Принцип работы парового двигателя

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.

• История изобретения паровых машин. Создание паровой машины
• Понятие
• Принцип действия
• Коэффициент полезного действия
• Преимущества
• Недостатки
• Применение
• Типы двигателей
• Как работает паровой двигатель
• Как работает локомотив

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

ПаровозСтроение 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.