Інтерес до водяної пари, як доступного джерела енергії, з'явився разом із першими науковими знаннями стародавніх. Приручити цю енергію люди намагалися упродовж трьох тисячоліть. Які є основні етапи цього шляху? Чиї роздуми та проекти навчили людство отримувати з нього максимальну користь?

Передумови появи парових двигунів

Потреба механізмах, здатних полегшити трудомісткі процеси, існувала завжди. Приблизно до середини XVIII століття для цієї мети використовувалися вітряки та водяні колеса. Можливість використання енергії вітру безпосередньо залежить від примх погоди. А для використання водяних коліс фабрики доводилося будувати на берегах річок, що не завжди зручно і доцільно. Та й ефективність тих та інших була надзвичайно мала. Потрібен був принципово новий двигун,легко керований та позбавлений цих недоліків.

Історія винаходу та вдосконалення парових двигунів

Створення парового двигуна - результат довгих роздумів, успіхів і катастроф надій безлічі вчених.

Початок шляху

Перші, поодинокі проекти були лише цікавими дивовижками. Наприклад, Архімедсконструював парову гармату, Герон Олександрійськийвикористовував енергію пари для відкриття дверей античних храмів. А замітки про практичне застосування енергії пари для приведення в дію інших механізмів дослідники знаходять у працях Леонардо Да Вінчі.

Розглянемо найбільші проекти з цієї тематики.

У XVI столітті арабський інженер Таґі аль Дін розробив проект примітивної парової турбіни. Однак практичного застосування вона не отримала через сильне розсіювання струменя пари, що подається на лопаті колеса турбіни.

Перенесемося до середньовічної Франції. Фізик та талановитий винахідник Дені Папен після багатьох невдалих проектів зупиняються на наступній конструкції: вертикальний циліндр заповнювали водою, над якою встановлювали поршень.

Циліндр нагрівали, вода закипала та випаровувалась. Пара, що розширюється, піднімала поршень. Його закріплювали у верхній точці підйому і очікували остигання циліндра та конденсації пари. Після конденсації пари в циліндрі утворювався вакуум. Звільнений від кріплення поршень під впливом атмосферного тиску спрямовувався у вакуум. Саме це падіння поршня передбачалося використати як робочий хід.

Отже, корисний хід поршня був викликаний утворенням вакууму через конденсацію пари та зовнішнім (атмосферним) тиском.

Тому паровий двигунБатьківщинаяк і більшість наступних проектів, отримали назву пароатмосферних машин.

Ця конструкція мала дуже істотний недолік - була передбачена повторюваність циклу.Дені приходить до ідеї отримувати пару не в циліндрі, а окремо в паровому казані.

В історію створення парових двигунів Дені Папен увійшов як винахідник дуже важливої ​​деталі – парового котла.

А оскільки пара стали одержувати поза циліндром, сам двигун перейшов у розряд двигунів зовнішнього згоряння. Але через відсутність розподільчого механізму, який би безперебійну роботу, ці проекти майже знайшли практичного застосування.

Новий етап у розробці парових двигунів

Близько 50 років для відкачування води у вугільних шахтах використовувалися паровий насос Томаса Ньюкомена.Він багато в чому повторював попередні конструкції, але містив дуже важливі новинки – трубу для виведення сконденсованої пари та запобіжний клапан для випуску зайвої пари.

Його істотним мінусом було те, що циліндр доводилося нагрівати перед упорскуванням пари, то охолоджувати перед його конденсацією. Але потреба в таких двигунах була настільки високою, що, незважаючи на їхню очевидну неекономічність, останні екземпляри цих машин прослужили аж до 1930 року.

У 1765 році англійський механік Джеймс Уатт,зайнявшись удосконаленням машини Ньюкомена, відокремив конденсатор від парового циліндра.

З'явилася можливість тримати циліндр постійно нагрітим. ККД машини одразу виріс. У наступні роки Уатт значно удосконалить свою модель, оснастивши її пристроєм для подачі пари то з одного, то з іншого боку.

Стало можливим використовувати цю машину не тільки як насос, а й для приведення в дію різних верстатів. Уатт отримав патент на свій винахід – паровий двигун безперервної дії. Починається масовий випуск цих машин.

На початку ХІХ століття Англії працювало понад 320 парових машин Уатта. Їх почали закуповувати та інші європейські країни. Це сприяло значному зростанню промислового виробництва у багатьох галузях як самої Англії, і сусідніх держав.

Двадцятьма роками раніше Уатта, у Росії над проектом паровий машинипрацював алтайський механік Іван Іванович Повзунов.

Заводське начальство запропонувало йому побудувати агрегат, який приводив би в дію повітродувку плавильної печі.

Побудована ним машина була двоциліндровою та забезпечувала безперервну дію приєднаного до неї пристрою.

Успішно пропрацювавши понад півтора місяці, котел дав текти. Самого Ползунова до цього часу вже не було живим. Ремонтувати машину не стали. І чудове творіння російського винахідника-одинака було забуте.

Через відсталість Росії того часу світ дізнався про винахід І. І. Ползунова з великим запізненням.

Отже, для приведення в дію парової машини необхідно, щоб пара, що виробляється паровим котлом, розширюючись, тиснув на поршень або лопаті турбіни. А потім їхній рух передавався іншим механічним частинам.

Застосування парових машин на транспорті

Незважаючи на те, що ККД парових двигунів на той час не перевищував 5%, до кінця XVIII століття їх почали активно використовувати в сільському господарстві та на транспорті:

• у Франції з'являється автомобіль із паровим двигуном;
• у США починає курсувати пароплав між містами Філадельфія та Берлінгтон;
• в Англії продемонстровано залізничний локомотив на паровій тязі;
• російський селянин із Саратовської губернії запатентував збудований ним гусеничний трактор потужністю 20 л. с.;
• неодноразово робилися спроби побудувати літак із паровим двигуном, але, на жаль, мала потужність цих агрегатів при великій вазі літака робила ці спроби невдалими.

Вже до кінця XIX століття парові двигуни, зігравши свою роль у технічному прогресі суспільства, поступаються місцем і електродвигунам.

Парові пристрої у XXI столітті

З появою нових джерел енергії у XX та XXI столітті знову з'являється потреба у використанні енергії пари. Парові турбіни стають невід'ємною частиною АЕС.Пар, що приводить їх у дію, отримують рахунок ядерного палива.

Широко використовуються ці турбіни на конденсаційних теплових електростанціях.

У ряді країн проводяться експерименти щодо отримання пари за рахунок сонячної енергії.

Не забуто і поршневі парові двигуни. У гірських місцевостях як локомотив досі використовують паровози.

Ці надійні трудівники і безпечніші, і дешевші. Лінії електропередач їм не потрібні, а паливо – деревина та дешеві сорти вугілля завжди під рукою.

Сучасні технології дозволяють вловлювати до 95% викидів в атмосферу і підвищити ККД до 21%, так що люди вирішили поки що з ними не розлучатися і працюють над паровими локомотивами нового покоління.

Якщо це повідомлення тобі у пригоді, буду рада бачити тебе

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 32листів. 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. Ця наукова робота може служити наочним прикладомроботи 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 опинилося на її шляху. Це змусило людину замислитися над тим, як можна використовувати як робоче тіло пар. І уявіть собі заводи з димними трубами, 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.

Ця наукова робота служить посібником під час уроків фізики для старших класів та тих, кого цікавить дана 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 процесу значної кількості енергії. Він може використовуватися в різноманітних системах, що 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 - німецький вчений і художник Альбрехт Дюрер розробив цікавий проект «безкідного візка», що приводиться в дію м'язовою силою людей. Люди, що йдуть збоку екіпажу, крутили спеціальні рукоятки. 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 істотних удосконалень. По-перше, ненадійні та надто м'які ремені, що заколисували пасажирів під час поїздки, були замінені сталевими ресорами. По-друге, було вдосконалено кінну упряж. Тепер кінь тягнув карету не шиєю, а грудьми.

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

1680 р. - 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 р. - російський механік-самоук 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 триколісну самохідну коляску, що вміщала двох пасажирів. Привід провадився за 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 кріпак 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 - у Парижі проводилися випробування вітрильного 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 пар змушує рухатися поршні, розташовані в циліндрах. Таким чином створюється зворотно-поступальний рух. Приєднаний механізм зазвичай перетворює його на обертальний рух. У паровозах (локомотивах) застосовуються 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 родом насоса, за допомогою якого відкачували воду, що заливає шахти. Його винайшов у 1689 р. Томас Сейвері. У цій машині, дуже 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. Незабаром їх стали використовувати на заводах 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 дивним 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 в пару, який рухає поршень. Тепер вченим належить відкрити, в яких галузях цей пристрій може знайти практичне застосування.

Процес винаходу парового двигуна, як це часто буває в техніці, розтягнувся майже на століття, тому вибір дати для цієї події є досить умовним. Втім, ніким не заперечується, що прорив, що спричинив технологічну революцію, був здійснений шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над використанням пари в якості робочого тіла люди замислювалися ще в давнину. Однак лише на рубежі XVII-XVIII ст. вдалося знайти спосіб робити корисну роботу за допомогою пари. Одна з перших спроб поставити пару на службу людині була зроблена в Англії в 1698: машина винахідника Сейвері призначалася для осушення шахт і перекачування води. Щоправда, винахід Сейвері ще був двигуном у сенсі цього терміну, оскільки, крім кількох клапанів, відкривалися і закривалися вручну, у ньому був рухливих частин. Машина Сейвері працювала так: спочатку герметичний резервуар наповнювався парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, через що пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. Після цього вода – наприклад, з дна шахти – засмоктувалась у резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пари викидалася назовні.

Перша парова машина з поршнем була побудована французом Дені Папеном в 1698 р. Вода нагрівалася всередині вертикального циліндра з поршнем, і пара, що утворилася, штовхала поршень вгору. Коли пара охолоджувалась і конденсувалася, поршень опускався вниз під дією атмосферного тиску. За допомогою системи блоків парова машина Папена могла приводити в дію різні механізми, наприклад, насоси.

Більш досконалу машину 1712 р. побудував англійський коваль Томас Ньюкомен. Як і машині Папена, поршень переміщався у вертикальному циліндрі. Пара з котла надходила в основу циліндра і піднімала поршень вгору. При впорскуванні в циліндр холодної води пара конденсувалася, в циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаного з коромислом, що рухався як гойдалка, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, в циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку насоса або на коромислі, поршень піднімався у вихідне положення. Після цього цикл повторювався.

Машина Ньюкомена широко використовувалася у Європі понад 50 років. У 1740-х роках машина з циліндром довжиною 2,74 м та діаметром 76 см за один день виконувала роботу, яку бригада з 25 осіб та 10 коней, працюючи позмінно, виконувала за тиждень. І все-таки її ККД був надзвичайно низький.

Найбільш яскраво промислова революція виявилася в Англії, насамперед у текстильній промисловості. Невідповідність пропозиції тканин і попиту, що стрімко зростає, залучило кращі конструкторські уми до розробки прядильних і ткацьких машин. До історії англійської техніки назавжди увійшли імена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгрівса. Але створені ними прядильні та ткацькі верстати потребували якісно нового, універсального двигуна, який би безперервно і рівномірно (саме цього не могло забезпечити водяне колесо) приводив верстати в односпрямований обертальний рух. Ось тут у всьому своєму блиску з'явився талант знаменитого інженера, «чарівника з Грінока» Джеймса Уатта.

Уатт народився у шотландському містечку Гринок у сім'ї кораблебудівника. Працюючи учнем у майстернях у Глазго, за перші два роки Джеймс набув кваліфікації гравірувальника, майстра з виготовлення математичних, геодезичних, оптичних приладів, різноманітних навігаційних інструментів. За порадою дядька-професора Джеймс вступив до місцевого університету на посаду механіка. Саме тут Уатт почав працювати над паровими машинами.

Джеймс Уатт намагався вдосконалити пароатмосферну машину Ньюкомена, яка, загалом, годилася тільки для перекачування води. Йому було ясно, що основний недолік машини Ньюкомена полягав у поперемінному нагріванні та охолодженні циліндра. У 1765 р. Уатт прийшов до думки, що циліндр може залишатися гарячим, якщо до конденсації відводити пар в окремий резервуар через трубопровід з клапаном. Крім того, Уатт зробив ще кілька удосконалень, що остаточно перетворили пароатмосферну машину на парову. Наприклад, він винайшов шарнірний механізм – «паралелограм Уатта» (називається так тому, що частина ланок – важелів, що входять до його складу, утворює паралелограм), який перетворював зворотно-поступальний рух поршня у обертальний рух головного валу. Тепер ткацькі верстати могли працювати безперервно.

У 1776 р. машина Уатта пройшла випробування. Її ККД виявився вдвічі більшим, ніж у машини Ньюкомена. У 1782 р. Уатт створив першу універсальну парову машину подвійної дії. Пара надходила в циліндр по черзі то з одного боку поршня, то з іншого. Тому поршень робив і робітник, і зворотний хід за допомогою пари, чого не було в колишніх машинах. Оскільки в паровій машині подвійної дії шток поршня здійснював тягнучу і штовхаючу дію, колишню приводну систему з ланцюгів та коромисла, яка реагувала тільки на тягу, довелося переробити. Уатт розробив систему зв'язаних тяг і застосував планетарний механізм для перетворення зворотно-поступального руху штока поршня у обертальний рух, використовував важкий маховик, відцентровий регулятор швидкості, дисковий клапан та манометр для вимірювання тиску пари. Запатентована Уаттом «ротативна парова машина» спочатку широко застосовувалася на прядильних і ткацьких фабриках, і потім інших промислових підприємствах. Двигун Уатта годився для будь-якої машини, і цим не забарилися скористатися винахідники механізмів.

Парова машина Уатта воістину стала винаходом століття, що започаткувало промислову революцію. Але винахідник у цьому не обмежився. Сусіди неодноразово з подивом спостерігали за тим, як Уатт ганяє по лузі коней, що тягнуть спеціально підібрані тяжкості. Так з'явилася одиниця потужності. кінська сила, Що отримала згодом загальне визнання

На жаль, фінансові труднощі змусили Уатта вже в зрілому віці проводити геодезичні пошуки, працювати на будівництві каналів, споруджувати порти і пристані, піти нарешті на економічно кабальний союз із підприємцем Джоном Ребеком, який незабаром зазнав повного фінансового краху.

Я живу тільки на вугіллі та воді і все ще 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 можете подумати: кататися на скейтборді, літати на літаку, ходити в магазини або водити машину по вулиці. 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 1906 року 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. У той час як ручні колінчасті двигуни ламали 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 ДВЗ), дуже легким в управлінні. Єдине 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 ДВЗ, 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 дешевшим, ніж Steanley Steamer (найпопулярніша парова машина в 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 автомобілів, але 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 можуть перевершувати двигуни внутрішнього згоряння.

ДВЗ мають внутрішні недоліки: їм потрібне 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 викопного палива, безперервна потужність парових двигунів може бути дуже цікавою.

Технології пройшли довгий шлях і 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, яке вимірюється секундами, а не хвилинами.

В останні роки ці досягнення об'єдналися у деякі захоплюючі події. У 2009 році британська команда встановила новий рекорд швидкості вітру на паровій тязі в 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 був порівнянний за ефективністю з ДВЗ, 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 коли-небудь сядуть із двигуна внутрішнього згоряння, хоча б через величезний імпульс Big Oil. Однак одного разу, коли ми нарешті вирішимо серйозно подивитись на майбутнє особистого транспорту, можливо, тиха, зелена, ковзна грація енергії пари 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 все 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 бі-іонних електролітів. І сам nanoFlowcell, і розчини електролітів bi-ION, необхідні для його живлення, виробляються екологічно безпечним способом 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, яке потім використовується для електродвигунів. Це відбувається доти, поки електроліти прокачуються через мембрану та реагують. У випадку приводу QUANTiNO з нанофлоуцеллом одного резервуару 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 стався 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 випорожнюється через надзвичайно дрібні розпилювальні форсунки з використанням генератора, що рухається 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 елементах або 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 очікується в результаті широкого використання. транспортних засобівз нанофлоуцелл у порівнянні з традиційними технологіями приводу і чи ці викиди H 2 O можуть мати негативний вплив на навколишнє середовище.

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. Однак більша частина 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 у 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 додачу 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 навколишнє середовище 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 із океанами – головний виробник водяної пари.

Водяна пара є основним поглиначем теплового випромінювання в атмосфері. Водяна пара складає 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)

ПАРОВИЙ РОТОРНИЙ ДВИГУН і ПАРОВИЙ АКСІАЛЬНО-ПОРШНЕВИЙ ДВИГУН

Паровий роторний двигун (парова машина роторного типу) є унікальною силовою машиною, розвиток виробництва якої досі не отримав належного розвитку.

З одного боку-різноманітні конструкції роторних двигунів існували ще в останній третині 19-го століття і навіть непогано працювали, в тому числі і для приводу динамо-машин з метою вироблення електричної енергії та електропостачання будь-яких об'єктів. Але якість і точність виготовлення таких парових двигунів (парових машин) було дуже примітивним, тому мали малий ККД і невисоку потужність. З тих пір малі парові машини пішли в минуле, але разом із дійсно малоефективними та безперспективними поршневими паровими машинами в минуле пішли і парові роторні двигуни, що мають гарну перспективу.

Головна причина - на рівні технологій кінця 19-го століття зробити справді якісний, потужний і довговічний роторний двигун неможливо.
Тому з усього різноманіття парових двигунів та парових машин до нашого часу благополучно та активно дожили лише парові турбіни величезної потужності (від 20 мВт і вище), на яких сьогодні здійснюється близько 75% вироблення електроенергії у нашій країні. Ще парові турбіни великої потужності дають енергію від атомних реакторів у бойових підводних човнах-ракетоносцях та на великих арктичних криголамах. Але це все величезні машини. Парові турбіни різко втрачають всю свою ефективність при зменшенні їх розмірів.

…. Саме тому силових парових машин і парових двигунів потужності нижче 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), які ефективно працювали б на парі, одержуваній від спалювання дешевого твердого палива та різних безкоштовних горючих відходів, зараз у світі немає.
Ось у цій порожній сьогодні області техніки (і абсолютно голій, але дуже потребує товарної пропозиції комерційної ніші), в цій ринковій ніші силових машин невеликої потужності, можуть і повинні зайняти своє дуже гідне місце парові роторні двигуни. І потреба в них тільки в нашій країні — на десятки і десятки тисяч... Особливо такі малі та середні за потужністю силові машини для автономної електрогенерації та незалежного електропостачання потребують малі та середні підприємства у віддалених від великих міст та великих електростанцій місцевостях: — на малих тартаках, віддалених копальнях, на польових станах і лісових ділянках, та ін.
…..

..
Давайте розглянемо показники, через які парові роторні двигуни виявляються кращими, ніж їхні найближчі родичі – парові машини в образі поршневих парових двигунів та парових турбін.
… — 1) Роторні двигуни є силовими машинами об'ємного розширення як поршневі двигуни. Тобто. вони мають невелике споживання пари на одиницю потужності, тому що пара подається в їх робочі порожнини іноді, і строго дозованими порціями, а не постійним рясним потоком, як у парових турбінах. Саме тому парові роторні двигуни набагато економічніші за парові турбіни на одиницю потужності, що видається.
— 2) Роторні парові двигуни мають плече застосування діючих газових сил (плечо моменту, що крутить) значно (в рази) більше, ніж поршневі парові двигуни. Тому потужність, що розвивається ними, набагато вища, ніж у парових поршневих машин.
— 3) Парові роторні двигуни мають більший робочий хід, ніж поршневі парові двигуни, тобто. мають можливість переводити більшу частину внутрішньої енергії пари на корисну роботу.
— 4) Парові роторні двигуни можуть ефективно працювати на насиченому (вологому) парі, легко допускати конденсацію значної частини пари з переходом її у воду прямо в робочих секціях парового роторного двигуна. Це також підвищує ККД роботи паросилової установки з використанням парового роторного двигуна.
— 5 ) Парові роторні двигуни працюють на оборотах в 2-3 тис. оборотів в хвилину, що є оптимальною частотою обертання для вироблення електрики, на відміну від тихохідних поршневих двигунів (200-600 оборотів в хвилину) традиційних парових машин паровозного типу, або від занадто швидкохідних турбін (10-20 тис. оборотів за хвилину).

При цьому технологічно парові роторні двигуни відносно прості у виготовленні, що робить витрати на їхнє виготовлення відносно невисокими. На відміну від вкрай дорогих у виробництві парових турбін.

ОТЖЕ, КОРОТКИЙ ПІДСУМОК ЦЕЙ СТАТТІ — паровий роторний двигун є дуже ефективною паровою силовою машиною для перетворення тиску пари від тепла твердого палива, що згорає, і горючих відходів в механічну потужність і в електричну енергію.

Автором цього сайту вже отримано більше 5 патентів на винаходи з різних аспектів конструкцій парових роторних двигунів. А також вироблено кілька невеликих роторних двигунів потужністю від 3 до 7 кВт. Наразі триває проектування парових роторних двигунів потужністю від 100 до 200 кВт.
Але роторні двигуни мають «родовий недолік» — складну систему ущільнень, які для маленьких за розмірами двигунів виявляються дуже складними, мініатюрними і дорогими у виготовленні.

При цьому автором сайту ведеться розробка парових аксіально-поршневих двигунів з опозитним - зустрічним рухом поршнів. Дане компонування є найбільш енерго - продуктивною за потужністю варіацією зі всіх можливих схем застосування поршневої системи.
Дані двигуни в малих розмірах виходять дещо дешевшими і простішими за роторні мотори і ущільнення в них використовуються найтрадиційніші і найпростіші.

Внизу розміщено відео використання маленького аксіально-поршневого опозитного двигуна із зустрічним рухом поршнів.

В даний час відбувається виготовлення такого аксіально-поршневого опозитного двигуна на 30 кВт. Ресурс двигуна очікується в кілька сотень тисяч мотогодин бо обороти парового двигуна в 3-4 рази нижче оборотів двигуна внутрішнього згоряння, в пара тертя «поршень-циліндр» - піддана іонно-плазмовому азотуванню у вакуумному середовищі і твердість поверхонь тертя становить 62-64 од. HRC. Детально про процес зміцнення поверхні методом азотування дивись.

Ось анімація принципу роботи схожого з компонування такого аксіально-поршневого оппозитного двигуна із зустрічним рухом поршнів