Какое топливо используется для работы паровой машины?

Анализ теплового цикла

Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.

Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:

1. Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
2. Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
3. Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
4. Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.

Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.

Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.

Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.

Электронный тюнинг двигателя

Современные дизельные двигатели все чаще оснащаются электроникой. Датчики, которые следят за нагрузкой, контролируют количество подаваемого топлива и состав топливного заряда, подают сигналы на центральный блок управления, который подбирает наиболее эффективный и экономичный режим работы. При аккуратном влиянии на эту систему с помощью дополнительного оборудования можно повышать мощность мотора в определенных пределах – это называется чип-тюнинг. Сразу нужно отметить, что чип-тюнинг не всесилен, он может улучшить работу двигателя в пределах заложенного запаса прочности и частенько приводит к преждевременному износу систем.

Для повышения мощности дизельного двигателя могут использоваться специальные модули или блоки: — блок, изменяющий импульсы управления форсунками; — блок замещения режимов топливного насоса высокого давления (ТНВД); — блок, изменяющий показания датчика давления топливного аккумулятора; — модуль оптимизации режимов.

Первый вариант – наиболее известный среди любителей автотюнинга. Принцип работы такого блока заключается в том, что он блокирует кратковременные импульсы предварительного и последующего открытия иглы форсунки, что снижает расход топлива. Блок можно установить практически на любой модели, но его работа снижает ресурс мотора и сказывается на качестве сгорания топливного заряда.

Второй вариант можно использовать только на определенных моделях двигателей. Принцип действия этого блока заключается в том, что он подает сигнал с заниженными показателями давления в системе, что приводить к его повышению. В этом случае «страдает» ТНВД и форсунки, но мощность двигателя действительно увеличивается, а расход топлива уменьшается.

Третий вариант предусматривает подключение блока, который подает на ЭБУ сигнал о допустимо пониженном значении давления в топливном аккумуляторе. В результате давление автоматически повышается и по-новому определяется время и интенсивность впрыска топлива. При этом повышается мощность и экономится топливо, но снижается ресурс ТНВД и сажевого фильтра, на стенках цилиндра образуется нагар, двигатель начинает «дымиться».

Наиболее безопасным и эффективным является четвертый вариант. Модуль, подключаемый к системе питания, не подменяет нужными цифрами истинные значения рабочих параметров, а посылает сигнал на ЭБУ о необходимости изменения длительности впрыскивания топлива. В отличие от предыдущих блоков, данный модуль не приносит никакого вреда ни двигателю, ни ТНВД, так что ресурс систем и механизмов не уменьшится. Недостатком данного способа повышения мощности является его высокая стоимость, ограниченность в применении и сложность конструкции. Он не дает моментального эффекта – его действие можно почувствовать только через некоторое время.

Есть и другие способы, в том числе и использование оборудования, которое меняет истинное значение стехиометрических величин, но их применение может привести к серьезным проблемам с двигателем.

Одной из серьезных проблем, возникающих у дизельных двигателей — это так называемый «разнос двигателя». Это нештатный режим работы дизельного двигателя, при котором происходит неуправляемое повышение частоты вращения вала двигателя. Такой режим обычно наблюдается после запуска или при резком сбросе нагрузки. Основных причин разноса две: неисправность топливного насоса высокого давления и попадание большого количества моторного масла в камеру сгорания.

https://youtube.com/watch?v=_jSbOW5cGgE

История создания паровой турбины

В ходе истории было предпринято большое количество попыток создания механизмов, похожих на паровую турбину именно в том виде, какой мы ее рассматриваем сейчас. Можно сказать, что все началось еще в I веке. Герон Александрийский создал интересный механизм (рисунок 2). Но его потенциал не оценили и восприняли как забавную игрушку.

Это изобретение по праву можно назвать первым прототипом паровой турбины. В котле кипела вода и образовывался пар. По трубке пар подавался к шару и вылетал из сопел. Шар начинал вращаться.

Считается, что первую паровую турбину создал в 1883 году шведский изобретатель Густав Лаваль. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями. Такой вариант сопел стал прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии.

С этого момента турбины стали активно использовать для приведения в действие электрогенераторов. В этом же году количество используемых турбин выросло до трехсот.

В 1894 году английский инженер Чарлз Парсонс построил опытное судно “Турбиния” с приводом от паровой турбины. Скорость этого судна достигала $60 \frac$. В настоящее время судно находится в музее Newcastle’s Discovery Museum (рисунок 3), а её турбина находится в Лондонском музее науки.

Рисунок 3. “Турбиния” в музее Newcastle’s Discovery Museum

Реальные КПД у современных машин

На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:

1. В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
2. Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
3. Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
4. Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
5. Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
6. Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.

Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным КПД тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.

• Составьте план сообщение об имени существительном как часть речи

    

• Сообщение о рагнеде на русском

    

• Антропосоциогенез биологическая и социокультурная эволюция сообщение по обществу 10 класс

    

• Сообщение о любом путешественнике востока средневековья

    

• Сообщение о базе отдыха

Преимущества парового двигателя

Использование любого горючего топлива. Ключевым преимуществом таких машин, как двигателей наружного сгорания топлива, в том, что по причине изолирования котла от узлов паровой машины появляется возможность использовать произвольное топливо – от дров до урана. Самый яркий пример этого преимущества использование энергии атомного ядра, ибо реактор не способен вырабатывать механическую энергию, а генерирует тепло, которое и применяется для испарения жидкости, повергающего в ход паровые машины (обычно это турбины).

Использование возобновляемых источников энергии. Вторым важным фактором является то, что есть и иные источники энергии, которые невозможно использовать в других двигателях работающих на горюче смазочных материалах, к примеру, солнечная или гидроэнергия. Также любопытным курсом разработок есть применение разности внутренней энергии Мирового океана на различных его глубинах.

Стабильность работы не зависит от значения атмосферного давления. Локомотивы с паровыми агрегатами хорошо рекомендуют себя на значительных высотах, связано это с тем, что их работоспособность не снижается в связи с понижением атмосферного давления. Паровозы по сей день применяются в горах Латинской Америки.

Меньше масса по сравнению с остальными видами двигателей

Также, паровые поезда существенно легче, чем их дизельные или электрические аналоги, что чрезвычайно важно для горных колей. Особенностью пародвигателей есть то, что им не нужна трансмиссия, усилие передается непосредственно колёсам.

Посейчас безальтернативно используется на электрогенерирующих станциях

Паровые турбины, принципиально являющиеся вариацией паровой машины, достаточно широко применяются в качестве силовых агрегатов электрогенераторов. Ориентировочно 86 % электроэнергии, вырабатываемой в мире, производится с применением турбин на пару.

Что питало старинный паровой двигатель?

Требуется энергия, чтобы делать абсолютно все, о чем вы только можете подумать: кататься на скейтборде, летать на самолете , ходить в магазины или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из нефти, но это было не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимым топливом в мире, и он приводил в движение все: от поездов и кораблей до злополучных паровых самолетов, изобретенных американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним конкурентом братьев Райт. Что такого особенного в угле? Внутри Земли его много, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает, что он основан на элементе углерода. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых растений закапывают под камнями, сжимают под давлением и варят под действием внутреннего тепла Земли . Вот почему это называется ископаемое топливо . Комки угля — это действительно комки энергии. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на огне, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.

Уголь содержит примерно вдвое меньше энергии на килограмм, чем более чистое ископаемое топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин — и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать так много.

Пропан

Важно отличать пропан от сжиженного газа. Пропан можно назвать СПГ, но не весь СПГ состоит из пропана. Немногие автомобили работают исключительно на пропане, и большинство из них используют его как биотопливо, где они работают сперва на бензине, а затем переключаются на пропан, чтобы уменьшить выбросы

Немногие автомобили работают исключительно на пропане, и большинство из них используют его как биотопливо, где они работают сперва на бензине, а затем переключаются на пропан, чтобы уменьшить выбросы.

Поскольку пропан – это газ, ему нужен больший резервуар для хранения достаточного его количества. Двигатель будет сжигать на 27% больше пропана, чтобы достичь той же мощности, что и бензин. Стоит также отметить, что пропан работает наилучшим образом в холодных климатических условиях.

Создание И.И. Ползуновым универсальной паровой машины

К марту 1764 года Ползунов разработал подробный второй проект па­рового двигателя несколько иной конструкции, позволившего непосред­ственно приводить в действие воздуходувные мехи при сереброплавиль­ных печах.

В январе 1764 года заводское начальство вынесло решение о приме­нении машин системы Ползунова — как при Барнаульском заводе, так и на Новолазурском и Семеновском рудниках. Возможно, что на эти рудники предполагалось перенести барнаульскую машину.

Для производства деталей паровой машины Ползунов сконструиро­вал ряд станков — токарных и др. — с водяным приводом.

К числу серьезных ошибок, нередко повторявшихся в литературе о Ползунове, принадлежит утверждение, будто изобретатель был одиноч­кой и создавал все свои гидротехнические и теплотехнические установ­ки единолично.

Верно, конечно, что круг помощников Ползунова был еще узок. Но такие помощники были. Да было бы и физически невозможно одному человеку сооружать огромную по тем временам паровую машину.

К «механикусу» Ползунову было прикомандировано четыре учени­ка — Дмитрий Левзин, Федор Овчинников, Иван Черницын и Петр Вятченин, мастер по расковке меди Филат Медведев и отставной мастеро­вой Спиридон Бобровников.

19 марта 1764 года Ползунов просил также прикомандировать еще следующих мастеров по литейному делу: плавильщиков («шмельцеров») Ивана Шевангина, Сергея Трусова, Федора Кирсанова и Ивана Колмина, кузнеца Ефима Материна, обжигальщика Михайлу Густокашина и отставного мастерового Григория Бобровникова; по расковке меди — мастеров Семена Коренева и Козьму Девкина, по меднокотельному, паяльному, кузнечному и слесарному делу — Ивана Клюева, Андрея Зуева, Сафона Васильева и Григория Харитонова; столяров для изго­товления моделей и образцов — Игнатия Речкунова и Степана Худякова, а к ним работников из бочкарей — Ивана Сафонова и Петра Кунгурова. Кроме того, Ползунов просил дать ему чернорабочих из заводских кре­стьян по 40 человек на июль и август и с ними по 10 человек плотников.

Хотя в помощь изобретателю давали меньше людей, чем он просил, но все же частично его ходатайство удовлетворили. Помощники из чис­ла мастеров и чернорабочих у изобретателя были. Особенно значитель­ную роль в постройке машин играли механические ученики Иван Черни­цын и Дмитрий Левзин,

К декабрю 1765 года «огненная машина» была в основном закончена. Ползунов опробовал ее в действии, заменив для этого случая отсутство­вавшие мехи бревнами. Затем приступили к постройке мехов.

Алтайскому механику было несравненно труднее строить паровую машину, чем мастерам Англии, единственной страны, где вообще в то время производились такого рода двигатели.

Чертёж машины Ползунова, выполненный в 1765 г.

Ещё в первой четверти XVIII века там был создан около Лондона специальный завод для выделки паровых цилиндров и других деталей «огнедействующих» машин. С этого завода посылались и мастера для сборки паровых машин (как правило, одноцилиндровых, системы Ньюкомена). И все же английским теплотехникам второй половины XVIII века (в том числе и Уатту) пришлось сталкиваться с огромными трудностями в деле производства деталей паровых машин, которые зачастую оказы­вались непригодными.

На Алтае не было машиностроительных заводов. Примитивные, поч­ти полностью деревянные машины и механизмы мануфактурных пред­приятий строились и собирались обычными заводскими плотниками столярами, кузнецами и слесарями.

Внешний вид здания, в котором помещалась машина Ползунова. Позднейшая репродукция чертежа 1765 г.

Ползунов должен был создавать не только детали машин (медные, железные, свинцовые, стальные), но и орудия для производства этих деталей.

И он действительно изготовил множество специальных инструмен­тов, сконструировал ряд станков — токарных и других, частично приво­димых в движение силой воды.

Пар завоевывает мир

Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.

Это
был настоящий прорыв. Вращательное движение могло найти гораздо более
широкий круг применений. От коленчатого вала можно при помощи приводных
ремней передать движение на ткацкие и другие станки. Теперь пар мог
заставить крутиться колеса самодвижущихся экипажей.

Первые
попытки использовать пар для создания новых средств передвижения были
предприняты в 70-х годах XVIII века. Эти машины передвигались по
дорогам, но пройдет немного времени, и люди найдут другое применение
паровому двигателю— железные дороги. Уатт дожил до 1819 года и мог
увидеть начало промышленной революции, которую подтолкнуло его
изобретение, но он не дожил шести лет до начала эры железных дорог.

Конструкция и механизм действия паровой машины

Паровой двигатель сжигает топливо во внешней камере сгорания. В результате тепло превращает воду в сжатый пар, который поступает в цилиндры и поршнем вращает коленчатый вал. Последний приводит в действие зубчатую передачу двигателя. Поскольку мотор не сжигает топливо внутри цилиндра, как это делает обычный двигатель, он может работать на любом топливе с меньшим количеством выхлопов.

Цилиндрический корпус современного парового двигателя сделан из алюминия. Рабочие устанавливают стержни для крепления 6 цилиндров из нержавеющей стали. Так как происходит постоянный контакт с паром, все детали сделаны из нержавеющих материалов.

Рабочий вставляет в каждый цилиндр поршень. Он алюминиевый, а головка и уплотнение, не дающие ему соприкасаться со стенками цилиндра, сделаны из жаростойкого углеродного волокна.  Стойки поршней соединены с коленвалом в центре кожуха с помощью особой детали — крестовины. Она нужна, чтобы скорректировать ход поршня, создавая более ровное вращение вала и сообщая двигателю больше энергии.

В отличие от обычного автомобильного мотора, где цилиндры расположены в ряд, эти цилиндры имеют идеальную конфигурацию и потому равноудалены от центра. Это предотвращает деформацию мотора под действием высокой температуры.

Над крестовиной для еще более ровного хода коленчатого вала помещен противовес. Теперь над каждым поршнем устанавливаются толкатели, которые воздействуют на клапан, позволяющий входить в цилиндр и двигать поршень. Основание каждого толкателя вставляют в направляющее кольцо. Затем закрепляют головки цилиндров. В каждой из них находится паровой клапан. Толкатель вставляют в клапан и в завершение сборки устанавливают эксцентрик, который двигает толкатели при вращении вала.

Собранные на заводе двигатели подвергаются нескольким эксплуатационным испытаниям. Первый пробный пуск с применением сжатого воздуха для поиска утечек и проверки, все ли детали работают как нужно. Если все в порядке, то уже процесс повторяют уже с паром.

Такой паровой двигатель может давать энергию разным механизмам. От автомобилей и кораблей до электрогенераторов. В автомобиле ему не нужна трансмиссия. Он производит большое количество энергии вращения.

Теперь теплообменник — компонент, превращающий воду в пар, который и создает энергию. При помощи колеса стальную трубку превращают в спираль. Спираль скрепляют стальной проволокой, оставляя зазоры. Когда топливо сгорает, жар распространяется с внешней стороны витков и между ними, нагревая воду внутри трубки быстрее и эффективнее, чем при контакте только с верхней и нижней поверхностями. Результат — перегретый пар всего за 5 секунд.

Нужны 6 таких спиралей, каждая для питания одного цилиндра. Стопка спиралей образует первичный теплообменник двигателя. Для проверки используют любые виды топлива. Даже отходы, такие как отработанное моторное масло и использованное растительное масло из фритюрниц в ресторанах. Подойдет практически все, что горит. Топливо сгорает при низком давлении, а не высоком, как в бензиновом или дизельном двигателе. Это означает, что горение идет на производство пара, создавая гораздо меньше парниковых газов. Большинство углеводородов полностью и не нужно доливать воду, потому что конденсатор снова превращает пар в воду, реализуя повторное использование.

Вода также действует в качестве смазки для двигателя. Паровой машине не нужно моторное масло. Помимо сгорания топлива она способна работать на других источниках тепла, таких как солнечный жар и выбросы тепла из топок и двигателей. Круто или нет? Решайте сами.

Можно сделать из простой банки двигатель, об этом в отдельной статье. Готовые китайские генераторы и другие изобретения в этом китайском магазине.