Принцип дії парової машини

Парова машинаПарова машина — це тепловий двигун, що перетворює енергію водяної пари в зворотно-поступальний рух поршня, а потім в обертальний механічний рух валу.

Перша парова машина була винайдена в 1670 році французьким винахідником Д.Папеном та голанським фізиком Х.Гюгенсом та впродовж багатьох років пройшла удасконалення багатьма винахідками та вченими свого часу.

Періодом розквіту парових машин вважається 18 – 19 ст. оскільки вони використовувалися майже у всіх галузях діяльності людини, починаючи від насосних станцій, тепловозів до встановлення парових двигунів на суднах. Перша парова машина на судно була встановлена в 1810 році. Спочатку це були малопотужні одноциліндрові машини, з яких пар виход в атмосферу. Але так було не завжди вже в 1910 році парові машини могли розвивати потужність до 14 720 кВт.

 

Принцип дії та будова парової машини

Пар під певним тиском поступає через канал a у надпоршньовий простір та штовхає поршень 1 до низу (НМТ – нижня мертва точка), а з ним до низу рухається шток 2, який в свою чергу штовхає крейкопф 3, який діє на шатун 4 приєнаний до кривошипу 5. Кривошип 5 являється частиною головного валу 6. Рухаючись до низу поршень видавлює вже відпрацьований (частково сконденсований) пар з підпоршньового простору через канал b. Дійшовши до низу поршень 1 за допомогою маховика 7 зміщує золотник подачі пари 8 і через отвір b в циліндр заходить свіжа порція пару, яка штовхає поршень  до верху (ВМТ – верхня мертва точка), видавлюючи з надпорньового простору пару.

Маховик 7 являється нокопичувачем кінетичної енергії та допомагає колінчастому валу забезпечити плавне  і безперешкодне проходження ВМТ та НМТ, а також забезпечує динаміку обертання валу. Дросельна заслонка 10 регулює за допомогою центробіжного регулятора обертів 9 кількість пари, що подається в циліндр, а отже і кількість обертів парової машини.

Принцип роботи парової машини

1 – поршень, 2 – шток, 3 – крейцкопф, 4 – шатун, 5 – кривошип, 6 – головний вал (колінчастий вал), 7 – маховик, 8 – золотник, 9 – центробіжний регулятор обертів, 10 – дросельна заслонка, a,b – канали

Принцип дії парової машини

 

Класифікація парових машин

Класифікуються парові машини за різними ознаками, оскільки тривалий час історії люди шукали шляхи модернізації та удосконалення парових машин і тим самим напрацювали багато різних варіацій ефективності їх використання. Отже парові машини класифікують по:

  • по способу дії

– одинарної дії

– подвійної дії

  • способу дії пари на парову машину

– з розширенням

– без розширення

  • тиску пари

– низького тиску (до 12 кг/см²)

– середнього тиску (12 – 60 кг/см²)

– високого тиску (більше 60 кг/см²)

  • числом обертів валу

– низькообертові (до 50 об/хв)

– високообертові (більше 50 об/хв)

  • числу циліндрів

– одноциліндрові

– багатоциліндрові

  • способу застосування

– стаціонарні

– нестаціонарні

 

ККД парової машини

Киефіціент корисної дії (ККД) парової машини визначається, як відношення корисної механічної роботи до затраченої кількості тепла, що міститься в паливі. Отже йдучи по такому шляху ККД можна визначити за формулою:

ККД парової машини 

де Wout — механічна робота, Дж

Qin — затрачена кількість тепла, Дж

 

ККД парової машини

де Т1 — температура підведена до парової машини на початку робочого циклу

Т2 — віддана темпаратура від двигуна в кінці робочого циклу

ККД ідеальної теплової машини Карно залежить виключно від різниці температур, причому в розрахунках використовується абсолютна термодинамічна температура. Отже, для парових двигунів потрібні максимально висока температура T1 на початку циклу (що досягається, наприклад, за допомогою пароперегрівача) і як можна нижча температура T2 у кінці циклу.

ККД

Перші парові машини, які випускали напівсконденсований пар в атмосферу з урахуванням котла мали низький ККД, який приблизно складав до 8%, а вже парові машини, які використовували пар (пароводяну суміш) по замкнутому колу, що досягалося шляхом конденсації пари з застосуванням конденсатора мали ККД близько 26 – 28%. Розрахунок  ККД парової машини.

 

Однією з причин зниження ККД є те, що середня температура пари в конденсаторі дещо вища, ніж температура довкілля (утворюється так називаємий температурний натиск). Середній температурний натиску може бути зменшена за рахунок застосування багатоходових конденсаторів. Підвищує ККД також і застосування економайзерів, регенеративних повітропідігрівачів і інших засобів оптимізації парової машини. У парових машин дуже важливою властивістю є те, що ізотермічне розширення і стискування відбуваються при постійному тиску, тобто – при тиску пари, що поступає з котла. Тому теплообмінник може мати будь-який розмір, а перепад температур між робочим тілом і охолоджувачем або нагрівачем складають приблизно 1º. В результаті теплові втрати можуть бути зведені до мінімуму.

 

Переваги та недоліки

До переваг використання можна віднести простоту конструкції та обслуговування парових машин, а також те що паровий двигун може працювати на будь-якому виді палива, яке при згоранні виділяє достатню кількість тепла, щоб перетворити воду в пар. При чому можна використовувати в якості палива, як дрова, вугілля, так і ядерну енергію радіоактивних елементів.

 

До недоліків відносять, як правило низький ККД, значні габаритні розміри парової машини. 

Треба також розуміти, що в данній статті ми говоримо про парову машину класичну, тобто поршньову парову машину, оскільки парова турбіна є теж паровою машиною. У парової турбіни ККД значно вищий, ніж у поршньової, а отже і ефективність її використання вища, але і затрата на виготовлення і обслуговування також вища. Тому до переваг поршньової парової машини можна віднести, ще і низьку вартість виготовлення деталей.

 

Парова машина ТитанікаКоли ж парова машина перестала бути актуальною? 27 лютого 1892 року Рудольф Дизель подав заявку на отримання патенту на винайдений ним дизельний двигун, який з часом замінив парові машини у людства. Досить впевнено можна точно сказати, що ця "заміна" розпочалася приблизно в 1910 – 1920 рр., навіть на "Титаніку" стояли парові двигуни, а він закладався в 1909 році, а затонув в 1914.