Как найти кпд паровой машины

Первые паровые двигатели не отличались универсальностью и эффективностью. Несовершенство конструкции приводило к высоким затратам на горючее при низком коэффициенте полезного действия.

В статье дан подробный разбор, что такое КПД паровых машин, от чего зависит этот параметр и как он рассчитывается. Дополнительно приведено сравнение КПД двигателей внешнего и внутреннего сгорания и примеры решения задач по расчетам КПД.

Каков средний коэффициент полезного действия?

КПД паровой машины зависит от степени выброса отработанного пара и конструктивных особенностей самой машины. В разные годы средняя характеристика машин постоянно увеличивалась:

1. Первые паровые машины Папена, Савери, Ньюкомена имели КПД 0,5-1%.

   У них была простая конструкция, которая не предусматривала конденсацию отработанного пара в отдельный котел.

2. Универсальная машина Уатта работала с КПД 8-25%. Она оснащалась 2 поршнями, золотниковым клапаном и конденсатором.
3. Тепловые электростанции с системой множественного расширения, конденсации, отсечкой работают с КПД 30-40%.
4. Современные парогазовые турбины работают с максимальным коэффициентом до 60 — 90%.

Стоит учесть, что рассматриваемая характеристика также зависит от общих габаритов устройства, в качестве привода какого устройства используются машины, и сколько процентов пара выводится в атмосферу.

Например, КПД тепловых станций, паровозов и пароходов увеличивается до 70-90 % в зимнее время, так как отработанный пар переводится в систему обогрева.

Каков КПД идеальной конструкции?

Идеальной паровой машиной считается двигатель, в котором температура подаваемого котлом пара, равна температуре используемого. При этом температура рабочего пара не должна снижаться за счет разницы с температурой внешней среды.

КПД идеальной паровой машины не может быть выше 50%. Данная характеристика рассчитывается по принципу Карно и его идеальной машины.

Также характеристика учитывает только работу с выпускаемым в атмосферу избытком отработанного пара. Если отработанный пар перенаправляется на работу иных механизмов или отопления, КПД повышается на 10-15%.

Почему устройства обладают невысоким параметром?

Причина кроется в технических особенностях каждого устройства и зависимости температуры пара в конденсаторе от внешней температуры среды. Разность температур называют температурным напором.

Для снижения зависимости применяется система из нескольких конденсаторов. Величина КПД зависит также от цикличности использования пара. Чем количество циклов больше, тем выше коэффициент полезной работы.

Какие способы используют для увеличения?

На величину КПД паровой машины влияют многие факторы. К ним можно отнести:

1. Производительность котла. Высокая производительность обеспечивает бесперебойное поступление пара без скачков температуры.
2. Компрессия цилиндров. Высокая компрессия позволяет использовать весь объем и давление впускного пара для смещения поршня.
3. Количество расширений. Множественное расширение (несколько цилиндров с увеличенным объемом) позволяют использовать пар в несколько циклов. Тем самым один объем пара доводится с высокого до низкого давления, осуществляя работу поршней.
4. Температура пара и цилиндров. Должна быть всегда высокой и стабильной. Если температура цилиндров ниже температуры пара, то часть энергии уходит на разогрев гильз, что снижает КПД.
5. Система распределения пара с отсечкой. Позволяет использовать только заданный объем пара. Система отсечки представляет собой впускной клапан. Он открывается на определенное время только для перемещения поршня.

   Как только пар с заданным давление впрыскивается в гильзу, клапан закрывается. Почему отсечка пара увеличивает показатель? Отсечка позволяет экономить общий объем пара и поддерживать стабильное давление в системе.

6. Система конденсации. Позволяет сохранять отработанный пар, конденсируя его в воду для повторного использования. Чем больше конденсаторов установлено на двигателе, тем выше температура отработанного пара и меньше объем конденсированной воды.

Еще одним фактором является применение использованного «мятого» пара. Если он переводится на работу вспомогательных систем, то КПД увеличивается, так как меньше пара выводится в атмосферу.

Как определить, чему равен показатель?

Рассмотрим, как рассчитать КПД парового двигателя.

Формула и алгоритм расчета

Коэффициент полезного действия для паровых двигателей определяет соотношение между выполненной механической работой и теплом, выделенным для производства пара. В физике данное значение обозначается буквой «n». Для расчета КПД паровой машины используется формула:

Формула состоит из следующих параметров:

• «η» — КПД машины.
• «W» — выполненная механическая работа (Дж).
• «Q» — объем затраченного тепла (Дж).

При расчете необходимо учитывать, что начальная температура пара всегда отличается от температуры используемого пара. При создании парового двигателя учитывается зависимость КПД от наличия конденсатора. Из этого следует, что начальная температура впрыска всегда выше температуры при конденсации.

Для его расчета применяется формула:

Выражение состоит из:

• «η» — КПД машины;
• «≤1» — отношение к циклу Карно. КПД парового двигателя всегда меньше 1 или 100%.
• «T2» — температура конечного цикла.
• «T1» — температура начального цикла.

Данная формула не применима для расчета КПД паровых машин без конденсатора и с прямым выводом отработанного пара в атмосферу. При расчете КПД паровых двигателей также учитывается масса сгораемого топлива и количество часов работы на этом топливе.

Несколько примеров

Далее будут даны 2 примера расчета величины КПД разных двигателей.

Задача:

1. Мощность паровой машины 220 кВт.
2. Получаемое для работы в течении 1 часа тепло 25,2 МДж.
3. КПД машины -?

Для расчета используется формула η= N/Q, где:

• «N» — мощность машины 220 кВт.
• «Q» — используемая теплота 25,2 МДж.
• Время работы 1 час или 3600 секунд.

Ответ: КПД парового двигателя мощностью 220 кВт равен 31,4%.

Задача:

1. Мощность парового двигателя 550 кВт.
2. Рабочее тепло 70,5 МДж.
3. Время работы 2 часа.
4. Отведенный пар используется в качестве отопления.
5. КПД -?

Ответ: КПД парового двигателя с последующим отводом на отопление равен 56,1%.

Что это означает: КПД равен 25 и 20%?

КПД 20 и 25% — это процентное соотношение полученной работы от использованной энергии. Иными словами, двигатель потребляет на работу всего 20-25% энергии пара от 100% сожженного горючего.

Остальные 80% уходят на:

• обогрев цилиндров,
• конденсацию,
• вывод в атмосферу,
• поддержание температуры и давления.

Сравнение с КПД бензинового двигателя

Прежде чем сравнивать два типа двигателей, необходимо учесть, что паровой двигатель -внешнего сгорания, а бензиновый — внутреннего. Также учитывается сложность конструкции и тип топлива.

Приведем сравнение:

1. КПД современных паровых машин может доходить до 60%, а турбин, работающих на ТЭЦ, до 90%.

   Но это параметры с учетом системы последующего использования пара в качестве отопления.
2. КПД бензиновых моторов зависит от качества сгораемого топлива и степени его воспламенения. Современные двигатели обладают КПД до 35%. Проблема заключается в потерях тепла на обогрев смежных механизмов и выбросах неотработанного топлива в атмосферу.
3. КПД дизельных двигателей достигает 55-60%. Этот тип мотора схож с паровым двигателем зависимостью от температуры рабочих цилиндров. При поддержании рабочей температуры топливо сгорает эффективнее, а значит без потери КПД.

При сравнении также стоит учитывать давление на вал и механическую работу иных механизмов.

Паровой двигатель не нуждается в установке коробки передач, раздаточной коробке и дифференциала. Отсюда следует, что вся полученная энергия тратится только на работу вала или махового колеса.

Заключение

Паровые машины способны показывать максимальную эффективность только при идеальной конструкции с учетом поддержания давления и температуры пара. Если эти критерии не соблюдаются, двигатель теряет значительную часть полезной работы.

При всей своей простоте, паровые двигатели остаются востребованными в энергетике, транспорте и производстве.

Паровая машина
Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Музей индустриальной культуры. Нюрнберг
Медиафайлы на Викискладе

Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу, таким образом к паровым машинам можно было бы отнести и паровую турбину, имеющую до сих пор широкое применение во многих областях техники.

Паровая машина вместе с рядом подсобных машин и устройств называется паросиловой станцией^[1].

История[править | править код]

Первая паровая машина была создана и использована Фердинандом Вербистом в 1672 году в его изобретении – игрушкой на паровом двигателе, сделанной для китайского императора. Следующая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось: он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом^[2]. Через пару месяцев из-за поломки она перестала действовать и впоследствии была демонтирована.

Принцип действия[править | править код]

Для работы паровой машины необходим паровой котёл, однако можно использовать любой источник тепла для перевода воды до состояния насыщенного пара и последующего перегрева пара (некоторые паровые двигатели работают и на насыщенном паре). Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям
.

Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации.
Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано кривыми зависимости давления p от объёма V указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями p₁ и p₂, а также объёмами V₁ и V₂. Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины, расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.

Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём V_e, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения Е, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения V_a, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия V_c, определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.

Коэффициент полезного действия[править | править код]

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла.

КПД тепловой машины равен:

,

где W_out — механическая работа, Дж; Q_in — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передаётся от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T₁ в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T₂ в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления (турбины с теплофикационными отборами пара) и производственных (турбины с противодавлением) нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.

Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.

У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют около 1 °C. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в двигателях Стирлинга может достигать 100 °C.

Преимущества и недостатки[править | править код]

Основное преимущество паровых машин как двигателей внешнего сгорания состоит в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от дров и кизяка до цепной реакции деления какого-либо делящегося материала, тепла Солнца (использование концентраторов в виде параболических зеркал) или же нагрев от радиоизотопного источника тепла.

Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах, а также использование геотермального тепла.

Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов, работающих на дизельных двигателях.

В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию^{[уточнить]}. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами^{[уточнить]}.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические^{[источник не указан 143 дня]}, что особенно актуально для горных железных дорог.

Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является сохранение максимального крутящего момента на любых оборотах, вплоть до самых минимальных. Это даёт паровым транспортным средствам динамику, недостижимую для транспортных средств с ДВС — преодоление уклонов на любой скорости, чрезвычайно медленный ход, плавный ход без рывков и т. д., а безрельсовым обеспечивает исключительную проходимость по бездорожью, несклонность к пробуксовке.

Благодаря высокому крутящему моменту поршневые паровые двигатели так же не нуждаются в коробке скоростей и понижающем редукторе, передавая усилие непосредственно на колёса или на дифференциал ведущего моста.

Простота устройства, щадящий температурный режим и низкие обороты, характерные для поршневых паровых двигателей, значительно повышают их ресурс, что обеспечивает им высокую надёжность и долговечность.

Поршневая паровая машина способна длительно выдерживать высокие перегрузки (до 100 %), на что ДВС неспособны.

Поршневая паровая машина не требует поддержания оборотов на холостом ходу и расходует пар строго пропорционально нагрузке, что значительно улучшает её экономичность. В современных автоматизированных котлах высокого давления подача топлива может отключаться сколь угодно часто, как только расход пара прекращается, а повторный пуск происходит практически мгновенно.

Сама по себе поршневая паровая машина почти бесшумна. «Пыхтящий» звук, издаваемый паровозом, создает не паровая машина, а конусное устройство, использующие отработавший пар для создания тяги в дымовой трубе.

Сжигание топлива в специальной камере при нормальном давлении позволяет провести полное окисление без образования токсичных продуктов, к которым относятся например диоксины и алкадиены, поэтому им, в отличие от ДВС, не требуются для соответствия экологическим нормам использование дорогих и содержащих драгоценные металлы каталитических нейтрализаторов. Использование геотермальной энергии, энергии солнца или других естественных источников может сделать паровую машину полностью экологически чистой. В результате экологический потенциал паровых машин гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение и развитие[править | править код]

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колёса.

Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Паровая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент англичанина Т. Севери (см. ниже).
Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом; в 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в XIX веке). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х годов в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в том же году получил патент. Это был паровой насос без поршня, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы насоса иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт, изобретатель назвал его «другом рудокопа».

В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен продемонстрировал свой «атмосферный (вакуумный) двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен применил цилиндр с поршнем и существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно насос Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение.

В 1720 году немецкий физик Якоб Лейпольд изобрёл двухцилиндровый паровой двигатель высокого давления, в котором рабочий ход совершается не низким давлением вакуума, образующимся после впрыска воды в цилиндр с горячим водяным паром, как в вакуумных двигателях, а высоким давлением горячего водяного пара. Отработанный пар сбрасывается в атмосферу. Но машины высокого давления были построены только через 80 лет, в начале XIX века, американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1763 году механиком И. И. Ползуновым была спроектирована первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина для приведения в действие воздуходувных мехов на барнаульских Колывано-Воскресенских заводах, которая была построена в 1764 году.

В 1765 году Джеймс Уатт, для повышения КПД вакуумного двигателя Ньюкомена, сделал отдельный конденсатор. Двигатель всё ещё оставался вакуумным.

В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипно-шатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала (в отличие от поступательного движения в вакуумном двигателе водоподъёмного насоса Ньюкомена). Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью 10 лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Примечательно, что первой известной автоматической системой управления была система регулирования скорости пара, установленная на паровом двигателе Уатта в 1775 году; почти век спустя Джеймс Клерк Максвелл описал первую математическую модель автоматизации.

Дальнейшим повышением эффективности парового двигателя было применение пара высокого давления американцем Оливером Эвансом и англичанином Ричардом Тревитиком.

В 1786 году Эванс попытался было запатентовать обычный паровой автомобиль, в котором приводом служила паровая машина высокого давления, но патентное управление отказало Эвансу, посчитав его идею нелепой фантазией. Позже Эванс изготовил в общей сложности около полусотни подобных машин, большая часть которых использовалась для привода насосных установок.

Тревитик, инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил в 1800 году патент на «машину высокого давления»), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 года строил модели паровых повозок, а в 1801 году начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).

В 1801 году Ричард Тревитик построил первый в истории паровоз «Puffing Devil», затем в 1802 году паровоз «Coalbrookdale» для одноимённой угольной компании.

Тревитик успешно строил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Множество вакуумных двигателей, построенных ранее по схеме Джеймса Уатта, после изобретения Эванса и Тревитика были перестроены по схеме «корнуэльского двигателя» высокого давления.

В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Бёрлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

В 1824 году французский учёный и инженер Сади Карно в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» впервые описал цикл работы термодинамической системы, позже названный его именем^[3][4].

С развитием паровозо- и пароходостроения прогресс паровой машины получил новый толчок. В течение XIX века усилиями многих талантливых инженеров паровая машина была значительно усовершенствована. Были разработаны конструкции котлов и различных вспомогательных систем (механизмов парораспределения, топливоподачи и т. п.), ставшие впоследствии классическими. Появились многоступенчатые, компаундные и тандемные типы, интересные промышленные модели. Практический КПД паровой машины был значительно повышен. Требования сухопутного транспорта и мелкого судостроения содействовали появлению компактных моделей с высокой удельной мощностью. Во второй половине века появились типы компоновок и систем, использованные затем в двигателях внутреннего сгорания: V-образные и звездообразные компоновки без крейцкопфа, блок-цилиндры с закрытым картером, тарельчатые клапаны с приводом от кулачкового вала и т. д. Параллельно шла разработка роторных альтернатив: паровой турбины, различных моделей коловратных двигателей.

К началу XX века была уже хорошо разработана теория и практика паровых машин, сохранившаяся до наших дней почти без изменений. Поршневые паровые машины безраздельно властвовали на железнодорожном и морском транспорте, паровые турбины всё чаще находили практическое применение на крупных морских судах. Подавляющее большинство коловратных (роторно-поршневых) типов было опробовано и по тем или иным причинам отвергнуто.

В первые десятилетия XX века отмечается бум транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, значительно пошатнувший авторитет паровой машины. Она уступает более лёгким и компактным конкурентам. К 1930-м годам бензиновые и дизельные двигатели почти полностью вытесняют паровую машину из лёгкого сухопутного транспорта, решительно вторгаются в области железнодорожного транспорта и судостроения. Считается, что паровая машина уже доживает свой век, безнадёжно устарела.

В 1930-е годы вокруг неё снова намечается некоторое оживление. Появляются новые материалы: нержавеющие стали, способные выдержать высокие температуры и давления, а также лёгкие и прочные алюминиевые сплавы. Это позволяет поднять давление пара до величин 30—100 атм, что делает паровую машину замкнутого цикла сопоставимой по габаритам, эффективности и цене с двигателем внутреннего сгорания. Внедрение водотрубной системы делает котёл компактным и безопасным. Налаживается серийное производство паровых легковых и грузовых автомобилей, тракторов, автобусов и даже танков и самолётов. Появляются новые идеи: внедрение звездообразных паровых машин в ступицы колёс, в задний мост и т. д. Принимаются во внимание ценные качества паровой машины: высокий крутящий момент, отличная проходимость по бездорожью, нетребовательность к топливу, долговечность, бесшумность, плавность хода, отсутствие необходимости поддерживать обороты на холостом ходу и т. п. Паровые машины устанавливаются даже на лимузины^[5].

Однако попытка реанимации идеи паровой машины не удалась: отчасти из-за начавшейся Второй мировой войны, отчасти из-за сформировавшегося у потребителя стереотипа устарелости, громоздкости, грязности и опасности паровой машины, интерес к этим опытам ослабевает. Дольше всего паровая машина продержалась на железнодорожном транспорте, где новые модели паровозов выпускались вплоть до 1950-х годов. Но и здесь постепенно была вытеснена тепловозами, электровозами и газотурбовозами.

Тем не менее идея её не забыта и некоторые экспериментальные работы, и даже попытки серийного производства паровых машин высокого давления, ведутся энтузиастами и в наши дни. Большую ценность представляют так же действующие модели исторических паровых машин, изготавливаемые любителями.

Следует отметить, что распространение парового двигателя шло постепенно: механизмы, использующие водную и ветряную энергию, ещё долго конкурировали с паровыми машинами. В частности, до 1870 года в Соединённых Штатах большинство фабрик использовали энергию водяных турбин, а не паровых двигателей^[6]. Точно так же постепенно она выходила из употребления. Так, последние паровозы работали на линиях ещё в конце XX века, а некоторые сохраняются работоспособными до наших дней, несмотря даже на то, что КПД паровозной машины один из самых низких. До сих пор именно паровозы и пароходы окутаны неким ореолом романтики. В некоторых странах они и сегодня используются в туристических целях.

Что касается паровых турбин, то они заняли прочные позиции в энергетике и крупном транспортном машиностроении. Однако их КПД сильно зависит от размеров, поэтому паровые турбины малой мощности экономически нецелесообразны и не находят применения в качестве основной силовой установки. В новых разработках транспорта с паровой машиной они используются как вспомогательные приводы, работающие на возвратном пару.

Классификация[править | править код]

Паровые машины разделяются^[7][8]:

• по способу действия пара на машины с расширением и без него, причём первые считаются наиболее экономичными
• по используемому пару
  • низкого давления (до 12 кг/см²)
  • среднего давления (12—60 кг/см²)
  • высокого давления (свыше 60 кг/см²)
• по числу оборотов вала
  • тихоходные (до 50 об/мин, как на колёсных пароходах)
  • быстроходные.
• по давлению выпускаемого пара
  • на конденсационные (давление в конденсаторе 0,1—0,2 ата)
  • выхлопные (с давлением 1,1—1,2 ата)
  • теплофикационные с отбором пара на нагревательные цели или для паровых турбин давлением от 1,2 ата до 60 ата в зависимости от назначения отбора (отопление, регенерация, технологические процессы, срабатывание высоких перепадов в предвключённых паровых турбинах).
• По расположению цилиндров
  • горизонтальные
  • наклонные
  • вертикальные
• по числу цилиндров
  • одноцилиндровые
  • многоцилиндровые
    • сдвоенные, строенные и т. д., в которых каждый цилиндр питается свежим паром
    • паровые машины многократного расширения, в которых пар последовательно расширяется в 2, 3, 4 цилиндрах возрастающего объёма, переходя из цилиндра в цилиндр через т. н. ресиверы (коллекторы).

По типу передаточного механизма паровые машины многократного расширения делятся на тандем-машины и компаунд-машины. Особую группу составляют прямоточные паровые машины, в которых выпуск пара из полости цилиндра осуществляется кромкой поршня.

По их применению: на стационарные машины и нестационарные (в том числе передвижные), устанавливаемые на различные типы транспортных средств.

Стационарные паровые машины могут быть разделены на два типа по режиму использования:

• Машины с переменным режимом, к которым относятся машины транспортных средств, строительно-дорожных машин, металлопрокатных станов, паровые лебёдки и подобные устройства, которые должны часто останавливаться и менять направление вращения;
• Силовые машины, которые редко останавливаются и не должны менять направление вращения. Они включают энергетические двигатели на электростанциях, а также промышленные двигатели, использовавшиеся на заводах, фабриках и на кабельных железных дорогах до широкого распространения электрической тяги. Двигатели малой мощности используются на судовых моделях и в специальных устройствах.

Паровая лебёдка в сущности является стационарным двигателем, но установлена на опорной раме, чтобы её можно было перемещать. Она может быть закреплена тросом за якорь и передвинута собственной тягой на новое место.

Паровые машины с возвратно-поступательным движением[править | править код]

Двигатели с возвратно-поступательным движением используют энергию пара для перемещения поршня в герметичной камере или цилиндре. Возвратно-поступательное действие поршня может быть механически преобразовано в линейное движение поршневых насосов или во вращательное движение для привода вращающихся частей станков или колёс транспортных средств.

Вакуумные машины[править | править код]

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом создаётся вакуум в цилиндре. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня^[9].

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, основным нововведением которой стало вынесение процесса конденсации в специальную отдельную камеру (конденсатор). Эта камера помещалась в ванну с холодной водой, и соединялась с цилиндром трубкой, перекрывающейся клапаном. К конденсационной камере была присоединена специальная небольшая вакуумная помпа (прообраз конденсатного насоса), приводимая в движение коромыслом и служащая для удаления конденсата из конденсатора. Образовавшаяся горячая вода подавалась специальным насосом (прообразом питательного насоса) обратно в котёл. Ещё одним радикальным нововведением стало закрытие верхнего конца рабочего цилиндра, в верхней части которого теперь находился пар низкого давления. Этот же пар присутствовал в двойной рубашке цилиндра, поддерживая его постоянную температуру. Во время движения поршня вверх этот пар по специальным трубкам передавался в нижнюю часть цилиндра, для того, чтобы подвергнуться конденсации во время следующего такта. Машина, по сути, перестала быть «атмосферной», и её мощность теперь зависела от разницы давлений между паром низкого давления и тем вакуумом, который удавалось получить.

В паровой машине Ньюкомена смазка поршня осуществлялась небольшим количеством налитой на него сверху воды, в машине Уатта это стало невозможным, поскольку в верхней части цилиндра теперь находился пар, пришлось перейти на смазку смесью тавота и нефти. Такая же смазка использовалась в сальнике штока цилиндра.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничения их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.

Приблизительно в 1811 году Ричард Тревитик усовершенствовал машину Уатта. Давление пара над поршнем достигло 275 кПа (2,8 атмосферы), и именно оно давало основную мощность для совершения рабочего хода; кроме того, был существенно усовершенствован конденсатор. Такие машины получили название корнуэльских^[en], и строились вплоть до 1890-х годов. Множество старых машин Уатта было реконструировано до этого уровня. Некоторые из корнуэльских машин имели весьма большой размер.

Паровые машины высокого давления[править | править код]

В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275—345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Паровые машины двойного действия[править | править код]

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало изобретение в 1782 году Джеймсом Уаттом машины двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочерёдно подаётся в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода.

Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса для того, чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более лёгким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин использует именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

В 1832 году впервые в России на заводе была построена паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом для военного парохода «Геркулес» (строитель парохода — английский кораблестроитель на русской службе В. Ф. Стокке). Это была первая в мире удачная для пароходов паровая машина без балансира в 240 сил^[10]. Англичане дважды, в 1822 и 1826 годах, делали попытку изготовить такие машины для своих пароходов, но они оказались неудачными и их пришлось заменить обычными балансирными машинами. Лишь на пароходе «Горгон» (Gorgon), спущенном на воду в 1837 году, они смогли установить машину прямого действия (без балансира), которая стала работать нормально^[10].

Парораспределение[править | править код]

В большинстве возвратно-поступательных паровых машин пар изменяет направление движения в каждом такте рабочего цикла, поступая в цилиндр и выходя из него через один и тот же коллектор. Полный цикл двигателя занимает один полный оборот кривошипа и состоит из четырёх фаз — впуска, расширения (рабочая фаза), выпуска и сжатия. Эти фазы контролируются клапанами в «паровой коробке», смежной с цилиндром. Клапаны управляют потоком пара, последовательно соединяя коллекторы каждой стороны рабочего цилиндра с впускным и выпускным коллектором паровой машины. Клапаны приводятся в движение клапанным механизмом какого-либо типа.

Простейший клапанный механизм даёт фиксированную продолжительность рабочих фаз и обычно не имеет возможности изменять направление вращения вала машины. Большинство клапанных механизмов более совершенны, имеют механизм реверса, а также позволяют регулировать мощность и крутящий момент машины путём изменения «отсечки пара», то есть изменяя соотношение фаз впуска и расширения. Так как обычно один и тот же скользящий клапан управляет и входным и выходным потоком пара, изменение этих фаз также симметрично влияет на соотношения фаз выпуска и сжатия. И здесь существует проблема, поскольку соотношение этих фаз в идеале не должно меняться: если фаза выпуска станет слишком короткой, то большая часть отработанного пара не успеет покинуть цилиндр, и создаст существенное противодавление на фазе сжатия.

В 1840-х и 1850-х годах было совершено множество попыток обойти это ограничение, в основном путём создания схем с дополнительным клапаном отсечки, установленном на основном распределительном клапане, но такие механизмы не показывали удовлетворительной работы, к тому же получались слишком дорогими и сложными. С тех пор обычным компромиссным решением стало удлинение скользящих поверхностей золотниковых клапанов с тем, чтобы впускное окно было перекрыто дольше, чем выпускное. Позже были разработаны схемы с отдельными впускными и выпускными клапанами, которые могли обеспечить практически идеальный цикл работы, но эти схемы редко применялись на практике, особенно на транспорте, из-за своей сложности и возникающих эксплуатационных проблем^[11][12].

Сжатие[править | править код]

Выпускное окно цилиндра паровой машины перекрывается несколько раньше, чем поршень доходит до своего крайнего положения, что оставляет в цилиндре некоторое количество отработанного пара. Это означает, что в цикле работы присутствует фаза сжатия, формирующая так называемую «паровую подушку», замедляющую движение поршня в его крайних положениях. Кроме того, это устраняет резкий перепад давления в самом начале фазы впуска, когда в цилиндр поступает свежий пар.

Опережение[править | править код]

Описанный эффект «паровой подушки» усиливается также тем, что впуск свежего пара в цилиндр начинается несколько раньше, чем поршень достигнет крайнего положения, то есть присутствует некоторое опережение впуска. Это опережение необходимо для того, чтобы перед тем, как поршень начнёт свой рабочий ход под действием свежего пара, пар успел бы заполнить то мёртвое пространство, которое возникло в результате предыдущей фазы, то есть каналы впуска-выпуска и неиспользуемый для движения поршня объём цилиндра^[13].

Простое расширение[править | править код]

Простое расширение предполагает, что пар работает только при расширении его в цилиндре, а отработанный пар выпускается напрямую в атмосферу или поступает в специальный конденсатор. Остаточное тепло пара при этом может быть использовано, например, для обогрева помещения или транспортного средства, а также для предварительного подогрева воды, поступающей в котёл.

Компаунд[править | править код]

В паровой машине “одиночного расширения” пар под давлением парового котла впускается в цилиндр и начинает двигать поршень. Чтобы поднять эффективность машины, в определённый момент хода поршня (точка отсечки) впускной паровой клапан закрывается (например на 25% хода поршня), а уже впущенный пар (рабочее тело) продолжает расширяться, двигая поршень до окончания его хода. После этого, отработанный пар выпускается либо в атмосферу, либо в конденсатор^[14].

Более раннее закрытие впускного клапана увеличивает степень расширения рабочего пара, что в идеальных условиях позволяет пару совершить больше полезной работы. Под идеальными условиями подразумевается полная теплоизоляция пара, при которой он может расширяться адиабатически и его температура будет падать вместе с увеличением объема. В реальных же условиях существует предел уменьшению времени отсечки в большей степени из-за теплообмена пара со стенками цилиндра. При впуске пара, в начале цикла, это приводит к охлаждению рабочего пара без совершения работы а в конце цикла, наоборот, к нагреву пара. Этот паразитный теплообмен приводит к уменьшению эффективности двигателя (см. КПД).

Компаунд-машины стали эффективным решением этой проблемы посредством разделения одного цилиндра на несколько, работающих при разных температурах. Идею таких машин впервые предложил и запатентовал Джеймс Уатт уже в 1781 году ^[15], и в 1804 году она была использована Артуром Вульфом в своей компаундной машине высокого давления. В ней высокотемпературный пар из парового котла поступал в цилиндр высокого давления, а после этого, отработанный пар с более низкой температурой и давлением перекачивался в цилиндр (или цилиндры) низкого давления, где он продолжал своё расширение. Это уменьшило перепад температуры стенок цилиндров в течение каждого цикла, что в целом снизило тепловые потери и улучшило коэффициент полезного действия паровой машины.

Такая схема также известна под названием «двойное расширение», поскольку расширение пара происходит в две стадии. Так как пар из цилиндра высокого давления продолжал своё расширение в цилиндре низкого давления, второй имеет больший объем. Иногда цилиндр низкого давления разделяли на два, из-за чего машина имела три приблизительно одинаковых по размеру цилиндра. Такую схему было легче балансировать.

Двухцилиндровые компаундные машины могут быть классифицированы как:

• перекрёстный компаунд — цилиндры расположены рядом, их паропроводящие каналы перекрещены.
• тандемный компаунд — цилиндры располагаются последовательно, и используют один шток.
• угловой компаунд — цилиндры расположены под углом друг к другу, обычно 90 градусов, и работают на один кривошип.

После 1880-х годов компаундные паровые машины получили широкое распространение на производстве и транспорте и стали практически единственным типом, используемым на пароходах. Использование их на паровозах не получило такого широкого распространения, поскольку они оказались слишком сложными, частично из-за того, что сложными были условия работы паровых машин на железнодорожном транспорте. Несмотря на то, что компаундные паровозы так и не стали массовым явлением (особенно в Великобритании, где они были очень мало распространены и вообще не использовались после 1930-х годов), они получили определённую популярность в нескольких странах^[16].

Множественное расширение[править | править код]

Логичным развитием схемы компаунда стало добавление в неё дополнительных стадий расширения, что увеличивало эффективность работы. Результатом стала схема множественного расширения, известная как машины тройного или даже четырёхкратного расширения. Такие паровые машины использовали серии цилиндров двойного действия, объём которых увеличивался с каждой стадией. Иногда вместо увеличения объёма цилиндров низкого давления использовалось увеличение их количества, так же, как и на некоторых компаундных машинах.

Изображение справа показывает работу паровой машины с тройным расширением. Пар проходит через машину слева направо. Блок клапанов каждого цилиндра расположен слева от соответствующего цилиндра.

Появление этого типа паровых машин стало особенно актуальным для флота, поскольку требования к размеру и весу для судовых машин были не очень жёсткими, а главное, такая схема позволяла легко использовать конденсатор, возвращающий отработанный пар в виде пресной воды обратно в котёл (использовать солёную морскую воду для питания котлов было невозможно). Наземные паровые машины обычно не испытывали проблем с питанием водой и потому могли выбрасывать отработанный пар в атмосферу. Поэтому такая схема для них была менее актуальной, особенно с учётом её сложности, размера и веса. Доминирование паровых машин множественного расширения закончилось только с появлением и широким распространением паровых турбин. Однако в современных паровых турбинах используется тот же принцип разделения потока на секции высокого, среднего и низкого давления.

Прямоточные паровые машины[править | править код]

Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определённую часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности.

Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остаётся более или менее постоянным. Прямоточные машины одиночного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.

Прямоточные паровые машины бывают как одиночного, так и двойного действия.

Паровые турбины[править | править код]

Паровая турбина представляет собой барабан либо серию вращающихся дисков, закреплённых на единой оси, их называют ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закреплённых на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подаётся на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные (в активных, либо подобные в реактивных) лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в неё подаётся. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.

Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86 % мирового производства электроэнергии производится турбогенераторами, которые приводятся во вращение паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Другие типы паровых двигателей[править | править код]

Кроме поршневых паровых машин, в XIX веке активно использовались роторные паровые машины. В России, во второй половине XIX века они назывались «коловратные машины». Их было несколько типов, но наиболее успешной и эффективной была «коловратная машина» петербургского инженера-механика Н. Н. Тверского^[17]. Машина представляла собой цилиндрический корпус, в котором вращался ротор-крыльчатка, а запирали камеры расширения особые запорные барабанчики. «Коловратная машина» Н. Н. Тверского не имела ни одной детали, которая бы совершала возвратно-поступательные движения и была идеально уравновешена.

Двигатель Тверского создавался и эксплуатировался преимущественно на энтузиазме его автора, однако он использовался во многих экземплярах на малых судах, на фабриках и для привода динамо-машин. Один из двигателей даже установили на императорской яхте «Штандарт», а в качестве расширительной машины — с приводом от баллона со сжатым аммиаком, этот двигатель приводил в движение в подводном положении одну из первых экспериментальных подводных лодок — «подводную миноноску», которая испытывалась Н. Н. Тверским в 1880-х годах в водах Финского залива.

Однако, со временем, когда паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания и электромоторами, «коловратная машина» Н. Н. Тверского была практически забыта. Однако эти «коловратные машины» можно считать прообразами сегодняшних роторных двигателей внутреннего сгорания.

Применение[править | править код]

Вплоть до середины XX века паровые машины широко применялись в тех областях, где их положительные качества (большая надёжность, возможность работы с большими колебаниями нагрузки, возможность длительных перегрузок, долговечность, невысокие эксплуатационные расходы, простота обслуживания и лёгкость реверсирования) делали применение паровой машины более целесообразным, чем применение других двигателей, несмотря на её недостатки, вытекающие главным образом из наличия кривошипно-шатунного механизма. К таким областям относятся: железнодорожный транспорт, водный транспорт, где паровая машина делила своё применение с двигателями внутреннего сгорания и паровыми турбинами; промышленные предприятия с силовым и тепловым потреблением: сахарные заводы, спичечные, текстильные, бумажные фабрики, отдельные пищевые предприятия. Характер теплового потребления этих предприятий определял тепловую схему установки и соответствующий ей тип теплофикационной паровой машины: с концевым или промежуточным отбором пара.

Теплофикационные установки дают возможность уменьшать на 5—20 % расход топлива по сравнению с раздельным и установками, состоящими из конденсационных паровых машин и отдельных котёльных, производящих пар на технологические процессы и отопление.

Проведённые в СССР исследования показали целесообразность перевода раздельных установок на теплофикационные путём введения регулируемого отбора пара из ресивера паровой машины двойного расширения. Возможность работы на любых видах топлива делала целесообразным применение паровых машин для работы на отходах производства и сельского хозяйства: на лесозаводах, в локомобильных установках и т. п., особенно при наличии теплового потребления, как, например, на деревообрабатывающих предприятиях, имеющих горючие отходы и потребляющих низкопотенциальное тепло для целей сушки лесоматериалов.

Паровая машина удобна для применения в безрельсовом транспорте (паровой автомобиль, паровой грузовик, паровой экскаватор, паровой самолёт), так как не требует коробки скоростей, однако она не получила распространения из-за некоторых неразрешимых конструктивных трудностей.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, подъёмных кранах, землеройных машинах и других транспортных средствах и механизмах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.

В настоящее время паровая машина применяется для привода насосов, используемых в качестве резервных или при наличии источника пара, в условиях недоступности электроэнергии или невозможности применения электроэнергии или двигателя внутреннего сгорания по условиям пожарной безопасности. Поршневая паровая машина двойного действия без кривошипно-шатунного механизма используется для линейного привода поршневого насоса. Промышленностью выпускаются вертикальные и горизонтальные паровые насосы типа ПДВ и ПДГ, соответственно^[18].

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Нетрадиционные машины[править | править код]

На 4-м канале Британского телевидения с 1998 года проводится реалити-шоу «Scrapheap Challenge^[en]» («Вызов со свалки»), в котором друг против друга выступают две команды из трёх постоянных участников и одного специалиста. Командам даётся 10 часов для постройки заданной машины из частей, которые они находят на свалке металлолома, а затем устраиваются гонки. В 2007 году команды британских и американских инженеров строили колёсный пароход в духе Брюнеля. При этом британская команда использовала для управления паровой машиной электрическую систему с микровыключателями и соленоидными клапанами. Их пароход набрал скорость, близкую к дизельной лодке американской команды.

Airspeed 2000 — единственный практический паролёт.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]

• В погоне за циклом Карно
• Изобретение паровой машины Ползуновым
• Н. Александров. Из истории паровой турбины Архивная копия от 24 марта 2008 на Wayback Machine
• Очарованные паром Архивная копия от 13 января 2008 на Wayback Machine
• Паровой роторный двигатель Архивная копия от 28 октября 2019 на Wayback Machine
• История изобретения автомобиля — История развития парового автомобиля Архивная копия от 9 мая 2012 на Wayback Machine

Изучение принципов работы паровых двигателей, их особенностей и свойств на примере построенной экспериментальной модели.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Проблема: двигатели внутреннего сгорания приблизились к пределу своего совершенства уже к началу ХХI века. В настоящее время автомобильная индустрия проводит попытки внедрения альтернативных двигателей. В качестве замены пробуют использовать гибридные, электрические, газовые и даже есть отдельные попытки вернуться к паровым двигателям.

Цель проекта: рассмотреть паровой двигатель как альтернативу двигателю внутреннего сгорания.

Задача проекта: оценить на практике достоинства и недостатки, парового двигателя, для чего построить экспериментальную модель.

История создания паровых машин.

Человечество строит тепловые машины различного типа не первый век, накопив в этом деле немалый опыт. До XVII века создание паровой машины было невозможно ввиду отсутствия теории и технологий обработки металла, требуемых для изготовления деталей необходимой точности. История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферного агрегата. В 1681 году французский ученый Дени Папен изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина.

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и давление пара поднималось, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Не стоит и говорить, что КПД подобного механизма был крайне низок, а эксплуатация его сложна и безумно неудобна.

Следующим оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал сильные и слабые стороны работы своих предшественников, и взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. В новой паровой машине так же использовался вертикальный цилиндр. Однако пар образовывался уже в отдельном котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало его герметичность. Данная машина также была пароатмосферной. Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах.

Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, впервые предназначенную для установки на корабли, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.

Новый прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, впервые применивший в своем изобретении два рабочих цилиндра, передающих крутящий момент на один общий вал. Однако это все еще был пароатмосферный агрегат.

1784 год стал переломным в истории создания паровых машин. Механик Джеймс Уатт сконструировал свой паровой двигатель. В отличие от пароатмосферных механизмов, в которых пар использовался лишь для подъема поршня, и полезная работа совершалась за счет атмосферного давления, а то и за счет силы тяжести, Джеймс Уатт предположил, что гораздо выгоднее использовать давление самого пара. Попутно это избавляло от необходимости постоянно охлаждать рабочий цилиндр, теряя при этом огромное количество энергии, затраченное перед этим на нагрев воды и получение пара. Напротив, изобретатель заключил цилиндр в специальную паровую рубашку, сохраняющую его рабочую температуру.

Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду – конденсатор – в который попадал отработавший в цилиндре пар. Это позволило во-первых создать замкнутый цикл оборота воды, а во-вторых извлекать из того же количества пара намного больше энергии.

Уатт также изменил и принцип подачи пара. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская. Таким образом, механик фактически создал первую паровую машину двойного действия.

Выбор конструкции модели.

Изучив вкратце историю паровых машин мы, уже можем сделать определенные выводы об их преимуществах и недостатках по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, а так же определиться с выбором схемы конструкции, пригодной для воплощения в модели.

Главное преимущество парового двигателя перед двигателем внутреннего сгорания является ее «всеядность». Паровые машины являются двигателями внешнего сгорания, что позволяет использовать практически любой вид топлива, от деревянных дров до ядерной энергии. Последний вариант сейчас широко используется на атомных электростанциях и в двигателях атомных кораблей. Правда, для преобразования тепловой энергии в механическую там применяются не паровые машины, а турбины.

К другим достоинствам классической паровой машины можно отнести такие характеристики как: высокая надёжность, возможность эксплуатации при значительных колебаниях нагрузки, допустимость продолжительных перегрузок, долговечность, низкие расходы на эксплуатацию и простота в обслуживании. А главное постоянный крутящий момент во всем диапазоне оборотов коленчатого вала, что делает ненужными различные редукторы. Именно поэтому у паровоза нет коробки передач.

К недостаткам обычно относят в основном массо-габаритные характеристики, различные эксплуатационные особенности, а так же более низкий КПД по сравнению с другими типами двигателей. Именно их мы и попробуем изучить на примере модели и разобрать ниже.

Паровые машины имеют несколько классических конструкционных схем. Рассмотрим их все.

1. Машина одностороннего или простого действия. Может быть оснащена одним или двумя цилиндрами. Цилиндры могут быть качающиеся (самый простой вариант), или неподвижными, что делает необходимым наличие кривошипно-шатунного механизма и золотника с отдельным механическим приводом. К достоинствам относится фактически лишь простота, если не сказать примитивность, конструкции. К недостаткам – то, что поршень совершает полезную работу, двигаясь только в одном направлении. Обратное движение является холостым ходом, вследствие чего для работы машины простого действия необходим массивный маховик.

2. Машина двойного действия. Так же может иметь один два или более рабочих цилиндров. Однако в отличие от простой машины пар поочередно подается в обе стороны цилиндра. Это делает рабочими оба хода поршня, как поступательный, так и возвратный. Подобная конструкция не предусматривает возможность использования качающихся цилиндров, а кривошипно-шатунный механизм удлиняется на одно звено – толкатель поршня – что приводит к увеличению габаритов и усложнению конструкции. Однако отсутствие холостого хода поршня (напомним: в классическом четырехтактном ДВС холостых ходов целых три) фактически в два раза повышает КПД и мощность, снимаемую с коленчатого вала. Кроме того при использовании более одного цилиндра, при перпендикулярном расположении кулаков колен-вала такая машина не имеет верхней и нижней мертвой точки, что обеспечивает ее самостоятельный запуск при подаче пара при любом положении кривошипно-шатунного механизма.

3. Паровая машина тройного расширения – определенного рода вершина в истории конструирования подобных агрегатов. Главная отличительная особенность – трехступенчатое использование пара. Непосредственно из котла перегретый пар подается лишь в первый из цилиндров. Затем, совершив работу и частично остыв, из первого цилиндра он попадает во второй. Затем в третий. И лишь после этого пар, окончательно остывший, отдавший почти всю свою энергию поршням, отводится в конденсатор. Такая схема позволяет еще больше повысить КПД, однако отличается высокой сложностью парораспределительного механизма, поскольку машина тройного расширения, как правило, является и двустороннего действия.

Кроме всего перечисленного на выбор конструкционной схемы модели паровой машины в значительной мере повлияли условия ее изготовления. В качестве таковых были приняты: отсутствие возможности использования высокотехнологичных станков и оборудования, наличие лишь простого измерительного инструмента (штангель-циркуля), а так же минимальное использование серийно производимых современной промышленностью и доступных в продаже деталей и заготовок. В какой-то мере это приближало нас к условиям строительства паровых машин начала ХХ века, когда с одной стороны культура производства была достаточно высока для того времени, а с другой стороны о высокоточных пятикоординатных станках с автоматической сменой инструмента и числовым программным управлением ни кто и не слышал.

Исходя из изложенного, пришлось пойти на компромисс между высоким КПД машины и сложностью ее изготовления. К постройке модели была принята конструкционная схема №2 – двухцилиндровой машины двойного действия.

Однако кроме цилиндров и шатунов для работы паровой машины необходим пар. А для производства пара – паровой котел. С точки зрения конструкции таковые разделяют на жаротрубные и водотрубные. В первом случае по трубам, проходящим внутри водяного резервуара (т.н. дымогарным трубам) проходят горячие газы, образующиеся после сгорания топлива, попутно нагревая окружающую их воду. Во втором напротив, вода нагревается и сразу превращается в пар в водяных трубах, проходящих через топку. Водотрубный котел считается более безопасным и требует меньше времени для набора рабочего давления. Кстати, в зависимости от последнего параметра котлы классифицируются следующим образом:

1. Низкого давления (до 1 МПа).

2. Среднего давления (от 1 до 10 МПа).

3. Высокого давления (до 14 МПа).

4. Сверхвысокого давления (18 – 20 МПа).

5. Сверхкритического давления (>22,5 МПа).

Из соображений безопасности был выбран второй тип с установкой предохранительного клапана на давление не более 4 МПа и использованием пароперегревателя. Данный элемент позволяет разогреть пар до температуры свыше 100 градусов, что позволяет добиться большей экономичности за счет увеличения КПД агрегата. Пар при использовании перегревателя может достигать температуры в 500 градусов, поскольку нагрев осуществляется уже после этапа испарения воды.

В качестве питания котла будем использовать пропановую горелку с заранее известными параметрами расхода и теплоемкости сгорания топлива.

Расчет мощности и КПД модели паровой машины.

Для определения мощности паровой машины необходимо знать следующие величины: i – количество цилиндров, Т– тип машины – простого или двойного действия, S – ход поршня, т. е. путь движения поршня от верх­ней мертвой точки до нижней, выраженной в метрах, D – внутренний диаметр цилиндра, выраженный в сан­тиметрах, Р – давление пара в котле при работе паровой машины, n – количество оборотов, развиваемое паровой маши­ной в минуту.

Мощность – это работа в единицу времени (секунду). Таким образом, определение мощности паровой машины сводится к определению работы, которую она может произвести в одну секунду. Но в свою очередь работает ма­шина потому, что в нее поступает пар, а следовательно, ра­бота, которую совершает машина, производит и пар, но в большем объеме, чем машина, так как работа пара заклю­чается в прямолинейном перемещении поршня машины. Ра­бота же самой машиной производится вследствие преобразова­ния прямолинейного движения поршня во вращательное дви­жение вала. Последнее же связано с большими потерями в процессе механического преобразования.

В результате этого различают две мощности паровой машины: индикаторную и эффективную. Индикаторная мощность определяется работой пара в ци­линдре. Эффективная – это мощность на валу па­ровой машины. Эти величины связанны уравнением:

N_эф = ¾ N_i

Машина выбранного типа является машиной с полным на­полнением пара. То есть пар начинает поступать в цилиндр в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке, и поступает, пока поршень не достигнет нижней мертвой точки. Таким образом, давление пара в цилиндре в процессе движения поршня остает­ся постоянным и почти равным давлению в котле. В таком случае Индикаторная мощность определяется по формуле:

N_i =

Зададим значения переменных исходя из выбранной конструкции паровой машины и заранее известных размеров некоторых деталей, которые в связи со сложностью изготовления в кустарных условиях были выточены из заготовок, производимых серийно и имеющихся в свободной продаже. (В частности цилиндры планировалось изготовить из водопроводных удлинительных трубок.) i = 2, Т= 2, S = 0,02м, D = 0,18см, Р = 2атм. Количество оборотов, минуту n впоследствии можно определить экспериментально. На стадии предварительных расчетов зададим его из желаемого значения мощности, разумных соображений безопасности, а так же в соответствии с выпускаемыми серийно аналогами. Примем n = 1000 об/мин. Значения мощности при этом получаются в лошадиных силах. Таким образом:

N_i = = 0.09 л.с.

N_эф = 3/4N_i = 0.067 л.с.

КПД паровой машины является отношением энергии, полученной на вращающемся валу к энергии, затраченной на производство пара. Таковое отношение автоматически учитывает все потери, происходящие в следствии утечки тепла сгоревшего топлива в атмосферу, остывания пара в паропроводах, потери давления из-за неизбежных утечек, преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, банального трения и т.д.:

В случае тела, вращающегося с постоянной угловой скоростью .

значит – энергия вращающегося вала двигателя.

Затраченную энергию можно рассчитать, исходя из известных характеристик топлива и горелки.

Где Q – количество теплоты сгорания топлива, q– удельная теплота сгорания и составляет 46300000 Дж/кг (табличное значение), m – масса затраченного топлива. Для выбранного типа горелки она равна 0,00006 кг в секунду.

Приведем лошадиные силы мощности к системе Си и посчитаем КПД:

= *100

Проектирования модели паровой машины.

Исходя из полученных результатов расчетов и первоначально поставленных условий, были разработаны следующие рабочие чертежи.

Общий вид машины в трех проекциях наиболее значимых узлов:

Деталировка – расположение деталей на пластинах заготовок со всеми значимыми размерами:

В процессе работы над чертежами был выявлен странный факт, а именно отсутствие упоминаний в популярной литературе необходимости, опережения (либо отставания) фазы вращения эксцентрика золотника на угол шестьдесят градусов. От того будет он отставать или опережать на шестьдесят градусов зависит в какую сторону будет направлено вращение коленчатого вала. К такому выводу пришлось приходить путем построения логической модели:

Изготовление модели паровой машины.

После окончания работы по созданию чертежей переходим к практической части – изготовлению деталей и их сборке. Используя простейшие инструменты: тиски, напильники разных форм и размеров, ручное сверло, а также штангель-циркуль – приступим к изготовлению. Необходимо отметить, что все детали к паровой машине за исключением приобретенных в магазине болтов, гаек, шпилек и подшипников – были изготовлены вручную.

В первую очередь были выточены все необходимые детали для коленчатого вала и собрана станина.

После были сделаны крышки для цилиндров и нарезана резьба на шпильках.

Наиболее трудоемкой задачей стала сборка коленчатого вала. В промышленности обычно используются валы целиком выточенные из единой заготовки, что автоматически обеспечивает соосность его кулачков. В случае сборного каленвала пришлось обеспечивать соосность экспериментально. На фото ниже даже на глаз хорошо видно, что на ранних этапах этого процесса соосность полностью отсутствует.

Однако эта задача оказалась выполнимой, даже при отсутствии специальных измерительных приборов. Ниже представлены станина, с коленчатым валом и каркас с крышками блока цилиндров в сборе.

Дальнейшим шагом стало изготовление шатунов и золотников.

Изготовление цилиндров, подгонка под них поршней стали одним из самых кропотливых этапов работы. Результат ее в полностью собранной модели представлен ниже:

Необходимо отметить, что для более эффективной работы двигателя в процессе работы пришлось изменить конструкцию золотников с коробчатой на цилиндрическую. Что значительно упростило конструкцию и позволило уменьшить утечки пара. На чертеже общего вида представлены оба варианта с коробчатым (слева) и цилиндрическим (справа) золотником.

Оценка результатов эксперимента.

После окончательной сборки были проведены испытания работоспособности модели с помощью сжатого воздуха, в результате которых было отмечено вращение коленчатого вала с высокой скоростью, что позволило перейти к испытаниям с использованием пара.

Главным параметром, который следовало замерить экспериментально, являлась частота вращения коленчатого вала, ранее теоретически принятая за 1000 об/мин. При отсутствии хотя бы элементарного стробоскопа была применена следующая, претендующая на оригинальность, методика. Было очевидно, что любой поршневой двигатель в процессе работы издает циклические звуковые гармоники, хорошо различимые даже на слух. Попросту говоря, двигатель «фырчит», как паровоз. Таким образом, записав звук работающего двигателя с помощью микрофона и обработав его в простейшей программе аудио-редакторе, стало возможным подсчитать число пиков и провалов акустической диаграммы на шкале времени на участке длинной в одну секунду. Приняв, что один цикл «фырчания» двигателя соответствует процессу выпуска пара из золотника одного цилиндра, а таковых выпусков пара приходится по два на один оборот, был получен результат 4200 об/мин. Это более чем в четыре раза превысило теоретически заданную величину, при том же заданном давлении пара в 2 атм.

Используя это экспериментально установленное значение в приведенных выше формулах, получим следующее:

N_i = 0,37 л.с. ,

N_эф = 0,28 л.с.,

Заключение и выводы.

Следует справедливо признать, что технологическая культура изготовления рассматриваемой модели была довольно низка. Большие зазоры в золотниках, отсутствие поршневых колец, невозможность до конца устранить несоосность кулаков и осей шатунов, недостаточная теплоизоляция – все это не могло не сказаться на снижении КПД. Тем не менее, полученный результат вплотную приближается к промышленным образцам начала XX века.

Приведенные выше расчеты позволяет предположить, что применив современные технологии металообработки, используемые в частности при производстве двигателей внутреннего сгорания, использовав вместо золотникового более совершенный клапанный механизм парораспределения, или даже прямой впрыск, управляемый компьютером, а так же используя наиболее экономичные прямоточные котлы, КПД парового двигателя возможно довести до бензиновых аналогов 20-25% или даже дизельных – до 40%.

При использовании современных материалов (керамика, пластики, композиты различных типов) исчезнут главные недостатки «паровиков»: значительные габариты, масса и относительная небезопасность котлов. Из недостатков, пожалуй, остается лишь довольно длительный по сравнению с ДВС запуск, обусловленный необходимостью набора рабочего давления, который, впрочем, так же может быть сведен к минимуму при использовании быстро испаряющихся рабочих жидкостей, и тех же прямоточных котлов.

Приняв во внимание все выше упомянутое, остается лишь предположить, что история классических паровых машин не остановилась вместе с последним паровозом. С дальнейшим развитием и удешевлением технологий «паровики» еще скажут свое слово, в том числе, возможно, и в автомобильной промышленности (особенно если авто начнут оборудовать «вечным» атомным котлом).

Список литературы.

Брошюра «Паровые двигатели для морских моделей». Романов И. 1951 г.

«Появление универсального парового двигателя», сайт studbooks.net

«История создания паровой машины и ее применение», сайт FB.ru: 

Просмотров работы: 940

Рассматриваемые к. п. д. можно разделить на две основные группы: абсолютные и относительные.

Абсолютные к. п. д. характеризуют степень использования в машине получен­ного паром тепла, а относительные к. п. д. характеризуют степень совершенства данной машины сравнительно с идеальной машиной, работающей по циклу Ренкина.

Абсолютные к. п. д. паровой машины показывают, какая доля тепла, полученного паром в котле, используется, превращаясь в инди­каторную или эффективную работу. Различают два абсолютных к. п. д. машины: индикаторный и эффективный. Слово «абсолютный» в дальнейшем будем опускать.

Индикаторный к. п. д. есть отношение тепла Q_i, пошед­шего на индикаторную работу реальной паровой машины, ко всему полученному паром теплу Q:

?_i = Q_i / Q .

Тепло, превращенное в течение часа в индикаторную работу,

Q_i = 632 N_i ккал/ч,

а полученное паром тепло

Q = В (i₁ — i‘₂) ккал/ч,

где D — расход пара паровой машиной в кг/ч;

i₁ — i’₂ — тепло, сообщенное 1 кг пара в паровом котле, в ккал/кг.

Следовательно,

?_i= 632N_i / D (i₁ – i’₂),    (I, 12)

или

?_i= 632 / d_i (i₁ – i‘₂),    (I, 13)

где d_i = В / N_i – удельный индикаторный расход пара в кг/л. с. ч.

Эффективный к. п. д. есть отношение тепла Q_e, израс­ходованного на эффективную работу, ко всему полученному паром теплу Q:

?_e = Q_e / Q

или

?_e = 632N_e / D (i₁ – i‘₂)     (I, 14)

и

?_e = 632 / d_e (i₁ – i‘₂)     (I, 15)

где d_e = В / N_e – удельный эффективный расход пара в кг/л. с. ч.;

?_e = ?_м ?_i , (I, 16)

так как

Оба эти абсолютные к. п. д. в зна­чительной мере зависят от парамет­ров пара при впуске и выпуске.

Практическое значение для совре­менных конденсационных машин ?_i = 0,13 ? 0,17 и ?_e = 0,11 ? 0,14, а для машин без конденсации ?_i = 0,1 ч- 0,12 и ?_e = 0,06 ? 0,1.

Относительные к. п. д. показывают отношение тепла, превра­щенного в работу в реальной паровой машине, к теплу, преобразо­ванному в работу паровой машины, работающей по циклу Ренкина.

Если две машины имеют, например, одинаковый ?_i то очевидно, что лучшей из них будет та, которая работает с меньшими начальными параметрами и с большим конечным давлением. В этих случаях оце­нить совершенство машин удобно по относительному к. п. д.

В реальной машине процесс расширения происходит не по адиабате 1—2 (фиг. 13), а по кривой 1 — А, поэтому разность энтальпии (i₁ — i₂) = h_т или располагаемый теплоперепад в идеальной машине больше, чем перепад тепла (i₁ — i₂^д) = h_д в действующей машине. Следовательно, в соответствии с определением относительного к.п.д. индикаторный относительный к. п. д.

Экономический к. п. д. паросиловой установки с паровой маши­ной для средних условий ~ 0,14. Для лучших машин средней или большой мощности ?_эк = 0,2 ? 0,21. При работе машины на генера­тор электрического тока и удельном расходе топлива b_э в кг/квт?ч электрической мощности экономический к. п. д. электростанции

КПД теплового двигателя рассчитывается по формуле $eta = frac{A_п}{Q_1}$ или $eta = frac{Q_1 — Q_2}{Q_1} cdot 100 %$, где
$A_п$ — полезная работа,
$Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя,
$Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику.

Когда говорят о коэффициенте полезного действия теплового двигателя, часто используют понятие мощности или полезной мощности: $N = frac{A_п}{t}$. Эту величину в жизни использовать удобнее, чем говорить о полезной работе. 

На данном уроке мы разберем решение задач, используя формулы, приведенные выше.

Для решения задач, в условиях которых, говорится о сжигании топлива ($Q = qm$), вам понадобятся табличные значения удельной теплоты сгорания топлива.

Задача №1

Какая работа совершена внешними силами при обработке железной заготовки массой $300 space г$, если она нагрелась на $200 degree C$?

$A — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №2

Приняв, что вся тепловая энергия угля обращается в полезную работу, рассчитайте какого количества каменного угля в час достаточно для машины мощностью $733 space Вт$?

$m — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №3

Нагреватель за некоторое время отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное $120 space кДж$. Тепловой двигатель совершает при этом полезную работу $30 space кДж$. Определите КПД теплового двигателя.

$eta — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №4

Нагреватель  отдает тепловому двигателю за $30 space мин$ количество теплоты, равное $460 space МДж$, а тепловой двигатель отдает количество теплоты, равное $280 space МДж$. Определите полезную мощность двигателя.

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №5

Паровой молот мощностью $367 space кВт$ получает от нагревателя в час количество теплоты, равное $6720 space МДж$. Какое количество теплоты в час получает холодильник?

$Q_2 — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №6

Мопед, едущий со скоростью $20 frac{км}{ч}$, за $100 space км$ пути расходует $1 space кг$ бензина. КПД его двигателя равен $22 %$. Какова полезная мощность двигателя?

$N — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №7

Определите КПД двигателя внутреннего сгорания мощностью $36.6 space кВт$, который сжигает в течение одного часа $10 space кг$ нефти.

Показать решение и ответ

Скрыть

Паровая машина мощностью $220 space кВт$ имеет КПД $15 %$. Сколько каменного угля сгорает в ее топке за $8 space ч$?

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №9

Современные паровые механизмы расходуют $12.57 space МДж$ в час на $735 space Вт$. Вычислите КПД таких механизмов.

$eta- ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №10

Мощность дизельного двигателя $367 space кВт$, КПД $30 %$. На сколько суток непрерывной работы хватит запаса нефти $60 space т$ такому двигателю?

$t — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть