnut je ionsko-plazma nitriranju u vakuumskoj sredini, a tvrdoća tarnih površina je 62-64 jedinice H.R.C. Za detalje o procesu površinskog otvrdnjavanja metodom nitriranja, vidi.

Ovdje je animacija principa rada sličnog aksijalnog klipnog bokser motora s klipovima koji se kreću suprotno