Оглавление
Поршень крутит колесо
Поршни машины Уатта 1765-1776 гг. совершали лишь одно рабочее движение (вниз) и работали рывками. В разработке системы передачи, переводящей прямолинейное движение поршня во вращательное движение рабочего колеса-маховика Уатта опередил некий Пикар, рабочий его завода. Он изобрёл удобный кривошипно-шатунный механизм, передающий движение от поршня к маховику. Теперь, вращая маховик, поршень совершал полезную работу при движении и вниз, и вверх — энергия двигателя стала использоваться полностью. Снабжённые колёсами машины Уатта нашли спрос как двигатели для мельниц, прядильных и ткацких станков, дисковых пил на лесопилках и пр.
Кривошипно-шатунный механизм.
Поршень (а) с помощью особого механизма — «параллелограмма Уатта» (6) — заставлял качаться коромысло (в). К другому плечу коромысла подвижно крепился шатун (г), также подвижно связанный с кривошипом (д), прочно насаженным на ось (е) маховика. Опускаясь и поднимаясь, плечо коромысла заставляло шатун вращать кривошип и проворачивать маховик.
Технология
Котел в Stanley Steamer Serie 740 1924 года выпуска, справа конденсатор.
Паровой двигатель представляет собой двигатель внешнего сгорания (ЕС: топливо сгорает от двигателя), в отличие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС: топливо сгорает в двигателе). В то время как автомобили с двигателем внутреннего сгорания с бензиновым двигателем имеют рабочий тепловой КПД от 15% до 30%, первые автомобильные паровые агрегаты были способны обеспечивать только половину этого КПД. Существенным преимуществом ECE является то, что топливная горелка может быть настроена на очень низкие выбросы монооксида углерода , оксидов азота и несгоревшего углерода в выхлопных газах, что позволяет избежать загрязнения.
Самые большие технические проблемы, связанные с паровой машиной, были связаны с ее котлом . Это составляет большую часть общей массы автомобиля, что делает автомобиль тяжелым (автомобиль с двигателем внутреннего сгорания не требует бойлера) и требует внимательного внимания со стороны водителя, хотя даже автомобили 1900 года имели значительную автоматизацию, чтобы справиться с этим. Единственное самое большое ограничение — это необходимость подачи питательной воды в котел. Его нужно либо носить с собой и часто пополнять, либо автомобиль также должен быть оснащен конденсатором , что увеличивает вес и создает неудобства.
До изобретения электростартера в США паровые и электрические автомобили превосходили по продажам автомобили с бензиновым двигателем , поскольку в автомобилях внутреннего сгорания для запуска двигателя использовался ручной кривошип, что было трудно, а иногда и опасно, поскольку неправильный запуск двигателя мог вызвать возгорание, способное сломать руку оператора. Электромобили были до некоторой степени популярны, но имели небольшой запас хода, и их нельзя было заряжать в дороге, если батарейки разряжались.
Как только было достигнуто рабочее давление, первые паровые машины можно было мгновенно тронуть с большим ускорением, но им обычно требуется несколько минут, чтобы запустить из холодного состояния, плюс время, чтобы разогреть горелку до рабочей температуры . Чтобы преодолеть это, разработка была направлена на испарительные котлы , которые нагревают гораздо меньшее количество воды для запуска транспортного средства, а в случае автомобилей Doble — дизельные горелки с искровым зажиганием.
У паровой машины есть преимущества перед машинами с двигателем внутреннего сгорания, хотя большинство из них сейчас менее важно, чем в начале 20 века. Двигатель (без котла) меньше и легче двигателя внутреннего сгорания
Он также лучше подходит для характеристик скорости и крутящего момента оси, что позволяет избежать необходимости в тяжелой и сложной трансмиссии, необходимой для двигателя внутреннего сгорания. Паровоз также тише, даже без глушителя .
Пар завоевывает мир
Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.
Это
был настоящий прорыв. Вращательное движение могло найти гораздо более
широкий круг применений. От коленчатого вала можно при помощи приводных
ремней передать движение на ткацкие и другие станки. Теперь пар мог
заставить крутиться колеса самодвижущихся экипажей.
Первые
попытки использовать пар для создания новых средств передвижения были
предприняты в 70-х годах XVIII века. Эти машины передвигались по
дорогам, но пройдет немного времени, и люди найдут другое применение
паровому двигателю— железные дороги. Уатт дожил до 1819 года и мог
увидеть начало промышленной революции, которую подтолкнуло его
изобретение, но он не дожил шести лет до начала эры железных дорог.
Вариант №3
Человек издревле являлся любителем облегчить свой труд. Стремясь нарастить объемы производства или же просто ускорить трудоемкие процессы, люди стали использовать ветряные или водяные мельницы или же труд крупного рогатого скота. Настоящая промышленная революция началась с применением паровых машин, можно сказать, что именно она явилась предвестником научно-технического прогресса.
Еще в 1 веке до н.э. были предприняты попытки создать преобразователь тепловой энергии в механическую. В Древней Греции некий Герон описывал шарообразное устройство, которое было заполнено водой и имело несколько форсунок. Сфера имела вертикальную ось и под ней размещали костер. Нагревая воду и повышая давление внутри, они способствовали вырыванию пара из этих форсунок, что благодаря третьему закону Ньютона приводило сферу в движение. Однако, коэффициент полезного действия данной машины оставлял желать лучшего. Но тем не менее, она работала. Даже не смотря на то, что не приносила практической пользы. Возможно именно по этой причине, развитие парового двигателя было забыто на следующие полторы тысячи лет.
Лишь в начале 18 века, начали появляться прототипы паровых машин с достаточно высоким коэффициентом полезного действия. Впервые цилиндрическая машина работающая на водяном пару была создана инженером испанского происхождения Джиронимо Аянс Де Бомонтом а первый патент на паровую машину зарегистрирован в 1698 году англичанином Сэйвери.
Именно его работа была взята за основу, при создании следующей паровой машины в 1712году. Но с одной необычной, для наших времен, особенностью. Клапана регулировались присутствующим работником, который открывал и закрывал их в определенные моменты. Лишь через 3 года система была усовершенствована молодым работником Поттером и доведена до «автоматизма». Все вышеперечисленные машины использовались лишь для подъема воды. Принцип работы был достаточно прост. В цилиндр попадал горячий пар и поднимал поршень вверх, после чего цилиндр охлаждался холодной водой, создавая тем самым разреженную «атмосферу» внутри цилиндра. Из-за разницы давлений поршень снова опускался вниз.
Настоящую научно-техническую революцию того времени совершил физику, инженеру и изобретателю Джеймсу Ватту. Он сумел создать паровую машину, которая употреблялась в более обширных областях. Именно его машины были первыми водружены на паровозы и пароходы. Выходец из Шотландии, преодолевая финансовые трудности, сумел достичь успеха. Ватт, пришел к мнению что можно использовать энергию пара вместо охлаждения цилиндра и разработал кривошипный шатунный механизм, который поднимал и опускал поршни под воздействием пара. Она была названа в честь своего изобретателя Джеймса Ватта «Универсальная паровая машина». Двигатели с такой системой имели не только колоссальную востребованность и успех, но и применяемая во многих отраслях.
Стоит отметить тот факт, что наши соотечественники также разрабатывали свои паровые машины. Всем известная машина Ползунова тоже работала на пару, ее строительство затянулось, и к началу работы изобретатель не дожил. Проработала данная машина всего около 40 дней после чего ее демонтировали.
Таким образом можно мы можем что паровые машины имели свое начало еще задолго до Джеймса Ватта, Ползунова или других изобретателей пытавшихся или создавших данное устройство, но вне зависимости от своих результатов все они внесли свой непосильный вклад в развитие не только машиностроительной промышленности но и науки в целом.
8 класс
История изобретения
Краткое содержание сообщения о создании первых паровых машин следует начать с упоминания Герона Александрийского. Еще в первом веке нашей эры этот удивительный древний ученый кратко описал устройство, которое приводил в движение пар. Он назвал его «эолипил» — управляемый ветром. Выходящие из клапанов потоки горячего пара приводили конструкцию в действие. Греки не знали, что такое пар, и считали, что вода при нагревании переходит в горячий воздух. Поэтому Герон был уверен, что из сопла его машины вырывается горячий ветер.
Также Герон был первым, кто употребил паровой двигатель в качестве водяного насоса. Кстати, многие исследователи полагают, что открытие Герона могло уже в те времена спровоцировать начало промышленной революции, однако практического применения эти машины в древнем мире не нашли. Почему? Скорее всего, за отсутствием необходимости, так как труд рабов и животных был гораздо дешевле, чем изготовление каких-либо машин, к которым относились не более, как к игрушкам.
Многие ученые пытались обратить мощную энергию кипящей воду на службу человечеству. Вот имена некоторых первопроходцев, работавших над созданием и усовершенствованием паровых механизмов:
- Архимед — увлеченный грек придумал паровую пушку однократного действия. Он назвал ее «супергром» — архитронито. Эскизы похожего устройства также были найдены в рукописях Леонардо да Винчи, который был в первую очередь придворным изобретателем, и только во вторую — гениальным живописцем.
- Таги-аль-Диноме — арабский физик, философ, астроном, инженер. В шестнадцатом веке создал машину, напоминающую паровую турбину. Лопасти вращались посредством направленных на них потоков пара.
- Архитектор Дж. Бранка в 1629 году опубликовал книгу «Различные машины». В ней описан аналог двигателя Герона, который использовался, как паровая ступа: к турбине был подсоединен привод для дробления руды.
- Дени Папен — доктор, физик, в семнадцатом веке сконструировал первый в мире паровой двигатель.
- Оливер Эванс — усовершенствовал двигатель, использовав вместо вакуума пар высокого давления
- Джеймс Уатт — изобретатель, инженер. В конце восемнадцатого века изобрёл тепловой двигатель, улучшенную паровую машину. Именно он мог бы стать создателем первого в мире транспортного средства на базе парового двигателя, но проект показался ему слишком опасным и рискованным, вследствие чего не был реализован.
- Никола Жозеф Кюнью — французский военный инженер, в 1769 году создал прародительницу всех безлошадных средств передвижения. Вес этой деревянной повозки составлял порядка 2800 кг. Конструкция имела два поршня, пара хватало на 15 минут. История с грузовиком Кюньо закончилась не очень удачно — он врезался в стену, так как тормозов не было.
История изобретения паровых машин знала многих неевропейских ученых. Первый похожий на современную турбину, приводимую в движение паром, механизм был изобретен в Египте в середине 1500-х годов физиком Таги-аль-Диноме. Немного позже в Италии было представлено похожее решение.
Преимущества
Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.
История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла. Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.
Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.
В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.
Области применения[править | править код]
Паровой молот
Вплоть до середины XX в. 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 (см. паровоз); водный транспорт (см. пароход), 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 раздельными 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, так как не требует коробки скоростей, однако она не получила здесь распространения из-за некоторых не разрешённых конструктивных трудностей.
Полная автоматизация
Работу первых двигателей Уатта приходилось контролировать. Надо было следить, чтобы машина работала равномерно, не развивая слишком большую мощность, для замедления вращения маховика или качания коромысла время от времени приходилось прикрывать клапан подачи пара. Также вручную открывались и закрывались клапаны подачи и отвода пара из главного цилиндра. В машине 1784 г. Уатт автоматизировал оба эти процесса: регулятор подачи пара он изобрёл сам, а в автоматизации парораспределения Уатту помог его сотрудник, механик Уильям Мердок, придумавший золотник — устройство, направляющее поток пара.
Морские паровые машины
(В первой редакции простые ПМ не рассматривал.До первого коммента ( погибшего).Действительно — никто не мешает сделать тотж «Новик» аж на 4х винтах , влепив 4 компаунда. Но одноцилиндровая — все таки на мой взгляд перебор)
Выбрасывать воду в виде пара на море- довольно расточительно. Корабль- не мельница на речке- пресной воды нет (те конечно есть — но её достаточно мало). Можно, конечно, питать котлы заборной водой, но сразу встает вопрос засоления трубок котлов. И придумали оригиальну вещь . Пар из первого цилиндра ( раширившись и совершив какую-то работу) идет во второй цилиндр и делает уже работу там . Опять расширившись он не выбрасывается в атмосферу а идет в холодильник , где конденсируется до состояния воды и идет обратно в котел. Так появились машины двойного расширения. Добавив третий цилиндр- получили машины тройного расширения.
Потом подобный девайс еще усовершенствовали- разделили цилиндр низкого давления на два .
Эту схему,применяли гтам, де один цилиндр низкого давления становился слишком большим при литье. Это также удобно для более действенной балансировки двигателя.
Хронология развития паровых двигателей
Wikipedia
Постепенно «Пневматика» расходилась по Европе. Саломон де Косс, французский гугенот и инженер, которому тоже приписывали изобретение паровой машины, в свое время прочитал трактат Герона в Италии.
Ознакомился с ним и немецкий теолог Мальтезий, упомянувший эолипил в одной из своих проповедей в 1571 году. К 1640-м годам научный труд пережил пять переизданий в одной только Англии. Вторая половина 16 века ознаменовалась повторным открытием энергии пара, и инженеры по всей Европе занялись активным поиском ее применения в механике.
Благодаря популяризации работ Герона эолипилы стали довольно распространенными, и люди использовали их для плавления стекла и металла, разжигания очагов в домах и улучшения тяги дымоходов.
Затем, в 1689 году, английский изобретатель Томас Севери разработал первый в мире современный паровой двигатель в виде насоса для удаления воды из шахт. Его устройство, использующее два паровых котла, обеспечивало почти непрерывную откачку.
Однако успех длился недолго – вскоре было обнаружено, что система Севери работает только на мелководье. В 1711 году другой британец, Томас Ньюкомен, усовершенствовал конструкцию, добавив отдельный цилиндр с поршнем. Его система устранила необходимость в накопленном давлении пара.
Паровой двигатель Ньюкомена оставался бессменным в течение следующих 50 лет и использовался для осушения водно-болотных угодий и подачи воды в города, а также для питания энергией фабрик и заводов.
Несмотря на свое превосходство, двигатель Ньюкомена не был лишен недостатков – в частности, того, что он потребляет огромное количество пара. Недочет был исправлен в 1769 году шотландским экспериментатором Джеймсом Уаттом, который предложил свой способ поддерживать постоянную температуру в паровом цилиндре. Улучшение Ватта привело к быстрому распространению паровой энергии в Великобритании и США, положив начало промышленной революции.
Помимо прочего, некоторые версии его двигателя использовались в ранних автомобилях и поездах. К 1800-м годам пар питал большинство мельниц, дробилок, пивоварен, заводов и фабрик. Эта технология заложила основу того техномира, который мы видим сегодня.
Эолипил как по внешнему виду, так и по функциям, конечно, сильно отличался от паровых машин будущего. Вместо применения в повседневной жизни Герон использовал силу пара для мистификации и просвещения. Он не знал, что идеи, заложенные в его изобретениях, однажды изменят мир.
Попытки практического использования
Эдвард Сомерсет показал паровое устройство для подъёма воды на высокие строения, но проект не получил финансирования и был отложен. Француз Дени Папен проводил опыты по отводу воздуха из цилиндра посредством взрыва пороха и сделал вывод, что вакуум создается в процессе парообразования. Для автоматизации процесса он использовал постоянно нагреваемый котел с водой. Это стало его изобретением. Также ученый создал предохранительный клапан.
Научный прогресс неизбежно следует за осознанием необходимости перемен. В Англии такая срочная нужда как раз назревала, так как угледобывающая промышленность страны оказывалась невыгодной из-за огромной стоимости откачки воды из рудников. Просто необходимо было придумать способ решить эту проблему, заменив силу лошадей на более рациональное решение.
Военный инженер Томас Севери создал первый паровой агрегат, откачивающий воду из рудников. Он получил патент на свою так называемую «огненную машину» в 1698 году. В машине Севери, как и у Герона, использовались избыточное давление пара и вакуум, возникающий при конденсации. Также он сконструировал устройство для пожаротушения, но и оно продержалось недолго — его признали опасным. Главным минусом было то, что от высокого давления резервуар с жидкостью мог взорваться, именно это отпугивало людей от нововведений.
Однако настоящий переворот произвели поршневые паровые механизмы. Томас Ньюкомен, выходец из народа, кузнец по профессии, инженер-самоучка, изучил достоинства и недостатки машин Севери, когда устанавливал их на рудниках. В 1712 году он изобрел приспособление на базе двигателя Севери для откачки воды из глубоких шахт, которое можно назвать поршневым атмосферным двигателем. Оно было популярно и пользовалось успехом, так как проблема с затоплением шахт требовала решения. Недостаток таких машин заключался в их громадных размерах и ничтожном КПД.
Это только начало
Джеймс Уатт в молодости со своим ранним паровым двигателем.
Полторы тысячи лет эолипил вместе с остальными уникальными творениями Герона оставался забытым. В Европе шли темные века.
Позже, в эпоху Возрождения, когда католическая церковь ослабила жесткую хватку на горле науки, «magnum opus» Герона вернулись к жизни. Сообщается, что в 1543 году Бласко де Гарай, ученый и капитан испанского флота, представил императору Священной Римской Империи устройство, которое, как он утверждал, могло двигать корабли в отсутствие ветра.
Предполагается, что изобретение де Гарая, состоящее из медного котла, приводившего в движение вращающиеся колеса с обеих сторон корабля, было эолипилом. Его предлагалось сочетать с размещением гребных колес на бортах лодки – практика, используемая с римского периода.
Знание испанца о давно забытом «героновом шаре» в то время было бы удивительным, но не невозможным. Несколько лет спустя в мире, начиная с Италии, появилось множество переводов «Pneumatica», в том числе Болонское издание 1547 года.
Применение
До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.
Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:
- сахарные;
- спичечные;
- бумажные фабрики;
- текстильные;
- пищевые предприятия (в отдельных случаях).
Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.
В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.
Транспорт с паровым двигателем:
- автомобиль;
- трактор;
- экскаватор;
- самолет;
- локомотив;
- судно;
- тягач.
Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.
Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга
Изобретения Томаса Ньюкомена
Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.
Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.
Кратко можно пояснить созданную модель так:
- Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
- Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
- Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.
Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.
В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.
Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.
