История создания паровой машины и ее применение

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:

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

Как работает локомотив

Паровоз Строение паровоза

1. Топка
2. Дверь Топки
3. Колосники / Колосниковая Решетка
4. Поддувало – место для поддува воздуха
5. Уголь
6. Вода
7. Жаровые трубы
8. Регулятор
9. Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
10. Паровой купол
11. Главная Паровая Труба
12. Выхлопная труба
13. Взрывная Труба
14. Цилиндр
15. Поршень
16. Задвижка
17. Дымоход
18. Шатун
19. Рукоятка
20. Ведущее колесо
21. Паропровод для тормозов поезда
22. Боковые резервуары для воды
23. Песочница, для тяги по мокрым рельсам
24. Дымосборник
25. Предохранительный клапан

Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.

Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «огненных трубах» (144 штуки в случае Локомотива «Барклай»), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.

По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.

Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.

Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.

Рычаг «кривошипа» на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.

После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.

Источник

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

Сокращая расходы на топливо

Решение,
предложенное Уаттом, заключалось в следующем: надо добавить второй
цилиндр, называемый теплообменником, и соединить его с первым.
Отработанный пар будет конденсироваться в теплообменнике, а первый
цилиндр будет все время оставаться горячим — это сэкономит количество
потребляемого топлива. На деле оказалось, что двигатель Уатта расходует
лишь четверть того количества топлива, которое требовалось раньше.

Джеймс
Уатт был ученым и изобретателем, а не бизнесменом. Если бы не Мэтью
Болтон, замыслы Уатта так бы и остались в чертежах. Появившийся на свет
при финансовой поддержке Болтона теплообменник был только первым
вкладом Уатта в конструкцию паровой машины, за которым последовали
другие. Промышленная революция свела вместе изобретателей, у которых
были интересные идеи, и деловых людей, у которых были капиталы, чтобы
воплотить эти идеи в конкретные дела, приносящие доход.

Его
идеи не сразу принесли ему славу и богатство. Подобно многим другим
изобретателям, Уатт не мог найти денег, чтобы воплотить свои замыслы в
жизнь. Прошло двенадцать лет, прежде чем был продан первый из его
двигателей. В 1776 году Уатт стал партнером бирмингемского
промышленника Мэтью Болтона (1728—1809), и Болтон помог ему наладить
производство паровых машин.

И это было только начало.
Уатт продолжал улучшать и совершенствовать механизм и наконец изобрел
способ преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное.

ФАКТЫ И СОБЫТИЯ

• Первым
  паровым двигателем, использовавшимся в промышленности, был «Друг
  горняка». Он был запатентован в 1698 году Томасом Сэвери, горным
  инженером из Корнуолла.
• Когда Джеймс Уатт строил
  модель своего первого двигателя, он очень торопился. Не найдя
  необходимой детали, он взял у жены наперсток, чтобы закрыть им конец
  трубы.
• До своей встречи с Болтоном Уатт настолько
  потерял веру в успех, что отказался от идеи создания паровой машины и
  четыре года работал на строительстве каналов в Шотландии.
• Заслуги
  Уатта не ограничиваются тем, что он усовершенствовал паровую машину. Он
  изобрел способ копирования документов, основанный на химических
  процессах, который широко использовался на протяжении последующих ста
  пет.
• В 1784 году Уатт провел в свою контору трубы
  из котельной и пустил по ним горячий пар. Таким образом пар был впервые
  использован для центрального отопления.
• В 1789 году
  Уатт изобрел регулятор- устройство, позволяющее контролировать скорость
  работы паровой машины. Это позволило поддерживать постоянную скорость,
  не зависящую от температуры котла, и облегчило работу.
• В XIX веке в честь Джеймса Уатта была названа единица мощности — ватт.

Как устроен паровой двигатель. Принцип действия

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства.

Как устроен паровой двигатель показано на иллюстрации

Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Эксцентрик, находящийся на главном валу, через эксцентриковую тягу воздействует на золотник, который управляет впуском пара в цилиндре. Пар из цилиндра выбрасывается в атмосферу или направляется в конденсатор.

Чтобы поддерживать постоянное число оборотов вала, при изменении нагрузки, на паровых машинах устанавливают центробежный регулятор, он автоматически изменяет сечение прохода пара, направляемого в паровую машину (при дроссельном регулировании) или момент отсечки наполнения (при количественном регулировании).

Поршень создает в цилиндре парового двигателя одну (две) полости переменного объёма, в них и происходят процессы сжатия и расширения.

Эолипил — паровая турбина

 1Gai.Ru / STAFF

В работах Герона много потрясающих вещей, но что действительно изменило мир, так это эолипил (Геронов шар).

Слово, обозначающее «ветряной шар» (в буквальном переводе «шар бога ветров Эола»), стало названием особого устройства – первого в мире зарегистрированного образца парового двигателя, или реактивной паровой турбины. «С современной точки зрения устройство Герона является демонстрацией принципа ракеты, то есть реактивной силы – сфера вращается в ответ на эмиссию (выброс) пара», – объясняет Пол Кейзер, специалист по древней технике.

Механизм состоял из полой сферы, установленной так, чтобы иметь возможность вращаться, когда пар выходил из двух выпускных отверстий, расположенных на экваторе котла. Наполовину заполненная водой сфера приходила в движение, как только под ней зажигался огонь: крутящий момент создавался непосредственно за счет образующегося пара.

Youtube

Практическое применение эолипила Герона неизвестно, но большинство экспертов считают, что наряду с другими игрушками и изобретениями, описанными в «Pneumatica», он использовался для развлечения и вызывания ощущения чуда у зрителей. В его трудах нет четкого описания возможного использования прибора – Герон просто рассказывает, как его построить и как он работает.

Гарри Китсикопулус из Нью-Йоркского университета в своей книге «Инновации и распространение технологий: экономическая история ранней паровой энергии» рассуждает о том, что модифицированную версию эолипила могли использовать для создания храмовых чудес.

Немало дебатов впоследствии велось вокруг «шара». Даже высказывались сомнения в том, действительно ли Герон был первым, кто изобрел эолипил. И небезосновательно. К примеру, кумир Герона, Ктесибий (285 г. до н. э. – 222 г. до н. э.) написал несколько трактатов о природе сжатого воздуха и его использовании в насосах.

Позже Витрувий (около 80 г. до н. э. – 15 г. до н. э.) описал устройство, тоже называемое эолипилом, которое состояло из металлического шара, частично заполненного водой и помещенного над огнем для производства пара, вытесняемого из отверстия наверху.

Но он не описывает никаких движущихся частей, что является ключевым отличием от видения Герона, к тому же определяет свой эолипил в «De Architectura» как «научное изобретение для открытия божественной истины, кроющейся в законах небес». Эксперты уверены, что прибор, скорее всего, использовался для понимания погодных явлений и образования облаков.

Хотя эолипил Герона основывался на фундаментальной науке, лежащей в основе паровой энергии, он был довольно далек от двигателей, о которых европейцы мечтали в 17 веке. В качестве двигателя эолипил производил крайне незначительный крутящий момент, и метод его работы был неэффективным.

«Отсутствие надлежащей материальной базы надолго задержало использование пара для выполнения тяжелой работы, и никто не мог построить котел, способный выдерживать большое давление, примерно до середины 1700-х годов», – пишет Грегори Янг, который во время своего пребывания в должности инструктора и техника в Smith College помогал с созданием действующего эолипила.

Изобретение, опередившее свое время, не вписалось в римское общество. Имея в изобилии рабскую силу, император не видел необходимости в разработке машин, способных заменить бесплатно эксплуатируемых людей.

То же самое относилось к остальной Европе на протяжении веков, пока промышленная революция не вытолкнула мировой спрос за пределы средств производства. Только тогда пригодились паровые машины, способные компенсировать слабину.

Классификация

По назначению:

• Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
• Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
• Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

• газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы
• водотрубные котлы

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси подразделяются на:

• барабанные (с естественнойruen и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)
• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а теплоноситель омывает трубы снаружи.

Обозначения

Согласно , стационарные паровые котлы имеют следующую структуру обозначения:

Тип-D-P-T-FOН

• Пр — с принудительной циркуляцией (вода из барабана подаётся в испарительные поверхности специальными насосами);
• Прп — с принудительной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• Е — с естественной циркуляцией (под действием разности плотностей воды и пара);
• Eп — с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
• П — прямоточные;
• Пп — прямоточные с промежуточным перегревом пара;
• К — с комбинированной циркуляцией (в одних поверхностях естественная, в других принудительная);
• Кп — с комбинированной циркуляцией и промежуточным перегревом пара.

DПаропроизводительность котла, т/ч.PДавление на выходе из котла, МПа (ранее часто указывалось в кгс/см²)TТемпература на выходе из котла, °C (для котлов, генерирующих насыщенный пар, не указывается). Если температура после промперегрева отличается от температуры первичного пара, она указывается через дробь.FВид топлива (если топка не слоевая):

• К — каменный уголь и полуантрацит (тощий уголь);
• А — антрацит, антрацитовый штыб (шлам);
• Б — бурый уголь, лигниты;
• С — сланцы;
• М — мазут;
• Г — природный газ;
• О — отходы, мусор;
• Д — другие виды топлива.

OТип топки (для газомазутных не указывают, кроме «В»):

• Т — камерная топка с твердым шлакоудалением;
• Ж — камерная топка с жидким шлакоудалением;
• Р — слоевая топка (решетка);
• В — вихревая топка;
• Ц — циклонная топка;
• Ф — топка с кипящим (флюидизированным) слоем (стационарным и циркулирующим);
• И — иные виды топок, в том числе двухзонные.

Как Геронов шар стал началом развития паровых двигателей, которые изменили мир.

Почти за 1800 лет до начала промышленной революции древний инженер по имени Герон создал первый в мире паровой двигатель.

В давние времена культурная столица Римской империи Александрия, расположенная на средиземноморском побережье Египта, была местом зарождения и развития новых религий. Но именно здесь берет свое начало уникальное изобретение, которое в последующем перевернет мир. Речь идет о паровой машине Герона, созданной в 69 году н.эры.

Спустя почти полвека после правления Цезаря Августа империя приближалась к своему историческому пику, и новые религиозные течения начали проникать на ее территорию площадью 2,2 миллиона квадратных миль.

В городе быстро зарождались разнообразные мистические культы, практиковались новые формы поклонения и даже создавались совершенно новые боги из плавильного котла римских, греческих и египетских верований.

При таком количестве храмов, претендующих на звание истинных проводников божественной сущности, конкуренция за последователей была жесткой

Чтобы выделиться и привлечь внимание, греческие священники обратились к Герону, также известному как «механикос» («человек-машина»), с просьбой о разработке механизмов, демонстрирующих разные небесные и «божественные» явления

Wikipedia

Но грек-вундеркинд не полагался на благосклонность своего пантеона богов для создания невозможного. Вместо этого он использовал науку и инженерию, которые потом выпадут из поля зрения на многие сотни лет.

В древних храмах Герон применил силу гидравлики и пара, создавая поющих птиц, вспышки пламени и движущихся статуй в надежде внушить богобоязненным гражданам религиозный трепет.

В процессе создания таких рукотворных чудес он изобрел нечто, что изменило мир, – эолипил, также известный как Геронов шар или турбина. Это была, по сути, первая в мире паровая машина.

История парового двигателя

Первая паровая машина была построена в 1698 году английским военным инженером Томасом Савери (ок. 1650-1715). Его изобретение, предназначенное для откачки воды из угольных шахт, было известно как друг Шахтера. Машина, не имевшая подвижных частей, состояла из простого котла — паровой камеры, клапаны которой были расположены на поверхности — и трубы, ведущей к воде в шахте внизу. Вода нагревалась в камере котла до тех пор, пока ее пар не заполнял камеру, вытесняя любую оставшуюся воду или воздух. Затем клапаны были закрыты, и холодная вода была распылена по камере. Это охладило и сконденсировало пар внутрь для того чтобы сформировать вакуум. Когда клапаны были открыты, вакуум всасывал воду из шахты,и процесс мог быть повторен.

Несколько лет спустя английский инженер Томас Ньюкомен (1663-1729) усовершенствовал паровой насос. Он увеличил эффективность, установив движущийся поршень внутри цилиндра. Эта техника все еще используется и сегодня. Цилиндр — длинная, тонкая, закрытая камера, отделенная от котла. Цилиндр заменил большую, открытую камеру котла. Поршень — скользящая деталь, которая помещается в цилиндр. Он использовался для создания движения вместо вакуума. Пар заполнял цилиндр из открытого клапана. При заполнении вода в цилиндре распылялась, в результате чего пар внутри конденсировался в воду и создавал частичный вакуум. Давление наружного воздуха после этого двигало поршень вниз, что являлось достаточной силой для движения. Поршень был соединен с балкой, которая была соединена с водяным насосом на дне шахты насосной штангой. Через эти соединения движение поршня заставило водяной насос всасывать воду.

Наиболее важное усовершенствование конструкции парового двигателя было достигнуто шотландским инженером Джеймсом Уаттом (1736-1819). Он решил улучшить работу двигателя Ньюкомена и к 1769 году пришел к выводу: если пар конденсируется отдельно от цилиндра, цилиндр всегда можно держать горячим

В том же году он представил конструкцию парового двигателя, который имел отдельный конденсатор и герметичные цилиндры. Так как это поддерживало раздельные процессы нагрева и охлаждения, его машина могла работать постоянно, без какой-либо длительной паузы в каждом цикле для повторного нагрева цилиндра. Усовершенствованная конструкция парового двигателя Уатта (Watt) использует на треть меньше топлива, чем сопоставимый двигатель Ньюкомена.

В течение следующих 15 лет, Уатт продолжал совершенствовать свой двигатель и сделал три значительных дополнений. Он ввел центробежный регулятор, устройство, которое могло контролировать выход пара и скорости двигателя. Он сделал двигатель двойного действия, позволив пару входить поочередно с обеих сторон поршня. Это позволило двигателю работать быстро и доставлять мощность на нисходящий и восходящий ход поршня. Самое главное, он прикрепил маховик к двигателю.

Маховики позволяют двигателю работать более плавно, создавая более постоянную нагрузку, и они преобразуют обычный ход назад и вперед в круговое (вращательное) движение, которое может быть легко адаптировано к Силовым машинам. К 1790 году усовершенствованный паровой двигатель Ватта стал мощным и надежным источником энергии, который можно было найти практически в любом месте. Он использовался для накачки сильфонов для доменных печей, для приведения в действие огромных молотков для формования и упрочнения кованых металлов, а также для поворота машин на текстильных заводах. Более того, именно паровой двигатель Уотта ускорил промышленную революцию как в Англии, так и во всем остальном мире.

Пар был успешно адаптирован к моторным лодкам в 1802 году и железным дорогам в 1829 году. Позже некоторые из первых автомобилей были приведены в действие паром. В 1880-х годах английский инженер Чарльз А. Парсонс (1854-1931) создал первую паровую турбину, новую паровую технологию, которая была более эффективной и которая позволила паровому двигателю развиться в очень сложный и мощный двигатель, который приводил в движение огромные корабли и управлял турбогенераторами, которые поставляли электричество.

Как доминирующий источник энергии, паровые двигатели в конечном счете стали менее популярны, поскольку другие источники энергии стали доступными. Хотя между 1897 и 1927 годами в Соединенных Штатах было произведено более 60 000 паровых автомобилей, паровой двигатель в конечном итоге уступил место двигателю внутреннего сгорания в качестве источника питания для транспортных средств.

Источник