МКОО «Старозеленовская средняя школа»
Реферат
по теме
«История изобретения паровых машин»
Исследовательская работа
по физике
ученицы 8 класса
Башировой Ляйсян
Учитель :
Объект исследования: паровые двигатели.
Предмет исследования: выявление основных этапов развития паровых двигателей.
Цель исследования: определение особенностей развития паровых двигателей
Задачи исследования:
-рассмотреть особенности первых паровых машин;
-определить современные тенденции в использовании паровых машин.
Актуальность темы
В настоящее время вопрос паровых двигателей является актуальным, несмотря на то, что массовое производство паровых машин остановилось в 1950-х годах. История развития паровых машин не подошла к концу. В 1985 году был установлен рекорд скорости на паровом автомобиле 234 км/ч, а в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный "болид" который был способен перемещаться со скоростью 241,7 км/час.
Сегодня паровые турбины, как разновидность парового двигателя, применяются на электростанциях. Тепло для подогревания воды, приводящей в движение турбины, может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора.
Современные паровые машины могут иметь КПД до 30%, что примерно соответствует некоторым ДВС. Их можно применять как на транспорте, так и на стационарных объектах, например, на мини электростанциях.
С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе, или в двигателях, которые бы приводили в действие приспособления для подачи воды на поля, вращали жернова, моловшие зерно, и т. д. В странах Древнего Востока, в Древнем Египте, Индии для этой цели использовали животных и рабов.
На смену живым двигателям пришло водяное колесо. В средние века водяные колеса приводили в действие прядильные и ткацкие станки.
В XV11 в. персы изобрели ветряную мельницу. С появлением таких мельниц началась история ветряных двигателей, использовавшихся для того, чтобы молоть зерно, качать воду.
Водяные колеса и ветряные двигатели вплоть до ХV11в. оставались единственными типами двигателей. В конце ХV11-начале ХV111 в. во Франции, Англии, Швеции и других странах делались неоднократные попытки использовать энергию пара – создать паровой двигатель.
1.Создание двигателя
Первым механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была паровая машина. Вначале она предназначалась для использования в заводском производстве, но позднее паровой двигатель стали устанавливать на самодвижущихся машинах — паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах.
Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.
Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности. Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из трубы также стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса.
Лишь на рубеже 17 — 18 веков удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Пар приводил в действие насос, качавший воду в резервуар. Вытекая из резервуара и падая на водяное колесо, вода заставляла его вращаться. Водяное колесо, в свою очередь, приводило в движение заводские механизмы и машины. Таким образом, и после изобретения парового насоса непосредственным двигателем рабочих машин оставалось водяное колесо. Прошло еще немало времени, прежде чем пытливый человеческий ум создал надежный двигатель, способный непосредственно приводить в действие разнообразные машины и механизмы. Прошло более чем два столетия, прежде чем появился двигатель, ставший одной из предпосылок появления нового вида боевых машин — танков.
Первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 году: машина Севери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Сам изобретатель назвал ее «огневой машиной» и широко разрекламировал как «друга шахтеров». Для получения пара, приводившего машину в действие, требовался огонь, но изобретение Севери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. «Пожарная установка», которую в 1698 году сконструировал Томас Севери, прослужила не долго. Из-за высокого давления создаваемого паром в емкостях с жидкостями, они часто взрывались. Поэтому его изобретение посчитали небезопасным.
Первая удачная паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном, в 1698 году он построил паровую машину. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.
2.Паровая машина Ползунова
Проект первой в мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1763 года русский изобретатель , механик на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Паровая машина Ползунова получила признание.
Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки. Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены «не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых двое» да еще несколько подсобных рабочих. С этим «штатом» Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер.
Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями. Штоки поршней были соединены цепью, перекинутой через шкив. Движение шкива передавалось стержням, которые с помощью «ладоней» передвигали серповидный маятник.
Маятник был соединен зубчатыми колесами с механизмом, управляющим кранами, которые осуществляли попеременный пуск пара и холодной воды в цилиндры. Когда, например, в цилиндр В подавался пар и поршень b поднимался, то в цилиндр A впрыскивалась холодная вода и поршень а опускался. Таким образом машина Ползунова работала непрерывно и все действия в ней проходили автоматически.
23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие», а 7 августа 1766 года вся установка — паровая машина и мощная воздуходувка — была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на ее постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. 10 ноября 1766 года котел дал течь, и машина остановилась. Несмотря на то, что эту неисправность можно было легко устранить, заводское начальство, не заинтересованное в механизации, забросило творение Ползунова. В течение последующих тридцати лет машина бездействовала, а в 1779 году тогдашние управители алтайских заводов отдали распоряжение машину разобрать, «находящуюся при оной фабрику разломать и лес употребить, на что годен будет». Так созданный в 1763г. русским механиком паровой двигатель не получил распространения.
3.Джеймс Уатт. Универсальная паровая машина двойного действия
Примерно в это же время в Англии над созданием паровой машины работал шотландец Джеймс Уатт. Первую вполне работоспособную универсальную паровую машину запатентовал в 1784г.
С небольшими усовершенствованиями она более ста лет оставалась единственным промышленным двигателем: приводила в движение станки и паровозы, пароходы и даже первые автомобили.
Основная часть машины - чугунный цилиндр, в котором ходит поршень. Рядом с цилиндром расположен парораспределительный механизм — золотниковая коробка, сообщающаяся с паровым котлом. Кроме котла коробка соединена еще с конденсатором и с цилиндром посредством двух окон. В коробке находится золотник – стержень с двумя клапанами, своеобразный переключатель, ведающий попеременной подачей пара то с одной, то с другой стороны поршня. Для повышения КПД машины применил специальное устройство — конденсатор, охлаждаемый водой сосуд, в котором пар конденсировался, т. е. превращался в воду.
Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции.
В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее «Пауэрхауз». Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.
Благодаря различным усовершенствованиям к началу ХХ в. были построены паровые машины мощностью 15 МВт, развивающие до 1000 об/мин. При этом кпд таких машин удалось поднять более чем в 60 раз по сравнению с машиной Уатта.
4.Современные тенденции развития 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. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.
Первые паровые двигатели, выпускавшие отработанный пар в атмосферу, имели КПД не более 8%, но паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 30%. Паровая турбина обеспечивает до 42%. Парогазовые установки, где совместно используются газовые и паровые турбины, имеют КПД до 65%, что вдвое выше, чем КПД современных бензиновых двигателей
Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на сухом пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, на 60% меньше, чем был на старых моделях.
На сегодняшний день, можно создать паровой двигатель, который запускается не более минуты, тогда как ранее на запуск его уходило 10-20 минут.
Паровые двигатели, так же как и бензиновые, позволяют создавать достаточно быстрые транспортные средства. Рекорд скорости 1906 года - 205 км/ч, автомобили на бензиновых моторах в те годы не могли ездить так быстро. В 1985 году на паровом автомобиле была достигнута скорость 234 км/ч, а в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный "болид", который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде - 241,7 км/ч [5].
Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд "боковых ответвлений": водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. "Дым" от такого мотора
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. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.
Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач - сложные и капризные механизмы.
Сегодня паровые турбины, как разновидность паровых машин, применяются на 86% всех электростанций
Потребители, имеющие собственные котельные, иногда дополняют их силовыми установками с паровыми турбинами и электрогенераторами.
Если потребителю не нужно большое количество тепла, а только горячая вода, например, в летнее время, то мини-ТЭЦ оснащают еще абсорбционными холодильными машинами, работающими на отработавшем в турбине паре. Такие машины обеспечивают требуемое охлаждение воды, которая поступает в систему холодоснабжения для кондиционирования помещений потребителя.
Для круглогодичного бесперебойного электроснабжения потребителей, необходима безостановочная работа мини-ТЭЦ. Это возможно, например, если электроэнергию генерировать совместно с выработкой теплоты, необходимой для обеспечения потребителей горячей водой.
На площадках действующих котельных создаются и мини-ТЭЦ с увеличенной тепловой мощностью: заменяются устаревшие котлы с давлением насыщенного пара 1,4 МПа на котлы с давлением перегретого пара 4,0 МПа, что позволяет при тех же габаритах котлов значительно увеличить электрическую мощность мини-ТЭЦ
Еще со времен паровых машин более простым и дешевым рабочим органом, по сравнению с турбинной лопаткой, является поршень, поэтому на мини-ТЭЦ предлагается использовать паровые моторы.
Отличительными особенностями паровых моторов от классических паровых машин являются не только их скоростные качества, но и другой тип парораспределения. Моторы предназначены для работы с однократным расширением пара. Пар от котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому, как топливо-воздушная смесь поступает в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. У классических же паровых машин пар проходит через все цилиндры последовательно, расширяясь, таким образом, многократно.
Паровой мотор, в отличие от турбины, всегда может обеспечивать прямой привод электрогенератора. Турбине, как правило, для этого требуется редуктор, т. к. для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать при высоких частотах вращения.
Паровой турбине требуется и система охлаждения, а это - дополнительный расход воды и потери энергии. ППД достаточно теплоизолировать, а охлаждать не требуется, т. к. температура в его цилиндрах в 5-6 раз ниже, чем у ДВС.
Российские специалисты предложили идею: переделать современный поршневой двигатель внутреннего сгорания в паровой мотор и приспособить его для работы в мини-ТЭЦ. Поскольку стоимость ДВС ниже стоимости паровой турбины, то при незначительных доработках в конструкции можно получить более дешевый двигатель: паровой мотор на базе серийного ДВС.
В ППД, соединенном с электрогенератором, пар подается от котла, а выхлоп осуществляется в пароводяной теплообменник. Управление ППД обеспечивается по сигналам от системы автоматизированного управления.
Паровые моторы, как и паровые поршневые машины, обладают высокой надежностью. Ресурс до капитального ремонта паровых турбин определяется, в основном, ресурсом лопаток из дорогостоящих сплавов, а у паровых моторов - ресурсом более дешевых и долговечных узлов шатунно-поршневой группы. Он может быть выше, чем у ДВС, т. к. пар при работе двигателя, в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяется и плавно давит на поршень.
Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нет в турбинах. Это свойство позволяет генератору, подсоединённому к такому двигателю, вырабатывать ток, частота которого пульсирует в пределах 0,4%.
Недостаток паропоршневых моторов по сравнению с паровыми турбинами состоит в том, что они несколько уступают турбинам по массовым и габаритным характеристикам. Однако, как показывает многолетний опыт эксплуатации, эти показатели не являются первостепенными, на фоне ряда неоспоримых достоинств поршневых двигателей
Водогрейные котельные также можно оснащать паровыми машинами. Паровые котлы дороже водогрейных, но эксплуатационные затраты на их содержание ниже и они могут надежно работать с более высоким ресурсом.
Экологические показатели сжигания топлива в современных паровых котлах весьма неплохие. Реализация отечественной технологии сжигания твердых топлив дает возможность обеспечить работу котла с весьма низкими выбросами в атмосферу. Экологические показатели работы котлов с такими топками удовлетворяют самым жестким требованиям Ростехнадзора.
Необходимо заметить, что электрогенерирующие агрегаты с паровыми моторами подходят для экологически чистых солнечных электростанций, в том числе и мини-ТЭЦ, в которых для получения па
Заключение
Громоздкие, тяжелые и неэкономичные паровые машины в наше время полностью вытеснены паровыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания.
Любая машина и технологический процесс ее изготовления непрерывно совершенствуются. Изобретатели и рационализаторы, работающие на производстве, создают новые машины, оборудование, приборы и вносят много различных предложений по усовершенствованию действующих машин и оборудования.
Задача техники - преобразовывать природу и мир человека в соответствии с целями, поставленными людьми на основе их нужд и желаний. Без техники люди не смогли бы справиться с окружающей их природной средой. Техника следовательно, — это необходимая часть человеческого существования на протяжении всей истории…
