Наукова робота

Парова машина та її цикли. 

Парова машина— тепловий поршневий двигун зовнішнього згорання, в якому потенціальна енергія водяної пари, котра надходить під тиском з парового котла, перетворюється в механічну роботу при зворотно-поступальному русі поршня, який через механічні ланки надає обертального руху вихідному валу. У ширшому розумінні, парова машина — всякий тепловий двигун, який перетворює енергію пари в механічну роботу.

План:

1. Історія виникнення двигуна.

2. Принцип дії парової машини.

3. Класифікація.

4. Приклади парових машин.

5. Значення парової машини для суспільства.

6.  ККД парової машини.

7. Сфери застосування парової машини.

8. Висновок.

9. Джерела.

1. Історія виникнення двигуна.

 

 

Парова машина Джеймса Ватта

Першим механічним двигуном, знайшли практичне застосування, була парова машина. Спочатку вона призначалася від використання в заводському виробництві, але згодом паровий двигун стали встановлювати на саморушних машинах - паровозах, пароплавах, автомобілях і тракторах. Над використанням пари за робочі тіла, люди замислювалися ще в давнину, однак лише в межах 17 - 18 століть вдалося знайти метод виробляти корисну роботу за допомогою пари.



2. Принцип дії парової машини.




Поршень утворює в циліндрі парової машини одну або дві порожнини змінного об'єму, в яких здійснюються процеси стискування і розширення. Принцип дії парової машини показаний на рисунках 1 і 2.

Малюнок №1

Малюнок №2

Зусилля поршня — 1 за допомогою штока — 2, повзуна — 3, шатуна — 4 і кривошипа — 5 передається у вигляді крутного моменту вихідному валу — 6, що несе маховик — 7, який служить для зменшення нерівномірності обертання вала. Ексцентрик, що розміщений на вихідному валу, за допомогою ексцентрикової тяги приводить в рух золотник — 8, який керує подачею пари в порожнини циліндра. Відпрацьована пара з циліндра випускається в атмосферу або надходить в конденсатор. Для підтримки сталої швидкості обертання вала при змінному навантаженні парові машини оснащуються відцентровим регулятором (регулятором Вата) — 9, що, залежно від швидкості обертання валу, автоматично змінює або площу перетину каналу проходження пари, котра подається в парову машину (дросельне регулювання, показано на малюнку), або момент припинення наповнення циліндра (кількісне регулювання).


3. Класифікація.


Парові машини поділяються:

• За призначенням:
  • стаціонарні;
  • нестаціонарні (пересувні і транспортні).
• За робочим тиском пари, що використовується:
  • низького тиску (до 12 ат);
  • середнього тиску (до 60 ат);
  • високого тиску (понад 60 ат).
• За швидкістю обертання вала:
  • тихохідні (до 50 об/хв, як на пароплавах з гребним колесом);
  • швидкохідні.
• за тиском пари, що випускається:
  • конденсаційні (тиск в конденсаторі 0,1-0,2 ат);
  • вихлопні (з тиском 1,1-1,2 ат);
  • теплофікаційні з відбором пари на нагрівальні цілі або для парових турбін тиском від 1,2 ата до 60 ата залежно від призначення відбору (опалювання, регенерація, технологічні процеси, використання високих перепадів тисків у парових турбінах).
• За розташуванням циліндрів:
  • горизонтальні;
  • похилі;
  • вертикальні.
• За числом циліндрів:
  • одноциліндрові;
  • багатоциліндрові
    • здвоєні, строєні і т. д.

 

 
4. Приклади парових машин (У цьому пункті плану будуть висвітлені лише найбільш відомі історичні парові машини).

Парова машина Томаса Севері

Парова машина Томаса Севері

Перша спроба поставити пару на службу людині була зроблена в Англії в 1698 році: машина Т. Севері призначалася для осушення шахт і перекачування води. Сам винахідник назвав її «вогневою машиною» і «другом шахтарів» Для одержання пари, що приводили машину в дію, був потрібний вогонь. Але винахід Т. Севері ще не був двигуном у повному розумінні цього слова, оскільки крім декількох клапанів, що відкривалися і закривалися вручну, у ньому не було інших механізмів.

Машина Т. Севері працювала наступним чином: спочатку герметичний резервуар наповнявся парою, потім зовнішня поверхня резервуара охолоджувалася холодною водою, від чого пара конденсувалася, і в резервуарі створювався частковий вакуум. У результаті цього вода із дна шахти засмоктувалася в резервуар через забірну трубу і після впуску чергової порції пари викидалася назовні через випускну трубу. Потім цикл повторювався. Таким способом воду можна було засмоктувати з глибини меншої за 10 метрів, оскільки в дійсності її виштовхував атмосферний тиск.

Парова машина Томаса Ньюкомена

Анімована схема роботи парової машини Т. Ньюкомена:
— пара показана рожевим кольором, а вода — блакитним;
— клапани у відкритому стані позначені зеленим кольором, у закритому — червоним.

Парова машина Томаса Ньюкомена

Щоб герметизувати зазор між циліндром і поршнем, Т. Ньюкомен закріпив на торці останнього гнучкий шкіряний диск. Пара з котла надходила у порожнину циліндра і піднімала поршень вгору. Далі при упорскуванні в циліндр холодної води, пара конденсувалася, у циліндрі утворювався вакуум, і під впливом атмосферного тиску поршень опускався вниз. Цей зворотний хід видаляв воду з циліндра і за допомогою ланцюга, з'єднаного з коромислом, що здійснювало коливний рух, піднімав вгору шток насоса. Коли поршень знаходився в нижній точці свого ходу, у циліндр знову надходила пара, і за допомогою противаги, закріпленої на штоку насоса на, поршень піднімався у вихідне положення. Далі цикл повторювався.

Машина Т. Ньюкомена виявилася досить вдалою і використовувалася по всій Європі протягом більше 50 років. У 1740 році машина з циліндром довжиною 2,74 м і діаметром 76 см за один день виконувала роботу, як бригада з 25 чоловік і 10 коней, працюючи позмінно, раніше виконували за тиждень. Однак і машина Т. Ньюкомена була далека від досконалості. Вона перетворювала в механічну роботу усього лише близько 1% теплової енергії і, як наслідок, вимагала великої кількості палива, що, утім, не мало особливого значення, коли машина працювала на вугільних шахтах. У цілому машини Т. Ньюкомена зіграли величезну роль у збереженні вугільної промисловості: з їхньою допомогою удалося відновити видобуток вугілля в багатьох затоплених шахтах.

5. Значення парової машини для суспільства.

Промислова революція — перехід від мануфактурного ручного виробництва до машинного — отримала своє завершення із створенням універсального двигуна. Протягом майже всього 19 ст. парова машина визначала рівень енергетики машинного виробництва і транспорту, темпи і напрям їх розвитку. Парова машина збільшувала потребу в кам'яному вугіллі і задовольняла цю потребу, оскільки вона піднімала вугілля з шахт, вентилювала їх, відкачувала з них воду. Парова машина збільшувала потребу в металі і задовольняла її, оскільки вона нагнітала повітря в доменній печі, приводила в рух ковальські молоти та обертаючи вали прокатних станів. Парова машина поставила нові вимоги до технології металообробки і задовольняла їх, приводячи в рух металообробні верстати, сприяючи становленню і розвитку машинобудування — виробництва машин, що виготовляють машини.

У своєму розвитку парова машина сприяла появі нових галузей знань. Створена на основі виробничого досвіду, парова машина поставила перед ученими ряд питань, вирішення яких створило нову науку — технічну термодинаміку.
На початок XX ст. парова машина досягла високого ступеня досконалості. За сто років розвитку потужність парової машини підвищилася від 5-10 к.с. до 20000 к.с., економічність — від 0,3% до 20%, тиск пари, що впускається, — від 0,1 ат до 120 ат, температура пари — від 100° до 400°, число обертів на хвилину — від 20-30 до 1000 об/хв; питома вага знизилася від сотень до 1-2 кг/к. с.; необхідна площа зменшилася від декількох квадратних метрів до їх сотих доль на 1 к. с. Витрати пари для парової машини високого тиску з багатократним розширенням становлять 2,62 кг/к. с. за годину. ККД досяг 20-25%.
На основі досвіду, набутого у виробництві парових машин, був створений новий поршневий двигун — двигун внутрішнього згорання, в якому згорання відбувається безпосередньо в циліндрі двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена одна проміжна ланка (пара, як проміжне робоче тіло, і парокотельний агрегат, як генератор пари). Завдяки малій питомій вазі (тобто відношенню ваги до потужності) двигун внутрішнього згорання набув значного поширення на транспорті. Розвиток парових машин привів і до створення іншого парового двигуна — парової турбіни, в якій видозмінено характер використання пари, що виробляється котельним агрегатом, і замість пульсуючого руху поршня і кривошипно-шатунного механізму використовується безперервне проходження пари через проточну частку двигуна, тобто в порівнянні з власне паровою машиною усунена ланка поршень-кривошипно-шатунний механізм, що дозволило сконцентрувати великі потужності в одному агрегаті. Парова турбіна виявилася найдоцільнішою формою приводу для потужних електрогенераторів, що вимагають рівномірного обертання.

Парова турбіна

Парова турбіна — це тепловий двигун безперервної дії, в лопатевому апараті якого потенціальна енергія стиснутої і нагрітої водяної пари перетворюється в кінетичну, що у свою чергу здійснює механічну роботу на валу.
Потік водяної пари поступає через напрямні апарати на криволінійні лопатки, закріплені по коловому периметру ротора, і, діючи на них, призводить ротор в обертання.
Парові турбіни перетворюють енергію пари безпосередньо в обертання ротора і не потребують додаткових механізмів перетворення зворотно-поступального руху в обертовий. Крім того, турбіни компактніші за машини зворотно-поступального руху і мають сталий крутний момент на вихідному валу. Оскільки турбіни мають простішу конструкцію, вони, як правило, вимагають меншого обслуговування.
Основною сферою застосування парових турбін є вироблення електроенергії. Приблизно 86% електроенергії, виробленої у світі, виробляється з використанням парових турбін. Крім того, вони часто використовуються в якості двигунів суден (у тому числі на атомних кораблях і підводних човнах). Було також побудовано декілька паротурбовозів, але вони не набули поширення і були швидко витіснені тепловозами та електровозами.


6. ККД парової машини. 

ККД теплового двигуна може бути визначений як відношення корисної механічної роботи до затраченої на її виконання кількості теплоти, що міститься в паливі. Решта енергії виділяється в навколишнє середовище у вигляді тепла. ККД теплової машини дорівнює:

ККД=А/Q

де 
A — механічна робота, Дж;

Q — затрачена кількість теплової енергії, Дж.

Тепловий двигун не може мати ККД більший, ніж у циклу Карно, в якому частина теплоти передається від нагрівача з високою температурою до холодильника з низькою температурою. ККД ідеальної теплової машини Карно залежить виключно від різниці температур, причому в розрахунках використовується абсолютна температура. Отже, для парових двигунів необхідні максимально висока температура T ₁ на початку циклу (досягається, наприклад, за допомогою перегрівання пари) і як можна нижча температура T₂ в кінці циклу (наприклад, за допомогою конденсатора):

n ≤ 1 – T₂/T ₁.

Паровий двигун, який випускає пару у повітря, матиме практичний ККД (враховуючи котел) від 1 до 8%, однак двигун з конденсатором і розширенням проточної частини може покращити ККД до 25% і навіть більше. Теплова електростанція з пароперегрівом і регенеративним водопідігрівом може досягти ККД 30…42%. Парогазові установки з комбінованим циклом, в яких енергія палива спочатку використовується для приводу газової турбіни, а потім для парової турбіни, можуть досягати коефіцієнта корисної дії до 50…60%. На теплоелектроцентралях ефективність підвищується за рахунок використання частково відпрацьованої пари для опалення та виробничих потреб. При цьому ефективно споживається до 90% енергії палива і лише 10% розсіюється марно в атмосфері.

7. Сфери застосування парової машини.

Принцип дії теплового двигуна на паровозі

Аж до середини XX ст. парові машини широко застосовувалися в тих сферах, де їх позитивні якості (велика надійність, можливість роботи з великими коливаннями навантаження, можливість тривалих перевантажень, довговічність, невисокі експлуатаційні витрати, простота обслуговування і легкість реверсування) робили застосування парової машини доцільнішим, ніж застосування інших двигунів, незважаючи на її недоліки, обумовлені головним чином з наявності кривошипно-шатунного механізму. До таких областей відносяться: залізничний транспорт, водний транспорт, де парова машина ділила своє застосування з двигунами внутрішнього згорання і паровими турбінами; промислові підприємства з силовим і тепловим споживанням: цукрові заводи, сірникові, текстильні, паперові фабрики, окремі харчові підприємства. Характер теплового споживання цих підприємств визначав теплову схему установки і відповідного нею тип парової машини теплофікації: з кінцевим або проміжним відбором пари. Установки теплофікації дають можливість зменшувати на 5-20% витрату палива в порівнянні з роздільними установками, що складаються з конденсаційних парових машин і окремих котельних, що виробляють пару на технологічні процеси і опалювання. Проведені у ті часи дослідження показали доцільність переведення роздільних установок теплофікації на регульований відбір пари з ресивера парової машини подвійного розширення. Можливість роботи на будь-яких видах палива робила доцільним застосування парових машин для роботи на відходах виробництва і сільського господарства: на лісозаводах, в локомобільних установках тощо, особливо за наявності теплового споживання, як, наприклад, на деревообробних підприємствах, що мають горючі відходи і споживають низькопотенційне тепло для цілей сушки лісоматеріалів. Парова машина зручна для застосування в безрейковому транспорті, оскільки не вимагає коробки швидкостей, проте вона не набула тут поширення через деякі конструктивні труднощі.

8.Висновок.

Отже, парова машина — це надзвичайно важливий винахід людства, який має широкі сфери застосування і видозмінювався протягом століть. Завдяки цьому винаходу працює залізничний, водяний та повітряний види транспорту, які забезпечують швидке розвивання людства. Якби не парові машини, ми б не бачили такий всесвіт, який нас оточує.

9. Джерела.

 

 

1.       http://myrefs.org.ua/index.php?view=article&id=6790

2.      http://bukvar.su/promyshlennost-proizvodstvo/page,2,90773-Istoriya-parovoiy-mashiny.html

3.      http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0

4.      Велика Ілюстрована Енциклопедія Ерудита

5.      Велика Ілюстрована Енциклопедія Школяра

6.      Теплотехніка: Підручник / О. Ф. Буляндра, Б. Х. Драганов, В. Г. Федорів і ін.- К.Вища школа., 1998.