Intresset för vattenånga som en tillgänglig energikälla dök upp tillsammans med de gamlas första vetenskapliga kunskaper. Människor har försökt tämja denna energi i tre årtusenden. Vilka är huvudstadierna i denna väg? Vems reflektioner och projekt har lärt mänskligheten att dra maximal nytta av det?

Förutsättningar för utseendet av ångmaskiner

Behovet av mekanismer som kan underlätta arbetsintensiva processer har alltid funnits. Fram till ungefär mitten av 1700-talet användes väderkvarnar och vattenhjul för detta ändamål. Möjligheten att använda vindenergi direkt beror på vädrets nycker. Och för att använda vattenhjul måste fabriker byggas längs flodstränderna, vilket inte alltid är bekvämt och ändamålsenligt. Och effektiviteten hos båda var extremt låg. Jag behövde en helt ny motor, lätthanterlig och utan dessa nackdelar.

Historien om uppfinningen och förbättringen av ångmaskiner

Skapandet av en ångmaskin är resultatet av långa överväganden, framgång och misslyckande av många forskares förhoppningar.

Början av vägen

De första engångsprojekten var bara intressanta kuriosa. Till exempel, Arkimedes designade en ångkanon, Häger av Alexandria använde ångenergin för att öppna dörrarna till gamla tempel. Och forskarna hittar anteckningar om den praktiska användningen av ångenergi för att aktivera andra mekanismer på gång Leonardo Da Vinci.

Låt oss överväga de viktigaste projekten i detta ämne.

På 1500-talet utvecklade den arabiska ingenjören Tagi al-Din ett projekt för en primitiv ångturbin. Den fick dock inte praktisk tillämpning på grund av den kraftiga spridningen av ångstrålen som tillfördes turbinens hjulblad.

Snabbspolning framåt till medeltida Frankrike. Fysikern och begåvade uppfinnaren Denis Papin, efter många misslyckade projekt, stannade vid följande design: en vertikal cylinder fylldes med vatten, över vilken en kolv installerades.

Cylindern värmdes upp, vattnet kokade och indunstades. Den expanderande ångan lyfte kolven. Den var fixerad vid den övre lyftpunkten och cylindern förväntades svalna och ånga kondenseras. Efter kondensering av ånga i cylindern bildades ett vakuum. Kolven, som släpptes från fästet, drevs in i vakuum under påverkan av atmosfärstryck. Det var detta kolvfall som var tänkt att användas som ett arbetsslag.

Så kolvens användbara slag orsakades av bildandet av ett vakuum på grund av kondensation av ånga och externt (atmosfäriskt) tryck.

Det är därför ångmotor Papena som de flesta efterföljande projekt namngavs ånga-atmosfäriska maskiner.

Denna design hade en mycket betydande nackdel - cykelns repeterbarhet tillhandahölls inte. Denis kommer på idén att få ånga inte i en cylinder, utan separat i en ångpanna.

Denis Papin gick till historien om skapandet av ångmaskiner som uppfinnaren av en mycket viktig detalj - ångpannan.

Och eftersom de började ta emot ånga utanför cylindern, gick själva motorn in i kategorin externa förbränningsmotorer. Men på grund av avsaknaden av en distributionsmekanism för att säkerställa oavbruten drift har dessa projekt knappast funnit någon praktisk tillämpning.

En ny milstolpe i utvecklingen av ångmaskiner

I cirka 50 år har den använts för att pumpa vatten i kolgruvor Thomas Newcomens ångpump. Den upprepade till stor del de tidigare designerna, men innehöll mycket viktiga innovationer - ett rör för att ta bort kondenserad ånga och en säkerhetsventil för att släppa ut överskottsånga.

Dess betydande nackdel var att cylindern måste värmas upp före ånginsprutning och sedan kylas innan kondensering. Men efterfrågan på sådana motorer var så stor att de sista exemplaren av dessa maskiner, trots deras uppenbara ineffektivitet, fungerade fram till 1930.

År 1765 engelsk mekaniker James Watt, tar upp förbättringen av Newcomen-maskinen, separerade kondensorn från ångcylindern.

Nu är det möjligt att hålla cylindern konstant uppvärmd. Maskinens effektivitet ökade omedelbart. Under de följande åren förbättrade Watt sin modell avsevärt och utrustade den med en anordning för att tillföra ånga från den ena eller den andra sidan.

Det blev möjligt att använda denna maskin inte bara som en pump utan också för att driva olika verktygsmaskiner. Watt fick patent på sin uppfinning - en kontinuerlig ångmaskin. Massproduktion av dessa maskiner börjar.

I början av 1800-talet var mer än 320 watts ångmaskiner i drift i England. Andra europeiska länder började köpa dem också. Detta bidrog till en betydande ökning av industriproduktionen i många sektorer av både England och grannländerna.

Tjugo år tidigare Watt, i Ryssland på ett projekt ångmotor Altai-mekanikern Ivan Ivanovich Polzunov arbetade.

Fabrikscheferna bad honom bygga en enhet som skulle driva fläkten till smältugnen.

Maskinen han byggde var tvåcylindrig och gav kontinuerlig drift av enheten som var ansluten till den.

Efter att ha fungerat framgångsrikt i mer än en och en halv månad började pannan läcka. Vid den här tiden var Polzunov själv inte längre vid liv. De reparerade inte bilen. Och den underbara skapelsen av en ensam rysk uppfinnare glömdes bort.

På grund av Rysslands efterblivenhet på den tiden världen fick veta om II Polzunovs uppfinning med en stor fördröjning...

Så för att driva en ångmaskin är det nödvändigt att ångan som genereras av ångpannan expanderar, trycker på kolven eller på turbinbladen. Och sedan överfördes deras rörelse till andra mekaniska delar.

Användning av ångmaskiner i transporter

Trots det faktum att effektiviteten hos den tidens ångmaskiner inte översteg 5%, började de i slutet av 1700-talet att användas aktivt inom jordbruk och transport:

• en bil med ångmaskin dyker upp i Frankrike;
• i USA börjar en ångbåt gå mellan städerna Philadelphia och Burlington;
• ett ångdrivet järnvägslok demonstrerades i England;
• en rysk bonde från Saratov-provinsen tog patent på en 20 hk bandtraktor som han byggde. Med.;
• Försök gjordes upprepade gånger att bygga ett flygplan med en ångmaskin, men tyvärr gjorde den låga effekten hos dessa enheter med flygplanets stora vikt att dessa försök misslyckades.

I slutet av 1800-talet ger ångmaskiner, efter att ha spelat sin roll i samhällets tekniska framsteg, plats för elmotorer.

Steam-enheter under 2000-talet

Med tillkomsten av nya energikällor under 1900- och 2000-talen dyker behovet av användning av ångenergi upp igen. Ångturbiner håller på att bli en integrerad del av kärnkraftverk.Ångan som driver dem erhålls från kärnbränsle.

Dessa turbiner används också i stor utsträckning i kondenserande värmekraftverk.

I ett antal länder genomförs experiment för att få ut ånga från solenergi.

Ångmaskiner fram och tillbaka har inte heller glömts bort. På höglandet som lokomotiv ånglok används fortfarande.

Dessa pålitliga arbetare är både säkrare och billigare. De behöver inte kraftledningar, och bränsle - ved och billigt kol finns alltid till hands.

Modern teknik tillåter att fånga upp till 95% av atmosfäriska utsläpp och öka effektiviteten upp till 21%, så folk bestämde sig för att inte skiljas från dem för nu och arbetar på en ny generation av ånglok.

Om det här meddelandet är användbart för dig är det trevligt att se dig.

Principen för driften av ångmaskinen

Innehåll

anteckning

1. Teoretisk del

1.1 Tidskedja

1.2 Ångmaskin

1.2.1 Ångpanna

1.2.2 Ångturbiner

1.3 Ångmaskiner

1.3.1 De första ångbåtarna

1.3.2 Uppkomsten av tvåhjuliga fordon

1.4 Användning av ångmaskiner

1.4.1 Fördelen med ångmaskiner

1.4.2 Effektivitet

2. Praktisk del

2.1 Bygga mekanismen

2.2 Sätt att förbättra maskinen och dess effektivitet

2.3 Frågeformulär

Slutsats

Bibliografi

Bilaga

ångmotorvälgörande åtgärd

anteckning

Detta vetenskapliga arbete består av 32 ark och innehåller en teoretisk del, en praktisk del, en tillämpning och en avslutning. I den teoretiska delen kommer du att lära dig om principen för drift av ångmaskiner och mekanismer, om deras historia och rollen av deras tillämpning i livet. Den praktiska delen berättar i detalj om processen att designa och testa ångmekanismen hemma. Detta vetenskapliga arbete kan tjäna bra exempel arbete och energianvändning

Introduktion

En värld som är lydig mot naturens infall, där maskiner drivs av muskelkraft eller kraften från vattenhjul och väderkvarnar - sådan var teknikens värld innan ångmaskinen skapades. i brand, kan förskjuta ett hinder (för till exempel ett pappersark) som ligger i dess väg. Detta fick en person att tänka på hur man använder ånga som arbetsmedium. Som ett resultat av detta, efter många experiment, dök en ångmaskin upp. Och föreställ dig fabriker med rökande skorstenar, ångmaskiner och turbiner, ånglok och ångbåtar - hela den komplexa och kraftfulla världen av ångteknik skapad av människan.Ångmaskinen var praktiskt taget den enda universella motorn och spelade en stor roll i mänsklighetens utveckling.ångmaskinen var drivkraften för vidareutvecklingen av fordon. I hundra år var det den enda industrimotorn med den mångsidighet som gjorde den lämplig för användning i fabriker, järnvägar och flottan.Uppfinnandet av ångmaskinen är ett enormt språng som stod vid svängningen av två epoker. Och genom århundradena märks hela betydelsen av denna uppfinning ännu skarpare.

Hypotes:

Är det möjligt att bygga med egna händer den enklaste mekanismen som fungerade med ånga?

Syfte med arbetet: att designa en mekanism som kan röra sig på en ånga.

Forskningsmål:

1. Studera vetenskaplig litteratur.

2. Designa och bygg den enklaste ångdrivna mekanismen.

3. Överväg möjligheten att öka effektiviteten i framtiden.

Detta vetenskapliga arbete kommer att fungera som en manual för fysiklektioner för gymnasieelever och för dem som är intresserade av detta ämne.

1.TeoReteknisk del

Ångmotor är en värmekolvmotor där den potentiella energin från vattenånga som kommer från en ångpanna omvandlas till mekaniskt arbete med kolvrörelser eller roterande rörelser av en axel.

Ånga är en av de vanligaste värmebärarna i termiska system med en uppvärmd vätska eller gasformig arbetsvätska, tillsammans med vatten och termiska oljor. Vattenånga har ett antal fördelar, inklusive enkelhet och flexibilitet vid användning, låg toxicitet, förmågan att tillföra en betydande mängd energi till den tekniska processen. Den kan användas i en mängd olika system som innebär direktkontakt mellan kylvätskan och olika delar av utrustningen, vilket effektivt hjälper till att minska energikostnaderna, minska utsläppen och snabbt återbetala.

Lagen för bevarande av energi är en grundläggande naturlag, etablerad empiriskt och består i det faktum att energin i ett isolerat (slutet) fysiskt system bevaras över tid. Med andra ord kan energi inte uppstå ur ingenting och kan inte försvinna in i ingenstans, den kan bara gå från en form till en annan. Ur en grundläggande synvinkel, enligt Noethers teorem, är lagen om energibevarande en konsekvens av tidens homogenitet och är i denna mening universell, det vill säga inneboende i system av mycket olika fysisk natur.

1.1 Tidskedja

4000 f.Kr e. - mannen uppfann hjulet.

3000 f.Kr e. - de första vägarna dök upp i antikens Rom.

2000 f.Kr e. – hjulet har fått en mer bekant form för oss. Han har nu ett nav, fälg och ekrar som förbinder dem.

1700 f.Kr e. - de första vägarna belagda med träbjälkar dök upp.

312 f.Kr e. – i antikens Rom byggdes de första stenvägarna. Murverket var en meter tjockt.

1405 - vårens första hästdragna vagnar dök upp.

1510 - hästvagnen fick en kaross med väggar och tak. Passagerarna fick möjlighet att skydda sig mot dåligt väder under resan.

1526 - Den tyske vetenskapsmannen och konstnären Albrecht Durer utvecklade ett intressant projekt med en "hästlös vagn", som drivs av människors muskelkraft. Människor som gick längs sidan av vagnen roterade speciella handtag. Denna rotation överfördes med hjälp av en snäckväxel till besättningens hjul. Tyvärr var vagnen inte tillverkad.

1600 - Simon Stevin bygger en yacht på hjul, driven av vindens kraft. Hon blev den första hästlösa vagndesignen.

1610 - Vagnarna genomgick två betydande förbättringar. För det första ersattes opålitliga och för mjuka bälten, som skakade passagerarna under resan, med stålfjädrar. För det andra har hästselen förbättrats. Nu drog hästen vagnen inte med halsen, utan med bröstet.

1649 - De första testerna på användningen av en fjäder som tidigare vridits av en person som drivkraft godkändes. Den fjäderdrivna vagnen byggdes av Johann Houch i Nürnberg. Historiker ifrågasätter dock denna information, eftersom det finns en version som i stället för en stor fjäder satt en man inne i vagnen, som satte igång mekanismen.

1680 - i stora städer, de första exemplen på ridsport kollektivtrafik.

1690 Stephan Farffler från Nürnberg uppfinner en trehjulig vagn som rör sig med två handtag roterade med händerna. Tack vare denna drivning kunde vagndesignern flytta från plats till plats utan hjälp av sina ben.

1698 - Engelsmannen Thomas Severi bygger den första ångpannan.

1741 - Den ryske självlärde mekanikern Leonty Lukyanovich Shamshurenkov skickade en "rapport" till Nizhny Novgorods provinskansli med en beskrivning av den "självkörande rullstolen".

1769 - Franske uppfinnaren Cugno bygger världens första ångmaskin.

1784 James Watt bygger den första ångmaskinen.

1791 - Ivan Kulibin designade en trehjulig självgående vagn som kunde rymma två passagerare. Körningen utfördes med hjälp av en pedalmekanism.

1794 - Cugnos ångmaskin överlämnades till "förrådet av maskiner, verktyg, modeller, ritningar och beskrivningar av alla typer av konst och hantverk" som en annan mekanisk kuriosa.

1800 - det finns en åsikt att det var i år som den första cykeln i världen byggdes i Ryssland. Dess författare var livegen Efim Artamonov.

1808 - Den första franska cykeln dök upp på gatorna i Paris. Den var gjord av trä och bestod av en tvärstång som förbinder två hjul. Till skillnad från den moderna cykeln hade den inget styre eller pedaler.

1810 - Transportindustrin började växa fram i Amerika och Europa. I stora städer dök hela gator och till och med kvarter bebodda av kuskar upp.

1816 - Den tyske uppfinnaren Karl Friedrich Dreis bygger en maskin som liknar en modern cykel. Så snart den dök upp på stadens gator fick den namnet "löparmaskin", eftersom dess ägare, som tryckte iväg med fötterna, faktiskt sprang längs marken.

1834 - en seglarbesättning designad av M. Hakuet testades i Paris. Denna besättning hade en 12 m hög mast.

1868 - Man tror att i år skapade fransmannen Erne Michaud prototypen av den moderna motorcykeln.

1871 - Den franske uppfinnaren Louis Perrault utvecklar ångmaskinen för cykeln.

1874 - en ånghjulstraktor byggdes i Ryssland. Den engelska bilen "Evelyn Porter" användes som prototyp.

1875 - en demonstration av Amadeus Bdleys första ångmaskin ägde rum i Paris.

1884 - Amerikanen Louis Copeland bygger en motorcykel med en ångmaskin monterad ovanför framhjulet. Denna design kan accelerera till 18 km/h.

1901 - en passagerarfärja från Moskvas cykelfabrik "Dux" byggdes i Ryssland.

1902 - Leon Serpollet på en av sina ångbilar satte ett världshastighetsrekord på 120 km/h.

Ett år senare satte han ytterligare ett rekord - 144 km / h.

1905 - Amerikanen F. Marriott överskred hastigheten på 200 km i en ångbil

1.2 Steammotor

Ångdriven motor. Ångan som produceras genom att värma vattnet används för rörelse. I vissa motorer tvingar ånga kolvarna i cylindrarna att röra sig. Detta skapar en fram- och återgående rörelse. Den bifogade mekanismen omvandlar den vanligtvis till roterande rörelse. I ånglok (lok) används kolvmotorer. Ångturbiner används också som motorer, som direkt ger roterande rörelse genom att rotera en serie hjul med blad. Ångturbiner driver kraftverksgeneratorer och fartygspropellrar. I vilken ångmaskin som helst, omvandlas värmen som genereras av att värma vatten i en ångpanna (panna) till rörelseenergi. Värme kan tillföras från förbränning av bränsle i en ugn eller från en kärnreaktor. Den allra första i ångmaskinernas historia var en slags pump, med hjälp av vilken de pumpade ut vattnet som svämmade över gruvorna. Den uppfanns 1689 av Thomas Savery. I denna maskin, mycket enkel i design, kondenserades ånga, förvandlades till en liten mängd vatten, och på grund av detta skapades ett partiellt vakuum, på grund av vilket vatten sögs ut ur axeln. År 1712 uppfann Thomas Newcomen en ångdriven kolvpump. På 1760-talet. James Watt förbättrade Newcomens design och skapade mycket effektivare ångmaskiner. De användes snart i fabriker för att driva verktygsmaskiner. 1884 uppfann den engelske ingenjören Charles Parsone (1854-1931) den första praktiska ångturbinen. Hans konstruktioner var så effektiva att de snart ersatte fram- och återgående ångmaskiner i kraftverk. Det mest häpnadsväckande framstegen inom området för ångmaskiner har varit skapandet av en mikroskopisk, helt sluten, fungerande ångmaskin. Japanska forskare skapade den med hjälp av tekniker som används för att göra integrerade kretsar. En liten ström som flyter genom det elektriska värmeelementet omvandlar vattendroppen till ånga, som driver kolven. Nu måste forskare upptäcka inom vilka områden denna enhet kan hitta praktisk tillämpning.

Processen att uppfinna ångmaskinen, som ofta är fallet inom teknik, sträckte sig i nästan ett sekel, så valet av datum för denna händelse är ganska godtyckligt. Ingen förnekar dock att genombrottet som ledde till den tekniska revolutionen genomfördes av skotten James Watt.

Man tänkte på att använda ånga som ett arbetsmedium även i antiken. Men först vid sekelskiftet XVII-XVIII. lyckades hitta ett sätt att göra användbart arbete med steam. Ett av de första försöken att sätta ånga i människans tjänst gjordes i England 1698: uppfinnaren Saverys maskin designades för att dränera gruvor och pumpa vatten. Det är sant att Saverys uppfinning ännu inte var en motor i ordets fulla bemärkelse, eftersom det, förutom flera ventiler som öppnades och stängdes manuellt, inte fanns några rörliga delar i den. Saverys maskin fungerade enligt följande: först fylldes en förseglad tank med ånga, sedan kyldes den yttre ytan av tanken med kallt vatten, vilket kondenserade ångan, och ett partiellt vakuum skapades i tanken. Därefter sögs vatten - till exempel från gruvans botten - in i tanken genom inloppsröret och kastades ut efter att nästa portion ånga hade injicerats.

Den första ångmaskinen med en kolv byggdes av fransmannen Denis Papin 1698. Vatten värmdes inuti en vertikal cylinder med en kolv, och den resulterande ångan tryckte kolven uppåt. När ångan svalnade och kondenserades trycktes kolven ner av atmosfärstryck. Genom ett system av block kunde Papens ångmaskin driva olika mekanismer, till exempel pumpar.

En mer perfekt maskin byggdes 1712 av den engelske smeden Thomas Newcomen. Liksom i Papen-maskinen rörde sig kolven i en vertikal cylinder. Ånga från pannan kom in i cylinderns bas och lyfte upp kolven. När kallt vatten sprutades in i cylindern kondenserade ångan, ett vakuum bildades i cylindern och kolven sjönk ner under påverkan av atmosfärstrycket. Detta backslag tog bort vattnet från cylindern och lyfte upp pumpstången med hjälp av en kedja kopplad till en vippa som rörde sig som en gunga. När kolven var på lägsta punkten av sitt slag kom ånga in i cylindern igen och med hjälp av en motvikt fäst på pumpstången eller på vipparmen höjdes kolven till sitt ursprungliga läge. Därefter upprepades cykeln.

Newcomen-maskinen har varit i utbredd användning i Europa i över 50 år. På 1740-talet gjorde en maskin med en cylinder 2,74 m lång och 76 cm i diameter arbetet på en dag, vilket ett team på 25 personer och 10 hästar, arbetande i skift, gjorde på en vecka. Och ändå var dess effektivitet extremt låg.

Den industriella revolutionen manifesterade sig tydligast i England, främst inom textilindustrin. Obalansen mellan utbudet av tyger och den snabbt ökande efterfrågan har lockat de bästa designmännen till utvecklingen av spinn- och vävmaskiner. Namnen på Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves har för alltid gått in i den engelska teknikens historia. Men spinn- och vävmaskinerna som skapades av dem behövde en kvalitativt ny, universell motor, som kontinuerligt och jämnt (detta är vad ett vattenhjul inte kunde tillhandahålla) förde maskinerna i enkelriktad rotationsrörelse. Det var här som talangen hos den berömda ingenjören, "trollkarlen från Greenock" James Watt, dök upp i all sin briljans.

Watt föddes i den skotska staden Greenock i familjen till en skeppsbyggare. Medan han arbetade som lärling i verkstäder i Glasgow, under de första två åren, förvärvade James kvalifikationerna som en gravör, en mästare i tillverkning av matematiska, geodetiska, optiska instrument och olika navigationsinstrument. På inrådan av sin farbror, en professor, gick James in på det lokala universitetet som mekaniker. Det var här som Watt började arbeta med ångmaskiner.

James Watt försökte förbättra Newcomens ång-atmosfäriska motor, som i allmänhet bara var lämplig för att pumpa vatten. Det stod klart för honom att den största nackdelen med Newcomen-maskinen var den omväxlande uppvärmningen och kylningen av cylindern. 1765 kom Watt på idén att en cylinder kunde vara permanent varm genom att dränera ångan till en separat tank genom en ventilledning innan kondensering. Dessutom gjorde Watt flera förbättringar som slutligen förvandlade den ångatmosfäriska motorn till en ångmotor. Till exempel uppfann han en gångjärnsmekanism - "Watts parallellogram" (så kallad eftersom några av länkarna - spakar som utgör den bildar ett parallellogram), som omvandlade kolvens fram- och återgående rörelse till huvudaxelns rotationsrörelse. Nu kunde vävstolarna köras oavbrutet.

1776 testades Watts bil. Dess effektivitet visade sig vara dubbelt så hög som Newcomen-maskinen. 1782 byggde Watt den första universella dubbelverkande ångmaskinen. Ånga kom in i cylindern växelvis från ena sidan av kolven, sedan från den andra. Därför gjorde kolven både ett fungerande och ett omvänt slag med hjälp av ånga, vilket inte fanns i tidigare maskiner. Eftersom kolvstången drog och tryckte in en dubbelverkande ångmaskin fick det gamla kedje- och vippdrivsystemet, som bara reagerade på drag, designas om. Watt utvecklade ett kopplat länksystem och använde en planetmekanism för att omvandla kolvstångens fram- och återgående rörelse till roterande rörelse, med hjälp av ett tungt svänghjul, en centrifugalhastighetsregulator, en skivventil och en tryckmätare för att mäta ångtrycket. Watts patenterade "roterande ångmaskin" användes först allmänt i spinnerier och väverier och senare i andra industriföretag. Watts motor var lämplig för vilken maskin som helst, och uppfinnarna av självgående mekanismer var inte sena att dra fördel av detta.

Watts ångmaskin var verkligen århundradets uppfinning och början på den industriella revolutionen. Men uppfinnaren stannade inte där. Grannar såg mer än en gång i förvåning när Watt jagade hästar genom ängen och drog särskilt utvalda vikter. Så här såg kraftenheten ut - Hästkraft, som senare fick allmänt erkännande.

Tyvärr tvingade ekonomiska svårigheter Watt, redan i vuxen ålder, att genomföra geodetiska undersökningar, arbeta med byggnation av kanaler, bygga hamnar och småbåtshamnar och slutligen gå till en ekonomiskt förslavande allians med entreprenören John Rebeck, som snart drabbades av en total ekonomisk kollaps.

Jag lever bara på kol och vatten och har fortfarande tillräckligt med energi för att gå 100 mph! Det är precis vad ett ånglok kan göra. Även om dessa gigantiska mekaniska dinosaurier nu är utdöda på de flesta av världens järnvägar, lever ångtekniken vidare i människors hjärtan, och lok som detta fungerar fortfarande som turistattraktioner på många historiska järnvägar.

De första moderna ångmaskinerna uppfanns i England i början av 1700-talet och markerade början på den industriella revolutionen.

Idag återgår vi till ångenergi igen. På grund av utformningen av förbränningsprocessen producerar ångmaskinen mindre föroreningar än motorn. inre förbränning... I det här videoinlägget kan du se hur det fungerar.

Vilken kraft hade den gamla ångmaskinen?

Det tar energi att göra allt du kan tänka dig: åka skateboard, flyga ett flygplan, gå till affärer eller köra nerför gatan. Merparten av den energi vi använder för transporter idag kommer från olja, men så var inte alltid fallet. Fram till början av 1900-talet var kol världens favoritbränsle, och det drev allt från tåg och fartyg till de olyckliga ångplan som uppfanns av den amerikanske vetenskapsmannen Samuel P. Langley, en tidig rival till bröderna Wright. Vad är så speciellt med kol? Det finns mycket av det inuti jorden, så det var relativt billigt och allmänt tillgängligt.

Kol är en organisk kemikalie, vilket betyder att det är baserat på grundämnet kol. Kol bildas under miljontals år när resterna av döda växter begravs under stenar, komprimeras under tryck och kokas under påverkan av jordens inre värme. Det är därför det kallas fossila bränslen. Kolklumpar är verkligen energiklumpar. Kolet inuti dem är bundet till väte- och syreatomer i föreningar som kallas kemiska bindningar. När vi eldar kol bryts bindningar och energi frigörs i form av värme.

Kol innehåller ungefär hälften av energin per kilo renare fossila bränslen som bensin, diesel och fotogen – och detta är en av anledningarna till att ångmaskiner måste brinna så mycket.

Är ångmaskinerna redo för en episk comeback?

En gång i tiden regerade ångmaskinen - först i tåg och tunga traktorer, som bekant, men i slutändan även i bilar. Det är svårt att förstå idag, men vid 1900-talets början drevs mer än hälften av bilarna i USA med ånga. Ångmaskinen var så förfinad att 1906 hade en ångmaskin kallad Stanley Rocket till och med rekord för hastigheten på jorden - en berusande hastighet på 127 miles per timme!

Nu kan man tro att ångmaskinen var en framgång bara för att förbränningsmotorer (ICE) inte existerade ännu, men i själva verket utvecklades ångmotorer och ICE-bilar samtidigt. Eftersom ingenjörerna redan hade 100 års erfarenhet av ångmaskiner fick ångmaskinen en ganska stor start. Medan manuella vevaxlar vred händerna på olyckliga operatörer, var ångmaskiner redan 1900 helt automatiserade - och utan koppling eller växellåda (ångan ger konstant tryck, i motsats till slaglängden på en förbränningsmotor), mycket lätt att använda. Den enda varningen är att du var tvungen att vänta några minuter för att pannan skulle värmas upp.

Men om några korta år kommer Henry Ford och förändra allt. Även om ångmaskinen var tekniskt överlägsen förbränningsmotorn, kunde den inte matcha priset på produktionsfordon. Ångbilstillverkare försökte växla växlar och marknadsföra sina bilar som premium, lyxprodukter, men 1918 var Ford Model T sex gånger billigare än Steanley Steamer (den mest populära ångmaskinen på den tiden). Med tillkomsten av den elektriska startmotorn 1912 och den ständiga ökningen av verkningsgraden hos förbränningsmotorn gick det väldigt kort tid innan ångmaskinen försvann från våra vägar.

Under press

Under de senaste 90 åren har ångmaskiner legat på randen till utrotning, och gigantiska bestar har rullat ut till veteranbilsmässor, men inte mycket. Tyst, men i bakgrunden, har forskningen i tysthet rört sig framåt - delvis på grund av vårt beroende av ångturbiner för att generera elektricitet, och även för att vissa människor tror att ångmotorer faktiskt kan överträffa förbränningsmotorer.

ICEs har inneboende nackdelar: de kräver fossila bränslen, de genererar mycket föroreningar och de är bullriga. Ångmaskiner, å andra sidan, är väldigt tysta, mycket rena och kan använda nästan vilket bränsle som helst. Ångmotorer, tack vare konstant tryck, kräver inte inkoppling - du får maximalt vridmoment och acceleration direkt, i vila. För stadskörning, där stopp och start förbrukar enorma mängder fossila bränslen, kan den kontinuerliga kraften hos ångmaskiner vara mycket intressant.

Tekniken har kommit långt sedan 1920-talet – i första hand är vi det nu materialmästare... De ursprungliga ångmaskinerna krävde enorma, tunga pannor för att stå emot värmen och trycket, och som ett resultat vägde även små ångmaskiner ett par ton. Med moderna material kan ångmaskiner vara lika lätta som sina kusiner. Släng in en modern kondensor och någon form av förångarpanna så kan du bygga en ångmaskin med hyfsad effektivitet och uppvärmningstider på sekunder, inte minuter.

Under de senaste åren har dessa framsteg kombinerats till några spännande utvecklingar. År 2009 satte det brittiska laget ett nytt ångdrivet vindhastighetsrekord på 148 mph, och slog slutligen Stanley-raketrekordet som hade stått i över 100 år. På 1990-talet sa Volkswagens FoU-avdelning, Enginion, att de hade byggt en ångmaskin som var lika effektiv som en förbränningsmotor, men med lägre utsläpp. De senaste åren hävdar Cyclone Technologies att man har utvecklat en ångmotor som är dubbelt så effektiv som en förbränningsmotor. Hittills har dock ingen motor hittat in i ett nyttofordon.

Framåt är det osannolikt att ångmotorer någonsin kommer att tappa en förbränningsmotor, om så bara på grund av Big Oils enorma fart. Men en dag när vi äntligen bestämmer oss för att ta en seriös titt på framtiden för personlig transport, kanske den tysta, gröna, glidande nåden av ångenergi kommer att få en andra chans.

Vår tids ångmaskiner

Teknologi.

Innovativ energi. NanoFlowcell® är för närvarande det mest innovativa och kraftfullaste energilagringssystemet för mobila och stationära applikationer. Till skillnad från konventionella batterier drivs nanoFlowcell® av flytande elektrolyter (bi-ION) som kan lagras borta från själva cellen. Avgaserna från en bil med denna teknik är vattenånga.

Liksom en konventionell flödescell lagras positivt och negativt laddade elektrolytvätskor separat i två tankar och pumpas, precis som en konventionell flödescell eller bränslecell, genom en omvandlare (riktig nanoFlowcell) i separata kretsar.

Här är de två elektrolytkretsarna åtskilda endast av ett permeabelt membran. Jonbyte sker så snart lösningar av positiva och negativa elektrolyter passerar med varandra på båda sidor av omvandlarmembranet. Detta omvandlar den kemiska energin bunden till bijon till elektricitet, som sedan är direkt tillgänglig för elkonsumenter.

Liksom vätgasfordon är "avgaserna" som produceras av nanoFlowcell EVs vattenånga. Men är utsläppen av vattenånga från framtida elfordon miljövänliga?

Kritiker av e-mobilitet ifrågasätter alltmer miljökompatibiliteten och hållbarheten hos alternativa energikällor. För många är elbilar en medioker kompromiss mellan nollutsläppskörning och grön teknik. Konventionella litiumjon- eller metallhydridbatterier är varken hållbara eller miljökompatibla – inte i produktion, användning eller återvinning, även om reklam antyder ren "e-mobilitet".

nanoFlowcell Holdings får också ofta frågor om hållbarheten och miljökompatibiliteten hos nanoFlowcell-teknologin och bijoniska elektrolyter. Både själva nanoFlowcellen och bi-ION-elektrolytlösningarna som krävs för att driva den är framställda på ett miljövänligt sätt av miljövänliga råvaror. Under drift är nanoFlowcell-tekniken helt giftfri och skadar inte hälsan på något sätt. Bi-ION, som består av en lätt saltlösning (organiska och mineraliska salter lösta i vatten) och faktiska energibärare (elektrolyter), är också säker för miljön när den används och återvinns.

Hur fungerar nanoFlowcell-drivningen i ett elfordon? I likhet med en bensinbil förbrukas elektrolytlösning i ett elfordon med nanoflödescell. Inuti nanokranen (faktisk flödescell) pumpas en positivt och en negativt laddad elektrolytlösning genom cellmembranet. Reaktionen - jonbyte - sker mellan positivt och negativt laddade elektrolytlösningar. Således frigörs den kemiska energin som finns i bijoner som elektricitet, som sedan används för att driva elmotorer. Detta händer så länge elektrolyter pumpas genom membranet och reagerar. I fallet med QUANTiNO nanoflowcell-drivningen räcker en elektrolyttank för över 1000 kilometer. Efter tömning måste tanken fyllas på.

Vilket "avfall" genereras av ett elfordon med nanoflowcell? I ett konventionellt fordon med förbränningsmotor producerar förbränning av fossila bränslen (bensin eller diesel) farliga avgaser – främst koldioxid, kväveoxider och svaveldioxid – som av många forskare har identifierats som en orsak till klimatförändringarna. förändra. Men de enda utsläppen från ett nanoFlowcell-fordon under körning består - nästan som ett vätgasfordon - nästan helt av vatten.

Efter att jonbytet ägt rum i nanocellen förblev den kemiska sammansättningen av bi-ION elektrolytlösningen praktiskt taget oförändrad. Det är inte längre reaktivt och anses därför vara "förbrukat" eftersom det inte kan laddas om. Därför, för mobila applikationer av nanoFlowcell-teknologi, såsom elfordon, togs beslutet att mikroskopiskt avdunsta och frigöra löst elektrolyt medan fordonet är i rörelse. Över 80 km/h töms den elektrolytiska avfallsbehållaren genom extremt fina sprutmunstycken med hjälp av en generator som drivs av drivenergi. Elektrolyter och salter filtreras mekaniskt i förväg. Utsläpp av för närvarande renat vatten i form av kallvattenånga (mikrofin dimma) är helt miljövänligt. Filtret ändras med ca 10 g.

Fördelen med denna tekniska lösning är att fordonstanken töms vid normal körning och kan enkelt och snabbt fyllas på utan att behöva pumpas ut.

En alternativ lösning, som är något mer komplex, är att samla den förbrukade elektrolytlösningen i en separat tank och skicka den till återvinning. Denna lösning är designad för sådana stationära nanoFlowcell-applikationer.

Men många kritiker menar nu att den typ av vattenånga, som frigörs vid omvandlingen av väte i bränsleceller eller som ett resultat av avdunstning av elektrolytisk vätska vid nano-avlägsnande, teoretiskt sett är en växthusgas som skulle kunna ha påverkan på klimatförändringarna. Hur uppstår dessa rykten?

Vi tittar på utsläpp av vattenånga i termer av deras miljöbetydelse och frågar hur mycket mer vattenånga som kan förväntas vid utbredd användning. Fordon med nanoflowcell kontra traditionell drivteknik och om dessa H 2 O-utsläpp kan ha en negativ inverkan på miljön.

De viktigaste naturliga växthusgaserna - tillsammans med CH 4, O 3 och N 2 O - är vattenånga och CO 2. Koldioxid och vattenånga är otroligt viktiga för att upprätthålla det globala klimatet. Solstrålningen som når jorden absorberas och värmer jorden, som i sin tur strålar ut värme i atmosfären. Men det mesta av denna utstrålade värme förs tillbaka till rymden från jordens atmosfär. Koldioxid och vattenånga har egenskaperna hos växthusgaser och bildar ett "skyddande lager" som hindrar all utstrålad värme från att fly tillbaka ut i rymden. I ett naturligt sammanhang är denna växthuseffekt avgörande för vår överlevnad på jorden – utan koldioxid och vattenånga skulle jordens atmosfär vara livsfientlig.

Växthuseffekten blir problematisk först när oförutsägbara mänskliga ingrepp stör det naturliga kretsloppet. När människan förutom naturliga växthusgaser orsakar högre koncentrationer av växthusgaser i atmosfären genom att förbränna fossila bränslen ökar det uppvärmningen av jordens atmosfär.

Som en del av biosfären påverkar människor oundvikligen miljön och därmed klimatsystemet genom sin existens. Den ständiga tillväxten av jordens befolkning efter stenåldern och skapandet av bosättningar för flera tusen år sedan, i samband med övergången från nomadliv till jordbruk och boskapsuppfödning, har redan påverkat klimatet. Nästan hälften av världens ursprungliga skogar och skogar har röjts för jordbruksändamål. Skogar är - tillsammans med haven - en stor producent av vattenånga.

Vattenånga är den huvudsakliga absorbatorn av termisk strålning i atmosfären. Vattenånga är i genomsnitt 0,3% av atmosfärens massa, koldioxid - endast 0,038%, vilket innebär att vattenånga står för 80% av massan av växthusgaser i atmosfären (cirka 90% i volym) och med hänsyn till 36 till 66% Är den viktigaste växthusgasen för vår existens på jorden.

Tabell 3: Atmosfärens andel av de viktigaste växthusgaserna, samt absolut och relativ andel av temperaturökningen (Zittel)

ÅNGROTERANDE MOTOR och ÅNGAXIALKOLVMOTOR

Den roterande ångmaskinen (roterande ångmaskinen) är en unik kraftmaskin, vars utveckling ännu inte har fått ordentlig utveckling.

Å ena sidan fanns olika konstruktioner av rotationsmotorer under den sista tredjedelen av 1800-talet och fungerade till och med bra, bland annat för att driva dynamomaskiner för att generera elektrisk energi och leverera ström till eventuella föremål. Men kvaliteten och noggrannheten vid tillverkningen av sådana ångmaskiner (ångmotorer) var mycket primitiv, så de hade låg effektivitet och låg effekt. Sedan dess har små ångmaskiner blivit ett minne blott, men tillsammans med riktigt ineffektiva och föga lovande kolvångmaskiner har även roterande ångmaskiner, som har goda utsikter, gått in i det förflutna.

Den främsta anledningen är att det på tekniknivå i slutet av 1800-talet inte gick att göra en riktigt högkvalitativ, kraftfull och hållbar rotationsmotor.
Av alla olika ångmaskiner och ångmaskiner har därför endast ångturbiner med enorm effekt (från 20 MW och uppåt) överlevt säkert och aktivt fram till vår tid, som idag står för cirka 75 % av elproduktionen i vårt land. Högeffektsångturbiner ger också kraft från kärnreaktorer i missilbärande stridsubåtar och på stora arktiska isbrytare. Men det här är alla enorma maskiner. Ångturbiner förlorar snabbt all sin effektivitet när deras storlek minskar.

…. Det är därför det inte finns några kraftdrivna ångmaskiner och ångmaskiner med effekt under 2000 - 1500 kW (2 - 1,5 MW), som effektivt skulle kunna arbeta på ånga som erhålls från förbränning av billigt fast bränsle och olika fritt brännbart avfall, nu i världen .
Det är i detta nu tomma teknikområde (och absolut nakna, men mycket i behov av ett produkterbjudande i en kommersiell nisch), i denna marknadsnisch av lågeffektsmaskiner, kan och bör ångroterande motorer ta sin mycket värdiga plats . Och behovet av dem bara i vårt land - tiotals och tiotusentals ... Särskilt sådana små och medelstora kraftmaskiner för autonom kraftgenerering och oberoende kraftförsörjning behövs av små och medelstora företag i områden som är avlägsna från stora städer och stora kraftverk: - vid små sågverk, avlägsna gruvor, i fältläger och skogstomter m.m.
…..

..
Låt oss titta på indikatorerna som gör roterande ångmotorer bättre än sina närmaste kusiner - ångmotorer i form av fram- och återgående ångmotorer och ångturbiner.
… — 1) Roterande motorer är maskiner med positiv deplacementeffekt - precis som kolvmotorer. De där. de har en liten ångförbrukning per effektenhet, eftersom ånga tillförs deras arbetskaviteter då och då, och i strikt uppmätta portioner, och inte i ett konstant rikligt flöde, som i ångturbiner. Det är därför roterande ångmotorer är mycket mer ekonomiska än ångturbiner per enhet effekt.
— 2) Roterande ångmotorer har en arm för applicering av de verkande gaskrafterna (arm of vridmoment) betydligt (flera gånger) mer än kolvångmotorer. Därför är kraften de utvecklar mycket högre än den hos ångkolvmotorer.
— 3) Roterande ångmaskiner har mycket större slaglängd än kolvångmaskiner, d.v.s. har förmågan att omvandla det mesta av ångans inre energi till användbart arbete.
— 4) Roterande ångmotorer kan effektivt arbeta på mättad (våt) ånga, utan svårighet att tillåta kondensering av en betydande del av ångan med dess övergång till vatten direkt i arbetssektionerna av ångmotorn. Detta ökar också effektiviteten hos ångkraftverket som använder en roterande ångmotor.
— 5 ) Roterande ångmaskiner arbetar med hastigheter på 2-3 tusen rpm, vilket är det optimala varvtalet för att generera elektricitet, till skillnad från kolvmotorer med för låg hastighet (200-600 rpm) av traditionella ångmaskiner av ånglokstyp, eller fr.o.m. för höghastighetsturbiner (10-20 tusen rpm).

Samtidigt är roterande ångmaskiner tekniskt sett relativt enkla att tillverka, vilket gör deras tillverkningskostnader relativt låga. Till skillnad från ångturbiner som är extremt dyra att tillverka.

SÅ, KORT SAMMANFATTNING AV DENNA ARTIKEL – En roterande ångmaskin är en högeffektiv ångkraftmaskin för att omvandla ångtrycket från värmen från förbränning av fast bränsle och brännbart avfall till mekanisk kraft och elektrisk energi.

Författaren till denna webbplats har redan fått mer än 5 patent för uppfinningar på olika aspekter av designen av roterande ångmotorer. Och producerade även ett antal små roterande motorer med effekt från 3 till 7 kW. Nu pågår designen av roterande ångmaskiner med effekt från 100 till 200 kW.
Men roterande motorer har en "generisk nackdel" - ett komplext system av tätningar, som för små motorer visar sig vara för komplext, miniatyr och dyrt att tillverka.

Samtidigt utvecklar webbplatsens författare ångaxialkolvmotorer med motsatt - motrörelse av kolvar. Detta arrangemang är det mest energieffektiva vad gäller effektvariation av alla möjliga system för att använda ett kolvsystem.
Dessa motorer i små storlekar är något billigare och enklare än roterande motorer och de mest traditionella och enklaste tätningarna används i dem.

Nedan är en video av användningen av en liten motsatt axial kolvboxermotor.

För närvarande tillverkas en sådan 30 kW axialkolvboxermotor. Motorns resurs förväntas vara flera hundra tusen drifttimmar eftersom ångmaskinens varv är 3-4 gånger lägre än förbränningsmotorns varv, i friktionsparet "kolv-cylinder" - utsatt för jon- plasmanitrering i vakuummiljö och hårdheten på friktionsytorna är 62-64 enheter per HRC. För detaljer om processen för ythärdning genom nitrering, se.

Här är en animering av funktionsprincipen för en sådan axialkolvsboxermotor med en motrörelse av kolvar, liknande layout.