Реферат на тему паровой двигатель

Обновлено: 02.07.2024

Паровая машина — 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.

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей. Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

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.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

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

Типы двигателей

Двигатели бывают двух основных типов:

двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины;
двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах).

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать.

Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель.

Как работает паровой двигатель

Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.

Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.

Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.

Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них - наиболее очевидных.

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями).

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую.

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Как работает локомотив

Топка
Дверь Топки
Колосники / Колосниковая Решетка
Поддувало – место для поддува воздуха
Уголь
Вода
Жаровые трубы
Регулятор
Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
Паровой купол
Главная Паровая Труба
Выхлопная труба
Взрывная Труба
Цилиндр
Поршень
Задвижка
Дымоход
Шатун
Рукоятка
Ведущее колесо
Паропровод для тормозов поезда
Боковые резервуары для воды
Песочница, для тяги по мокрым рельсам
Дымосборник
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.

Паровые двигатели используют горячий пар из кипящей воды для перемещения поршня (или поршней) вперед и назад. Затем движение поршня использовалось для привода машины или вращения колеса. Чтобы создать пар, большинство паровых двигателей нагревало воду, сжигая уголь.

Важность парового двигателя в промышленности

Паровой двигатель способствовал промышленной революции. До появления энергии пара большинство фабрик и мельниц работали на воде или ветре. Вода была хорошим источником энергии, но фабрики должны были располагаться возле реки. И вода, и энергия ветра могут быть ненадежными, так как иногда реки могут высыхать во время засухи или замерзать зимой,а ветер не всегда дует.
Мощность пара позволяла фабрикам размещаться где угодно. Он также обеспечивал надежное питание и мог использоваться для питания больших машин.

Кто изобрел паровой двигатель?

Один из первых паровых двигателей был изобретен Томасом Савери в 1698 году. Он был не очень полезен, но другие изобретатели со временем сделали его улучшение. Первый полезный паровой двигатель был изобретен Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Двигатель Ньюкомена использовался для откачки воды из шахт.Высокоскоростной паровой
двигатель Porter-Allen был популярен в конце 1800-х и начале 1900-х годов.
Мощность пара действительно выросла благодаря усовершенствованиям, сделанным Джеймсом Уаттом в 1778 году. Паровая машина Watt значительно повысила эффективность паровых двигателей. Его двигатели меньше и используют меньше угля. К началу 1800-х годов паровые двигатели Watt использовались на заводах по всей Англии.

Где использовался паровой двигатель?

На протяжении 1800-х годов паровые двигатели были усовершенствованы. Они стали меньше и эффективнее. Большие паровые двигатели использовались на заводах и мельницах для питания машин всех типов. Меньшие паровые двигатели использовались в транспортировке, включая поезда и пароходы.

Паровые двигатели все еще используются сегодня?

Паровой двигатель был в значительной степени заменен электричеством и двигателем внутреннего сгорания (бензин и дизель). Некоторые старые паровые двигатели до сих пор используются в старинных локомотивах.
Тем не менее, паровая энергия все еще широко используется во всем мире для различных отраслях. Многие современные электростанции используют пар, образующийся при сжигании угля, для производства электроэнергии. Кроме того, атомные электростанции используют пар, вырабатываемый в результате ядерного синтеза, для производства электроэнергии.

Описание, характеристика и значение паровых машин. Первое известное устройство, приводимое в движение паром. История создания и развития паровых машин. Первые промышленные двигатели, их характеристика и описание применения в промышленности. Паровой молот.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	09.12.2008
Размер файла	409,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Паровая машиина -- тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. В более широком смысле паровая машина -- любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Значение паровых машин

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

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.

Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива -- от дров до урана.

Изобретение и развитие

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таги-аль-Дином. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 г. 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.

Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Йеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т.Сейвери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 г. англичанином Эдвардом Сомерсетом[3]. В 1663 г. 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 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Проект Дени Папена для машины с поршнем и цилиндром, 1680.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-ых 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 г. 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, как демонстрационная модель, но 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 Таги-аль-Дина и Сейвери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Первые промышленные двигатели

Схема работы паровой машины Ньюкомена.

- Пар показан лиловым цветом, вода - синим.

- Открытые клапаны показаны зелёным цветом, закрытые - красным

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. Клапаны ранних двигателей Ньюкомена открывались и закрывались вручную. Первым усовершенствованием было автоматизация действия клапанов, которые приводились в движение самой машиной. Легенда рассказывает, что это усовершенствование было сделано в 1713 году мальчиком Хэмфри Поттером, который должен был открывать и закрывать клапаны; когда это ему надоедало, он связывал рукоятки клапанов верёвками и шёл играть с детьми. К 1715 году уже была создана рычажная система регулирования, приводимая от механизма самого двигателя.

В России в 1764 году механик Иван Иванович Ползунов создал паровую машину для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Хэмфри Гэйнсборо в 1760-ых годах построил модель паровой машины с конденсатором. В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт (возможно, использовав идеи Гейнсборо) запатентовал первые существенные усовершенствования к вакуумному двигателю Ньюкомена, которые сделали его значительно более эффективным по расходу топлива. Вклад Уатта заключался в отделении фазы конденсации вакуумного двигателя в отдельной камере, в то время как поршень и цилиндр имели температуру пара. Уатт добавил к двигателю Ньюкомена ещё несколько важных деталей: поместил внутрь цилиндра поршень для выталкивания пара и преобразовал возвратно-поступательное движения поршня во вращательное движение приводного колеса.

На основе этих патентов Уатт построил паровой двигатель в Бирмингеме. К 1782 году паровой двигатель Уатта оказался более чем в 3 раза производительнее машины Ньюкомена. Повышение эффективности двигателя Уатта привело к использованию энергии пара в промышленности. Кроме того, в отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта позволил передать вращательное движение, в то время как в ранних моделях паровых машин поршень был связан с коромыслом, а не непосредственно с шатуном. Этот двигатель уже имел основные черты современных паровых машин.

Паровые машины высокого давления

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.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления, двойного действия. Отбор мощности осуществляется приводным ремнем:

5 -- Коленчатый вал

6 -- Эксцентрик для привода клапана

9 -- Центробежный регулятор.

Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одинарного 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 поочередно подается 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 легким 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.

Двухцилиндровая паровая машина спроектирована И. И. Ползуновым в 1763 году.

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

Машины с переменным режимом, к которым относятся машины 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 использовались для привода различных типов транспортных средств, среди них:

2)Сухопутные транспортные средства:

7)Паровой экскаватор, и даже

В России первый действующий паровоз был построен Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне-Тагильском заводе в 1834 году для перевозки руды. Он развивал скорость 13 вёрст в час и перевозил более 200 пудов (3,2 тонны) груза. Длина первой железной дороги составляла 850 м.

Преимущества паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. 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.

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 в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

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. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

Коэффициент полезного действия

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

Wout -- механическая работа, Дж;

Qin -- затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается 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 30 - 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 - 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных 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.

Подобные документы

История развития швейной машины, надежность машин производства компании "Зингер". Общие сведения о механизмах швейной машины. Типы челночного устройства. Устройство швейной машины и принципы ее работы. Разновидности швейных машин и их предназначение.

курсовая работа [2,4 M], добавлен 10.11.2010

Понятие паровой машины как теплового двигателя внешнего сгорания, преобразующего энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. Этапы развития и значение данных машин.

презентация [286,4 K], добавлен 25.10.2013

Система автоматического регулирования и контроля тепловой нагрузки. Описание монтажа и наладки системы автоматического регулирования. Требование к месту монтажа котла. Основные этапы монтажа котлов. Режимная и технологическая наладка паровых котлов.

курсовая работа [927,9 K], добавлен 19.09.2019

Паровая машина как первый механический двигатель, нашедший практическое применение. Первая удачная паровая машина с поршнем. Газовые тепловые двигатели. Схема двигателя Стирлинга. Чертеж паровой машины И.И. Ползунова. Эволюция паровой машины Дж. Уатта.

реферат [1019,0 K], добавлен 02.04.2009

Специфика разрушения породы при вращательном бурении. Сфера использования машин вращательного бурения, их классификация и конструктивные особенности. Машины ударного бурения. Описание особенностей отбойного молотка как ручной машины ударного действия.

реферат [2,5 M], добавлен 25.08.2013

Общие сведения о бытовых стиральных машинах. Основные сборочные единицы. Описание стиральных машин типа СМ, типа СМП, типа СМА, полуавтоматических стиральных машин барабанного типа. Разновидности марок машин. Ведущие фирмы-производители стиральных машин.

контрольная работа [36,3 K], добавлен 02.12.2009

Типовые элементы швейной сборочной операции. Особенности швейных машин для выполнения операций некоторых групп. Основные принципы совершенствования швейных машин. Оборудование для выполнения операций в автоматическом режиме. Столы для швейных машин.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное образовательное автономное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 12 им. П.Ф. Дерунова

Исследовательская работа

Борисова Ольга Игоревна

Актуальность работы:

В древности машины и механизмы приводились в действие мускульной силой человека и лошадей или силой водяных колёс и ветряных мельниц. Для облегчения и повышения производительности труда человек обуздал водяной пар и создал паровой двигатель. В настоящее время в век электричества и атомной энергии сила водяного пара еще не утратила своего значения и паровые машины достигли совершенства и применяются в электроэнергетике на ТЭЦ, ГРЭС и АЭС. Я думаю, когда исчерпается уголь, газ и нефть, человечество перейдет на использование АЭС, где пока невозможно отказаться от пара!

Цель исследования : Изучить устройство и принцип работы парового двигателя на самостоятельно собранной модели.

Объект исследования : паровой двигатель.

Предмет исследования : Устройство и принцип работы парового двигателя.

Гипотеза : Предположим, что своими руками возможно построить механизм, работающий на пару.

1. Познакомиться с историей изобретения и применения первых паровых двигателей.

2. Изучить устройство и принцип работы парового двигателя.

3. Собрать модель парового двигателя (механизм, работающий на пару).

4. Провести наблюдение, как пар приводит в движение паровую машину.

5. Проанализировать результаты проведенного опыта, сделать выводы в соответствии с полученными результатами.

Методы исследования: изучение литературы и поиск материалов в сети Интернет, сборка и исследование модели, эксперименты, наблюдения, анализ информации.

Описание работы:

В работе изучается история создания парового двигателя для понимания эволюции паровых устройств, их слабых и сильных сторон. Описывается устройство парового двигателя и основные принципы его работы для возможности самостоятельной сборки модели приводимой в движение силой водяного пара. Практическая значимость состоит в том, чтобы показать одноклассникам силу водяного пара.

Паровой двигатель – это тепловой двигатель, приводимый в действие силой давления водяного пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для создания давления, которое заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах и вращать вал.

Схема парового двигателя:

1 - поршень,

2 - поршневой шток,

8 - скользящий клапан,

9 - центробежный регулятор

Для работы паровой двигатель необходим паровой котёл. Расширяющийся пар в полостях цилиндра давит на поршень, движение которого передаётся другим механическим частям. 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. Тяга приводит в движение скользящий клапан 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.

Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.

Основным преимуществом паровых двигателей в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) – хворост, дрова, уголь, мазут, газ, урановое топливо, теплота земли или сконцентрированный солнечный луч.

Среди других положительных качеств парового двигателя:

· допустимость продолжительных перегрузок;

· низкие расходы на эксплуатацию;

· простота в обслуживании.

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность.

5.1 Сборка модели парового двигателя

Изучив принцип работы паровых двигателей и прочитав инструкцию, я собрал из конструктора модель паровой машины.

Используемые материалы и ход работы описан в приложении ( Приложение Б ).

В ходе опыта я на основании закрепил корпус для цилиндров и поршней и генератор со светодиодом. Смонтировал котел с помощью двух держателей корпуса. Соединил цилиндр с колесом трубками. Колесо подсоединил к генератору. К генератору подключил светодиод. Паровая машина готова к использованию.

Шприцом заполняем котел водой и закрываем плотно клапан. Наливаем спирт в спиртовку и вставим фитиль. Зажигалкой поджигаем фитиль и ждем пока вода закипит.

Через 2 минуты пар начинает поступать в цилиндр. Можно помочь пальцем подтолкнуть зубчатое колесо, чтобы быстрей загорелся светодиод.

Чем сильнее горит пламя спиртовки, тем ярче горит светодиод. Паровая машина будет работать, пока не кончится вода в котле. После этого необходимо потушить спиртовку палочкой.

5.2 Сборка парового толкателя из подручных материалов

Мною сделана попытка сконструировать паровой механизм для перемещения предметов из канализационных труб и латунного штуцера.

Используемые материалы и ход работы описан в приложении ( Приложение В ):

В ходе опыта я собрал детали парового механизма:

· Цилиндр – из муфты серой соединительной;

· Поршень – их патрубка и заглушки белого цвета;

· Котел – из латунного штуцера и латунной заглушки.

Затем я собрал паровой механизм и провел его испытания. Паровой механизм получился герметичным за счет использования переходной резиновой муфты и в ходе испытаний не было утечки пара.

Опыт показывает, когда вода кипит и превращается в пар в герметичной емкости, она заставляет двигаться поршень, который в свою очередь может перемешать предметы. Опыт проводил несколько раз, заливая в цилиндр воду различного объема и температуры. Если в цилиндр залить холодную воду, то перемещения поршня приходится долго ожидать (4 минуты). Если залить кипяток, то перемещение поршня начинается через 30 секунд.

Чем сильней горит огонь и быстрей вода превращается в пар, тем с большей силой цилиндр толкает предметы. Водяной пар может приводить в движение различные предметы

Исследовательская работа, которую я провёл по данной теме, мне понравилась, и я хочу её продолжить, так как есть еще много вопросов, которые, как мне кажется, будет интересно проверить, в том числе экспериментальным путем. В результате проделанной работы я:

· Изучил устройство и принцип работы парового двигателя на самостоятельно собранной модели паровой машины;

· увидел, как водяной пар под действием давления может приводить в движение паровую машину, а та через редуктор и генератор заставляет светиться светодиод;

· Выявил преимущества и недостатки парового двигателя;

· Изучил историю создания парового двигателя;

· Своими руками построил из водопроводных труб паровой толкатель, который преобразует энергию пара в передвижение предмета.

Моя гипотеза подтвердилась, что своими руками возможно построить механизм, работающий на пару.

Теперь я понимаю, как работает паровой двигатель в паровозе. Изобретение парового двигателя в 18 веке стало главным толчком развития промышленности по всему миру. Со своей семьей совершили путешествие на ретро-паровозе из Рыбинска до Ярославля. Мне очень понравилось это путешествие. В будущем я попробую построить более сложную модель парового механизма.

Википедия. Паровая машина

История тепловых двигателей

Паровая машина Ньюкомена

Как же стреляла эта пушка?

Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Интересно то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII века главным образом в Англии.

Шахты глубиной 200 метров, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике. Первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды, разработанная шахтовладельцем Томасом Севери, который отделил водяной пар от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар, который поймали в котле, через кран выпускал в сосуд с водой, и пар вытеснял воду в напорную (верхнюю) трубу.

В 1763 году шотландского изобретателя Джеймса Уатта попросили отремонтировать двигатель Ньюкомена. Уатт провел с ней ряд экспериментов. Он смог починить макет и убедился в неэффективности этой машины. Уатт внес в конструкцию определенные усовершенствования, однако этого было недостаточно.

Через четыре года он представил паровую машину с отдельным конденсатором (пар конденсируется отдельно от цилиндра всегда остается горячим), что позволяло разделить процессы нагрева и охлаждения. Его машина могла работать постоянно, без долгих пауз на каждом цикле, чтобы снова нагреть цилиндр.

Уатт продолжал совершенствовать свой двигатель и сделал три весьма значительных дополнения:

1. Позволил пару входить попеременно с обеих сторон поршня. Это позволяло двигателю быстро работать и подавать мощность как на нисходящий, так и на восходящий ход поршня.

2. Сумел превратить возвратно-поступательное движение во вращательное.

К 1790 году усовершенствованные паровые двигатели Уатта стали мощным и надежным источником энергии, который можно было найти практически в любом месте.

Сборка модели паровой машины из конструктора.

Используемые материалы :

основание, цоколь для спиртовки, спиртовка, паровой котел, светодиод, ведущее колесо с 50 канавками, клапан, нижняя часть корпуса, верхняя часть корпуса, поршень 2 штуки, цилиндр 2 штуки, маховик, двигатель, прокладка для цилиндра 2 штуки, держатель 2 штуки, тройная трубка, прозрачная трубка, пружина 2 штуки, держатель для двигателя, отвертка, веревка, заглушка.

1. Собираем держатель для двигателя в основании.

2. Соединяем верхнюю и нижнюю части корпуса.

3. Собираем моховик и рабочее колесо.

4. Собираем цилиндр и поршень.

5. Собираем поршень и прозрачную трубку.

6. Собираем паровой котел.

7. Собираем тройное соединение из отрезков прозрачной трубки. Один отрезок трубки соединяем с тройной трубкой, а другой конец – на вход пара в корпусе и паровой котел.

8. Соединяем один конец веревки с клапаном, а другой – с прозрачной трубкой для того, чтобы давление пара не повредило клапан.

9. Установить красный светодиод в спот основания.

10. Спиртовку наполовину наполняем спиртом. Полоску бумаги смачиваем с обеих концов в спирте и вставляем в спиртовку.

11. Вынимаем клапан из прозрачной трубки на паровом котле и шприцом заполняем водой паровой котел через прозрачную трубку. Закрываем прозрачную трубку клапаном.

12. Устанавливаем спиртовку под котлом и зажигаем ее.

Через две минуты начинает образовывается пар.

Поршень начинает двигаться и загорается красный светодиод.

Чем сильнее горит пламя спиртовки, тем ярче горит светодиод. Паровая машина будет работать пару минут пока не кончится вода в котле.

После этого надо обязательно потушить спиртовку палочкой.

Конструирование парового механизма для перемещения предметов из канализационных труб и латунного штуцера.

Перед началом работ я сделал зарисовку макета бедующего парового механизма и закупил в магазине необходимые материалы.

Используемые материалы :

· Переходная уплотнительная муфта 50/32 мм;

· Муфта серая соединительная 50 мм;

· Заглушка серая 50 мм;

· Штуцер латунный ½ дюйма;

· Заглушка латунная ½ дюйма;

· Патрубок белый 32 мм;

· Заглушка белая 32 мм.

Собираем детали парового механизма:

· Цилиндр – это муфта серая соединительная;

· Поршень – это патрубок и заглушка белого цвета;

· Котел – это штуцер и заглушка латунные.

Собираем паровой механизм:

Паровой механизм должен быть герметичным, чтобы не было утечки пара. Герметичное соединение обеспечит переходная резиновая муфта. Втыкаем ее в соединительную муфту. Цилиндр парового механизма собран.

С другой стороны муфты вставляем серую заглушку, предварительно врезав в нее латунный штуцер. На штуцер накручиваем латунную заглушку. Котел парового механизма собран.

Вставляем белый поршень в цилиндр и заливаем воду в цилиндр. Закрываем белой заглушкой белый поршень.

К цилиндру прикрепляем держатель для безопасности (чтобы не получить ожог). Нагреваем котел над огнем. Вода в котле при нагревании превращается в пар и поршень начинает подниматься.

Опыт показывает, когда вода кипит и превращается в пар в герметичной емкости, она заставляет двигаться поршень, который в свою очередь может перемешать предметы.

Если в цилиндр залить холодную воду, то перемещения поршня приходится долго ожидать (4 минуты). Если залить кипяток, то перемещение поршня начинается через 30 секунд.

Читайте также: