ЭНЕРГИЯ ПАРА. ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Зайцев Д.А. 1

---

1МБОУ г. Иркутска СОШ №80

Ободенко О.Н. 1

---

1МБОУ г. Иркутска СОШ №80

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире множество технологий. Зачастую, они сложны, но ощущаются нами легко, потому что созданы в нашей эпохе. Появляются новые идеи, новые задумки, изобретения, которые «с ног на голову» переворачивают ту или иную индустрию.

Прогресс не стоит на месте. Постепенно устаревшие технологии приобретают новый вид. Каким-то технологиям удаётся пережить трансформацию и остаться востребованным. Другие уходят от нас навсегда.

В моей голове родилась идея: создать что-то поистине забытое, чтобы окунуться в этот «древний» мир, на мой взгляд, пропитанный «инженерной» романтикой.

Энергия пара – именно то, что дало технический рывок, именно этот вид энергии продвинул человечество на новый уровень, это та технология, которая стала основой индустриального технологического взрыва.

1.1. Актуальность

На первый взгляд может показаться, что данный проект неактуальный, но это всего лишь заблуждение. Энергия пара «живёт» в электричестве, как бы это странно не звучало. Исходя из вышеизложенного, я заинтересовался данной технологией, и решил изучить её подробнее.

1.2. Проблема

Создать рабочую модель паровой машины в домашних условиях.

1.3. Гипотеза

Модель, созданная в домашних условиях, будет полностью работоспособной, а также будет показывать, как устроена паровая машина.

1.4. Цель

Исследовать принцип работы и создать модель паровой машины. В связи с постановкой цели считаю необходимым рассмотреть следующий вид задач:

изучить историю зарождения «паровой» энергии;

разобраться с принципом действия парового двигателя;

выяснить, насколько использование парового двигателя актуально в нынешнее время;

рассмотреть альтернативное применение «паровой» энергии;

провести экономический расчёт;

собрать продукт из деталей;

сделать выводы по проекту.

1.5. Назначение проекта

Для заинтересованных лиц, для кабинета физики.

История появления «паровой» энергии

2.1. «Приручение» пара

История эта началась давно. Ещё древние греки знали, как «приручить» пар и даже использовать его в личных целях. Наши предки потратили немало сил и времени на освоение пара.

П оставить пар на службу человеку люди смогли лишь в самом конце XVII века. Но ещё в начале нашей эры, древнегреческий математик и механик Герон Александрийский наглядно показал, что с паром можно и нужно дружить. Наглядным подтверждением тому стал - Геронов шар (эолипил), фактически, первая паровая турбина (рис 1).

Устройство легко в понимании: шар, который вращался силой струй водяного пара.

2.2 Зарождение эпохи «паровой» энергии. Начало прогресса.

К сожалению, многие удивительные изобретения древних греков были прочно забыты. Лишь в XVII веку относиться описание чего-то, похожего на паровую машину.

Соломон де Ко в сочинении от 1615 года описал полый железный шар с двумя трубками: принимающей и выводящей жидкости. Если наполнить шар водой и подогреть, то по второй трубке вода начнёт подниматься наверх, повинуясь воздействую пара.

Уже ближе к завершению XVII века два человека в Европе результативнее других работали над созданием конструкции паровой машины – Дени Папен и Томас Севери.

В 1763 году Уатту, механику университета Глазго, дали задание починить паровую машину Ньюкомена. В процессе ремонта Уатт приходит к следующей идее - цилиндр паровой машины нужно держать постоянно нагретым, что резко сократит расход топлива. Оставалось лишь понять, как в таком случае конденсировать пар.

К онструкция паровой машины Уатта была следующая (рис 2). Он применяет водяной насос и металлические трубки, из которых насос станет откачивать воду и пар, создавая в последних пониженное давление, а оно, из трубок, начнет передаваться в рабочий цилиндр паровой машины. Для рабочего хода Уатт применяет давление пара, отказываясь тем самым от атмосферного давления, что стало большим шагом вперед. Для этой цели, чтобы пар не проходил между цилиндром и поршнем, пеньковой веревкой, пропитанной маслом, обматывали поршень вдоль специальных бороздок. Такой способ позволял добиться достаточно высокой герметичности внутри парового цилиндра. 

В 1769 году Уатт получил патент на "создание парового двигателя, в котором температура двигателя всегда будет равна температуре пара несмотря на то, что пар будет охлаждаться до температуры ниже ста градусов".

В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном. Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась.

Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше. Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск. Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину - для привода прокатных станков. В 1784 году Уатту все же удалось добиться разрешения на использование в паровой машине кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, созданная Уаттом первая в мире универсальная паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, возвещая о приходе эры паровых машин.

Очень скоро пар станет двигать пароходы и поезда, благодаря чему жизнь человека в корне изменится.

Первые серьёзные паровые машины

3.1. Первый пароход

Использование гребных винтов вместо гребных колес позволило значительно улучшить ходовые качества пароходов.,3.2. Первый паровоз

Первый паровоз построил британец Ричард Тревитик. Это была повозка с паровым двигателем (рис 4), двигающаяся по рельсам со скоростью 7 км/ч и перевозившая состав весом 7 тонн.

построенный еще в 1856 году.

Так, в Норвегии на озере Мьёс до сих пор функционирует самый старый колесный пароход в мире - "Скибладнер", построенный еще в 1856 году.

В свою очередь, паровозы активно эксплуатируются в странах третьего мира, а это значит, что пар по-прежнему верой и правдой служит человечеству.

3.3. Первый паровой автомобиль

Эстетически машина выглядела не слишком красиво - котел, словно горшок на ухвате, размещался впереди транспорта.

"Телега" Кюньо развивала скорость около 2-4 км/ч и могла перевозить до 3 тонн груза. Эксплуатировать ее было сложно - для поддержки давления пара, которое быстро падало, приходилось каждые четверть часа останавливаться и зажигать топку. В конце концов, в очередной испытательной поездке Кюньо и кочегар (между прочим, кочегар по-французски звучит как "шоффер", откуда и произошло затем слово "шофер") потерпели аварию на крутом повороте, отчего котел взорвался, наведя шуму на весь Париж.

Значительный вклад в развитие паровых автомашин внес еще один француз - Леон Эммануэль Серполл. В 1875 году он создал небольшую, но мощную автомашину на пару. Леон решил, что воде лучше нагреваться не в котле, а в разогретых трубках, где она превращается в пар очень быстро. Первой работающей машиной Серполле стал двухместный трехколесный экипаж из дерева. Поначалу полиция запрещала французу ездить даже по ночам, но в 1888 году все же сдалась и выдала официальную бумагу с разрешением на поездки.

Принцип работы парового двигателя

Принцип парового двигателя прост – в цилиндре находится поршень, с закреплённым к нему штоком (рис 6). Подавая пар с разной стороны поршня, мы заставляем его совершать поступательные движения.

Переключение пара производится золотниковым клапаном. Он перемещается в своём отдельном цилиндре и перенаправляет пар в ту или иную часть рабочего цилиндра (рис 7).

Он устроен таким образом, что одновременно впускает пар в одну полость и выпускает из другой (рис. 8 а, б).

переключать пар (рис. 9).

В общем-то, система очень похожа на двигатель внутреннего сгорания (далее – ДВС), но есть ряд отличий:

из-за отсутствия шатуна, как у ДВС, шток не совершает лишних колебательных движений, это позволяет сделать поршень очень простым;

у парового двигателя возможно сделать так, чтобы поршень совершал работу двигаясь в любую сторону, так как у него обе полости герметичны;

так как у «паровика» отсутствует такт впуска рабочей смеси (аналогия с 4-х тактовым ДВС), каждый ход поршня приносит пользу.

Что же получается, паровой двигатель в 4 раза мощнее? Тут не совсем всё так просто. Паровые двигатели очень тихоходны. Это обусловлено тем, что приходится запускать в цилиндр рабочее тело (пар), а этот процесс относительно медленный. У ДВС, поршень толкает сгоревшая смесь бензина и воздуха. Скорость расширения, при таком «взрыве» не идёт ни в какое сравнение со скоростью впуска пара.

То есть, ДВС - это очень оборотистый тип двигателя. У спортивных мотоциклов скорость вращения вала доходит до 16 000 об/мин, как известно, мощность двигателя - это произведение момента силы на скорость вращения. Так и была проиграна война бензина и пара. Паровой двигатель хорош в местах, где скорость не так важна. Например, как водяной стационарный насос, на кораблях, и конечно, в поездах. Но есть у парового двигателя одно очень удобное преимущество. Так как не нужно создавать особые условия для взрыва рабочей смеси, момент силы таких двигателей начинается уже с нулевой скорости, поэтому оказывается ненужным сцепление и коробка передач.

5. Применение «паровой» энергии

5.1. Энергетика

Одно из главных задач энергетики – выработка электроэнергии. Пар здесь занимает не самую последнюю роль, ведь благодаря пару приводятся в движение массивные турбины на любой электростанции.

По сути, электростанции отличаются между собой лишь способом нагрева воды и перевода в другое агрегатное состояние.

Устройство паровой турбины

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.

Доступная для восприятия схема ТЭС изображена на рис. 10.

Рис. 10 «Устройство ТЭС»

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор - похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название - статор).

Пару, из одного вращающегося диска с лопатками и статора, называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней - пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15-22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки - 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560°C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным - нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Изначально пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину и заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда - низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц (не больше – не меньше), а турбины работают на 1500 или 3000 об./мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится - в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

5.2. Применение пара в промышленности, быту

Пар как теплоноситель. Наиболее часто пар используется в качестве теплоносителя. Вызвано это тем, что процесс фазового перехода «вода - пар» требует очень большого количества энергии. Соответственно, и обратный процесс – конденсация – протекает с выделением большого количества энергии. Таким образом, пар очень удобно использовать для отопления помещений, нагрева различного рода сред, химических реакторов, процессов варки и т.п.

В других случаях нужен непосредственный контакт пара с разогреваемой средой. Это может быть необходимо при пропарке бетонных изделий, продукции легкой промышленности, при использовании пара в качестве греющей среды в особого рода теплообменниках.

При непосредственном контакте пар весьма эффективен в качестве «увлажнителя». Он применяется для пропарки древесины, комбикорма, изделий легкой промышленности, в различных технологических процессах, требующих одновременно нагрева и увлажнения.

Насыщенный водяной пар используется в строительной отрасли и коммунальном хозяйстве для предотвращения смерзания в бункерах инертных веществ, разогрева вязких сред, в производстве железобетонных изделий, фанеры, в кондитерском, консервном и ином пищевом производстве, в химической и парфюмерной промышленности, в деревообрабатывающих производствах, в сельскохозяйственном производстве.

Водяной пар так сильно вошел в нашу действительность, что сейчас очень сложно предположить себе нашу жизнь без него. Лишь задумайтесь, насколько часто, практически каждый день, мы используем устройства, действие которых основывается на применении водяного пара. Как сегодня человек может прожить в отсутствии таких предметов как, например, электроутюг с функцией пара, или же пароварка. Пар или его сила применяется кругом, тот же паропылесос или системы отопления, или паровая кабинка, заменяющая в наш век традиционную баню, или же паровой двигатель. Если мы воспользуемся паром в кулинарии, то сможем не только приготовить аппетитный обед, но и сберечь в нем все полезные витамины, минералы и микроэлементы. Если затронуть уборку комнат, тогда нужно упомянуть тот факт, что использование пара в этой сфере позволяет не только сражаться с грязью, но и проводить дезинфекцию, убивая бактерии и вредные микроорганизмы.

Паровая машина, собранная в бытовых условиях

В связи с поставленной мною целью - исследовать принцип работы и создать работающую модель паровой машины, я предварительно произвел расчет своих затрат, приобрел необходимые элементы и занялся практической частью своей работы.

6.1. Экономический расчёт стоимости продукта

Для эксплуатации необходимо использовать дистиллированную воду, чтобы на дне нагреваемого испарителя не образовывалась накипь.

6.2. Пошаговая сборка паровой машины

Заключение. Вывод по проекту и исследовательской работе

Пар, и всё, что с ним связано (например, пароход, паровоз), мы считаем устаревшим, но если рассматривать энергию пара, то её применение можно найти в любом уголке планеты. Энергия пара будет жить бесконечно долго.

Подводя итоги исследовательской работы, хочу отметить то, что я заинтересован продолжать развивать свой проект.

В ходе работы над проектом, мною была достигнута цель – создана работающая модель паровой машины в домашних условиях. Решены поставленные задачи. Проведя ряд испытаний, хочу отметить, что гипотеза подтверждена. Моя модель работоспособна. Мой проект служит не только для изучения физики, но и как простейшая основа для конструирования подобных и усовершенствованных моделей.

Список использованной литературы

Получено из Движимые паром. История паровых машин: https://3dnews.ru/575824

А.А.Радциг. Джеймс Уатт и изобретение паровой машины. Петроград: Научно химико-техническое издательство, 1924г .

Божерянов, Н.. Теория паровых машин. Санкт-Петербург: Типография морского кадетского корпуса, 1849г.

Г.С.Жирицкий. Паровые машины. Москва: Госэнергоиздат, 1951г.

Лесников, М. Джеймс Уатт. Москва: Издатель "Журналобъединение", 1935г.

Фортов В., П. О. Энергетика в современном мире. Москва: Издательство "Интеллект", 2011г.

Энергия старого мира. (б.д.). Получено Март 2023 г., из Энергия старого мира: https://habr.com/ru/post/517738/