Паровые двигатели сыграли ключевую роль в формировании современного мира. Они были первым типом двигателей, получившим широкое распространение. Впервые изобретенные Томасом Ньюкоменом в 1705 году, они были значительно усовершенствованы к 1769 году благодаря Джеймсу Уатту.
Паровые двигатели приводили в действие все ранние поезда, корабли, катера и фабрики и, следовательно, послужили основой промышленной революции.
Первые эксперименты с паром
История паровых машин начинается примерно в 75 году нашей эры, с того, что Геро, известный математик, начал изучать и описывать свойства воздуха и в одном из своих трудов представил план создания элементарного парового двигателя. Его конструкция представляла собой полую сферу с изогнутыми трубками, выступающими с обеих сторон. Если наполнить сферу водой и поместить ее над огнем, тепло испарит воду; образующийся пар будет выходить по трубкам, заставляя сферу вращаться. Это изобретение послужило основой для будущих разработок в области паровой техники.
В 17 веке итальянский ученый Джованни Баттиста делла Порта (Porta Giovanni Battista) обратил внимание на роль пара в создании вакуума. Он предположил, что когда вода превращается в пар внутри закрытого контейнера, это приводит к повышению давления, в то время как конденсация пара обратно в воду приводит к снижению давления.
В 1679 году французский ученый Дени Папен воплотил теорию делла Порта в реальность с помощью устройства, похожего на скороварку с поршнем поверх закрытого цилиндра, заполненного водой. Когда вода нагревалась, пар расширялся и толкал поршень вверх. При охлаждении и конденсации возникающий вакуум тянул поршень обратно вниз.
Эти ранние эксперименты стали важными вехами на пути к использованию энергии пара и проложили будущим изобретателям и инженерам путь к совершенствованию и расширению этих концепций.
Первое появление паровых двигателей
В 1698 году военный инженер Томас Савери получил патент на свой инновационный паровой насос, получивший название “Друг шахтера”. Паровой насос Savery состоял из котла, который кипятил воду и отдельного "насосного" резервуара, которые были соединены между собой трубой, имеющей кран. При открытии этого крана, пар под давлением попадал в насосный резервуар. В резервуаре имелось две трубы с обратными клапанами: одна (всасывающая) опускалась туда, где нужно было откачать воду, другая (нагнетательная) опускалась в сточный жёлоб.
Когда в резервуар пускали пар, он начинал выталкивать имеющуюся в нём воду по нагнетательной трубе в сточный жёлоб. При остывании пара в резервуаре возникал всасывающий эффект и он наполнялся водой через всасывающую трубу. Насос (его еще нельзя считать паровым двигателем) конструкции Савери работал, но обладал низким КПД и был достаточно опасным.
Английский изобретатель Томас Ньюкомен (пионер в развитии паровой энергетики) взял за основу творение Савери и доработал его. Этот практичный паровой двигатель откачивал воду из шахт и работал за счет вакуума, создаваемого при остужении пара в цилиндре, заставляя поршень двигаться вниз и засасывая воду. Этот (уже!)двигатель обладал большим КПД, так в нем не было непосредственного контакта горячего пара и холодной откачиваемой воды.
Джеймс Уатт еще больше улучшил конструкцию и эффективность паровых двигателей. В конце 18 века он разработал двигатель Ватта, который включал в себя отдельный конденсатор и использовал принцип расширительного действия. Использование этого принципа означало некоторую потерю в мощности, но выигрыш в «производительности». Эффективность его паровых двигателей сделала их пригодными для использования в транспортных средствах, что помогло наладить сообщение с отдаленными регионами и облегчило перевозку товаров. Паровая энергия стала движущей силой промышленной революции.
Принцип работы паровой машины
Показанный здесь двигатель является паровым двигателем двойного действия, потому что клапан позволяет пару попеременно воздействовать на обе поверхности поршня.
Золотниковый клапан отвечает за подачу пара высокого давления в обе стороны цилиндра. Шток управления клапаном обычно соединен, со штоком рабочего поршня, так что движение поршня отвечает и за движение клапана.
Внимательно посмотрев на схему можно увидеть, что отработанный пар просто выходит на улицу. Этот факт объясняет две вещи о паровозах:
- Именно по этому им приходится дозаправлять воду на станции — вода постоянно расходуется при выпуске пара.
- Здесь объясняется, откуда берется звук "чух-чух". Когда клапан открывается пар выходит под большим давлением и издает тот самый звук. При трогании поезда поршень движется очень медленно, но затем, когда он начинает движение, поршень набирает скорость. Результатом этого является "Чух ... чух ... чух ... "чух-чух-чух", которое мы слышим.
Типы паровых двигателей
На протяжении всей истории было несколько типов паровых двигателей. Вот самые примечательные из них:
- Паровая машина с возвратно-поступательным движением: этот распространенный тип паровой машины характеризуется возвратно-поступательным движением поршней. Возвратно-поступательные паровые двигатели используют давление пара для перемещения поршня взад-вперед в цилиндре, преобразуя линейное движение во вращательное.
- Вертикальный паровой двигатель: в вертикальном паровом двигателе цилиндр находится в вертикальном положении, а поршни движутся вверх и вниз.
- Горизонтальный паровой двигатель: у этих типов двигателей цилиндр расположен горизонтально. Здесь поршни движутся взад-вперед.
- Прямоточный паровой двигатель: для этих двигателей характерно, что пар проходит через цилиндр в одном направлении.
- Конденсационный паровой двигатель: в этом типе используется отдельный конденсатор для повышения эффективности. Он конденсирует отработавший пар обратно в воду, создавая вакуум, который увеличивает мощность и КПД двигателя.
Котлы
Пар высокого давления для паровой машины поступает из котла. Работа котла заключается в передаче тепла воде для образования пара. Существует два подхода к этому дело - использование жаровых труб или водяных труб.
Жаротрубный котел был более распространен в 1800-х годах. Он состоит из резервуара с водой, через который проходят трубы. Горячие газы от сжигания угля проходят по этим трубам, нагревая воду в резервуаре.
В жаротрубном котле весь резервуар находится под давлением, поэтому, если резервуар лопнет, это приведет к сильному взрыву.
Сегодня более распространены водотрубные котлы, в которых вода проходит по ряду труб, расположенных последи горячих газов. На следующей упрощенной схеме показана типичная схема водотрубного котла:
В реальном котле все было бы намного сложнее, потому что целью котла является извлечение максимально возможного количества тепла из горящего топлива для повышения эффективности.
