Принципът на действие на парната машина

Съдържание

анотация

1. Теоретична част

1.1 Хронология

1.2 Парна машина

1.2.1 Парен котел

1.2.2 Парни турбини

1.3 Парни машини

1.3.1 Първите параходи

1.3.2 Раждането на двуколесните автомобили

1.4 Използването на парни машини

1.4.1 Предимство на парните машини

1.4.2 Ефективност

2. Практическа част

2.1 Изграждане на механизма

2.2 Начини за подобряване на машината и нейната ефективност

2.3 Въпросник

Заключение

Библиография

Приложение

парен двигателполезно действие

анотация

Настоящият научен труд се състои от 32 листа и включва теоретична част, практическа част, приложение и заключение. В теоретичната част ще научите за принципа на действие на парните машини и механизми, за тяхната история и ролята на приложението им в живота. Практическата част детайлизира процеса на проектиране и тестване на парния механизъм у дома. Тази научна работа може да служи като ясен пример за работата и използването на парна енергия.

Въведение

Светът на подчинените на всякакви капризи на природата, където машините се задвижват от мускулна сила или силата на водни колела и вятърни мелници - това беше светът на технологиите преди създаването на парна машина.пожарен, е в състояние да измести препятствие ( например лист хартия), който е на пътя й. Това накара човек да се замисли как парата може да се използва като работен флуид. В резултат след много експерименти се появи парна машина. И представете си фабрики с димящи комини, парни машини и турбини, парни локомотиви и параходи - целият сложен и мощен свят на парната техника, създаден от човека. Парната машина беше практически единствената универсален двигател и изигра огромна роля в развитието на човечеството Изобретяването на парната машина послужи като тласък за по-нататъшното развитие на превозните средства. В продължение на сто години това беше единственият промишлен двигател, чиято универсалност му позволяваше да се използва във фабрики, железници и флоти.Изобретяването на парната машина е огромен пробив, стоящ на границата на две епохи. И след векове цялото значение на това изобретение се усеща още по-остро.

Хипотеза:

Възможно ли е да изградите със собствените си ръце най-простия механизъм, който работи за двойка.

Целта на работата: да се проектира механизъм, способен да се движи по двойка.

Цел на изследването:

1. Проучете научната литература.

2. Проектирайте и изградете най-простия механизъм, който работи на пара.

3. Обмислете възможностите за повишаване на ефективността в бъдеще.

Този научен труд ще служи като наръчник в часовете по физика за ученици от гимназията и за тези, които се интересуват от тази тема.

1. ТеоРдтикова част

Парна машина - термичен бутален двигател, при който потенциалната енергия на водната пара, идваща от парен котел, се преобразува в механична работа на възвратно-постъпателното движение на буталото или въртеливото движение на вала.

Парата е един от обичайните топлоносители в топлинни системи с нагрята течна или газообразна работна течност заедно с вода и термични масла. Водната пара има редица предимства, включително лекота и гъвкавост на използване, ниска токсичност и способността да доставя значително количество енергия за процеса. Може да се използва в различни системи, които включват директен контакт на охлаждащата течност с различни елементи на оборудването, ефективно допринасяйки за по-ниски енергийни разходи, намаляване на емисиите и бързо изплащане.

Законът за запазване на енергията е основен закон на природата, установен емпирично и се състои в това, че енергията на изолирана (затворена) физическа система се запазва във времето. С други думи, енергията не може да възникне от нищото и не може да изчезне в нищото, тя може само да преминава от една форма в друга. От фундаментална гледна точка, според теоремата на Ньотер, законът за запазване на енергията е следствие от хомогенността на времето и в този смисъл е универсален, тоест присъщ на системи с много различна физическа природа.

1.1 Хронология

4000 г. пр.н.е д. - човек изобретил колелото.

3000 г. пр.н.е д. - първите пътища се появяват в древен Рим.

2000 г. пр.н.е д. - колелото ни стана по-познато. Той имаше главина, джанта и спици, които ги свързваха.

1700 г. пр.н.е д. - появяват се първите пътища, павирани с дървени блокове.

312 пр.н.е д. - Първите павирани пътища са построени в древен Рим. Дебелината на зидарията достига един метър.

1405 г. - появяват се първите пролетни конски вагони.

1510 г. - конска каруца придобива тяло със стени и покрив. Пътниците имат възможност да се предпазят от лошо време по време на пътуването.

1526 - Немският учен и художник Албрехт Дюрер разработва интересен проект на "каруца без коне", задвижвана от мускулната сила на хората. Хората, които вървят отстрани на каретата, завъртяха специални дръжки. Това въртене се предава на колелата на каретата с помощта на червячна предавка. За съжаление вагонът не е направен.

1600 - Саймън Стевин построява яхта на колела, движеща се под въздействието на силата на вятъра. Тя стана първият дизайн на каруца без коне.

1610 - каретите претърпяха две значителни подобрения. Първо, ненадеждните и твърде меки колани, които разклащаха пътниците по време на пътуването, бяха заменени със стоманени пружини. Второ, конската сбруя беше подобрена. Сега конят тегли каретата не с врата, а с гърдите си.

1649 - премина първите тестове за използването на пружина, предварително усукана от човек, като движеща сила. Ресорната карета е построена от Йохан Хаух в Нюрнберг. Историците обаче поставят под съмнение тази информация, тъй като има версия, че вместо голяма пружина вътре в каретата е седял човек, който е задвижил механизма.

1680 г. - в големите градове се появяват първите образци на конски обществен транспорт.

1690 - Стефан Фарфлер от Нюрнберг създава количка с три колела, която се движи с помощта на две дръжки, въртящи се с ръце. Благодарение на това задвижване дизайнерът на вагона можеше да се придвижва от място на място без помощта на краката си.

1698 - Англичанинът Томас Сейвъри построява първия парен котел.

1741 г. - Руският самоук механик Леонтий Лукянович Шамшуренков изпраща „доклад“, описващ „самоходна карета“, до губернската служба в Нижни Новгород.

1769 г. - Френският изобретател Куньо построява първата в света парна кола.

1784 г. – Джеймс Уат създава първата парна машина.

1791 г. - Иван Кулибин проектира триколесна самоходна карета, която може да побере двама пътници. Задвижването се извършва с помощта на педален механизъм.

1794 - Парната машина на Cugno е предадена в "хранилище на машини, инструменти, модели, чертежи и описания на всички видове изкуства и занаяти" като друг механичен любопитство.

1800 г. - има мнение, че през тази година в Русия е построен първият велосипед в света. Неговият автор е крепостният селянин Ефим Артамонов.

1808 – Първият френски велосипед се появява по улиците на Париж. Той беше направен от дърво и се състоеше от напречна греда, свързваща две колела. За разлика от съвременния велосипед, той нямаше кормило или педали.

1810 г. - в Америка и европейските страни започва да се появява каретата. В големите градове се появиха цели улици и дори квартали, населени с майстори кочияши.

1816 г. - Германският изобретател Карл Фридрих Драйс построява машина, наподобяваща модерен велосипед. Веднага след като се появи по улиците на града, той получи името "бягаща кола", тъй като собственикът му, отблъсквайки се с краката си, всъщност тичаше по земята.

1834 г. - в Париж е тестван ветроходен екипаж, проектиран от М. Hakuet. Този екипаж имаше мачта с височина 12 метра.

1868 г. – Смята се, че тази година французинът Ерне Мишо създава прототипа на модерния мотоциклет.

1871 г. - Френският изобретател Луи Перо създава парен двигател за велосипед.

1874 г - в Русия е построен парен колесен трактор. За прототип е използвана английската кола "Evelyn Porter".

1875 г - Първата парна машина на Amadeus Bdlly е демонстрирана в Париж.

1884 г. - Американецът Луис Копланд построява мотоциклет, на който над предното колело е монтирана парна машина. Този дизайн може да ускори до 18 км / ч.

1901 г - в Русия е построен пътнически парен автомобил на Московския велосипеден завод "Дукс".

1902 г - Леон Серполет на една от своите парни коли постави световен рекорд за скорост - 120 км/ч.

Година по-късно той постави нов рекорд - 144 км / ч.

1905 г. - Американецът Ф. Мариот на парен автомобил превишава скорост от 200 км

1.2 Парадвигател

Двигател, задвижван от пара. Парата, получена при нагряване на вода, се използва за задвижване. При някои двигатели парата принуждава буталата в цилиндрите да се движат. Това създава възвратно-постъпателно движение. Свързаният механизъм обикновено го преобразува във въртеливо движение. Парните локомотиви (локомотиви) използват бутални двигатели. Парните турбини също се използват като двигатели, които дават директно въртеливо движение чрез въртене на серия от колела с лопатки. Парните турбини задвижват електрически генератори и корабни витла. Във всеки парен двигател топлината, генерирана от нагряване на вода в парен котел (котел), се преобразува в енергия на движение. Топлината може да бъде доставена от изгаряне на гориво в пещ или от ядрен реактор. Първият парен двигател в историята беше нещо като помпа, с помощта на която те изпомпваха водата, наводняваща мините. Изобретен е през 1689 г. от Томас Савъри. В тази машина, много проста като конструкция, парата се кондензира в малко количество вода и поради това се създава частичен вакуум, поради което водата се изсмуква от шахтата на мината. През 1712 г. Томас Нюкомен изобретява буталната помпа, задвижвана с пара. През 1760г Джеймс Уат подобрява дизайна на Нюкомен и създава много по-ефективни парни машини. Скоро те бяха използвани във фабриките за захранване на машинни инструменти. През 1884 г. английският инженер Чарлз Парсън (1854-1931) изобретява първата практична парна турбина. Неговите проекти бяха толкова ефективни, че скоро започнаха да заменят буталните парни двигатели в електроцентралите. Най-удивителното постижение в областта на парните машини е създаването на напълно затворен, работещ парен двигател с микроскопични размери. Японски учени го създадоха, използвайки техники, използвани за направата на интегрални схеми. Малък ток, преминаващ през електрическия нагревателен елемент, превръща капката вода в пара, която движи буталото. Сега учените трябва да открият в кои области това устройство може да намери практически приложения.

Интересът към водната пара като достъпен източник на енергия се появява заедно с първите научни познания на древните. От три хилядолетия хората се опитват да укротят тази енергия. Кои са основните етапи на този път? Чии размишления и проекти са научили човечеството да извлича максимална полза от него?

Предпоставки за възникване на парните машини

Необходимостта от механизми, които могат да улеснят трудоемките процеси, винаги е съществувала. До около средата на 18 век за тази цел са използвани вятърни мелници и водни колела. Възможността за използване на вятърна енергия зависи пряко от капризите на времето. И за да се използват водни колела, фабриките трябваше да бъдат построени по бреговете на реките, което не винаги е удобно и целесъобразно. И ефективността и на двете беше изключително ниска. Беше необходим принципно нов двигател,лесно управлявани и лишени от тези недостатъци.

Историята на изобретението и усъвършенстването на парните машини

Създаването на парна машина е резултат от много мисли, успех и провал на надеждите на много учени.

Началото на пътя

Първите, единични проекти бяха само интересни любопитства. Например, Архимедпострои парен пистолет Александрийска чаплаизползвал енергията на парата, за да отвори вратите на древните храмове. И изследователите откриват бележки за практическото приложение на енергията на парата за задействане на други механизми в работата Леонардо да Винчи.

Помислете за най-значимите проекти по тази тема.

През 16 век арабският инженер Таги ал Дин разработва проект за примитивна парна турбина. Въпреки това, той не получи практическо приложение поради силното разпръскване на парната струя, подадена към лопатките на турбинните колела.

Бързо напред към средновековна Франция. Физикът и талантлив изобретател Денис Папен, след много неуспешни проекти, спира на следния дизайн: вертикален цилиндър е напълнен с вода, върху която е монтирано бутало.

Цилиндърът се нагрява, водата завира и се изпарява. Разширяващата се пара повдигна буталото. Той беше фиксиран в горната точка на възхода и се очакваше цилиндърът да се охлади и парата да кондензира. След като парата се кондензира, в цилиндъра се образува вакуум. Буталото, освободено от закрепване, се втурна във вакуум под действието на атмосферното налягане. Именно това падане на буталото трябваше да се използва като работен ход.

И така, полезният ход на буталото е причинен от образуването на вакуум поради кондензацията на пара и външно (атмосферно) налягане.

Защото парната машина Papinкато повечето следващи проекти, те бяха наречени парно-атмосферни машини.

Този дизайн имаше много съществен недостатък - повторяемостта на цикъла не е осигурена.Денис идва с идеята да получава пара не в цилиндър, а отделно в парен котел.

Денис Папен влезе в историята на създаването на парни машини като изобретател на много важен детайл - парния котел.

И тъй като започнаха да получават пара извън цилиндъра, самият двигател премина в категорията на двигателите с външно горене. Но поради липсата на разпределителен механизъм, който да гарантира непрекъсната работа, тези проекти почти не са намерили практическо приложение.

Нов етап в развитието на парните машини

От около 50 години се използва за изпомпване на вода във въглищни мини. Парната помпа на Томас Нюкомен.Той до голяма степен повтори предишните проекти, но съдържа много важни новости - тръба за изтегляне на кондензирана пара и предпазен клапан за освобождаване на излишната пара.

Неговият значителен недостатък беше, че цилиндърът трябваше да се нагрее, преди да се инжектира пара, след което да се охлади, преди да кондензира. Но необходимостта от такива двигатели беше толкова голяма, че въпреки очевидната им неефективност, последните копия на тези машини служат до 1930 г.

През 1765г Английският механик Джеймс Уат,ангажиран с подобряването на машината на Нюкомен, отдели кондензатора от парния цилиндър.

Стана възможно цилиндърът да се поддържа постоянно нагрят. Ефективността на машината веднага се увеличи. През следващите години Watt значително подобри своя модел, оборудвайки го с устройство за подаване на пара от едната страна към другата.

Стана възможно тази машина да се използва не само като помпа, но и за задвижване на различни машини. Уат получава патент за изобретението си - непрекъсната парна машина. Започва масовото производство на тези машини.

До началото на 19 век в Англия работят парни машини с мощност над 320 вата. Други европейски страни също започнаха да ги купуват. Това допринесе за значително увеличение на промишленото производство в много отрасли, както в самата Англия, така и в съседните държави.

Двадесет години по-рано от Ват, в Русия, алтайският механик Иван Иванович Ползунов работи върху проекта за парна машина.

Ръководството на завода му предлага да построи агрегат, който да задвижва вентилатора на топилната пещ.

Построената от него машина била двуцилиндрова и осигурявала непрекъсната работа на свързаното към нея устройство.

След успешна работа повече от месец и половина, бойлерът започна да тече. Самият Ползунов вече не беше жив по това време. Колата не е ремонтирана. И прекрасното творение на един-единствен руски изобретател беше забравено.

Поради изостаналостта на Русия по това време светът научи за изобретението на И. И. Ползунов с голямо закъснение ....

Така че, за да се задвижи парна машина, е необходимо парата, генерирана от парния котел, разширявайки се, да притиска буталото или лопатките на турбината. И след това тяхното движение беше прехвърлено на други механични части.

Използването на парни машини в транспорта

Въпреки факта, че ефективността на парните двигатели от онова време не надвишава 5%, до края на 18 век те започват активно да се използват в селското стопанство и транспорта:

• във Франция има кола с парен двигател;
• в САЩ започва да се движи параход между градовете Филаделфия и Бърлингтън;
• в Англия е демонстриран железопътен локомотив с парен двигател;
• руски селянин от Саратовска губерния патентова построен от него гъсеничен трактор с мощност 20 к.с. С.;
• многократно са правени опити за изграждане на самолет с парен двигател, но, за съжаление, ниската мощност на тези агрегати с голямото тегло на самолета направи тези опити неуспешни.

До края на 19 век парните двигатели, изиграли своята роля в техническия прогрес на обществото, отстъпиха място на електрическите двигатели.

Парни устройства през XXI век

С навлизането на нови енергийни източници през 20-ти и 21-ви век отново се появява необходимостта от използване на парна енергия. Парните турбини стават неразделна част от атомните електроцентрали.Парата, която ги захранва, се получава от ядрено гориво.

Тези турбини се използват широко и в кондензационни топлоелектрически централи.

В редица страни се провеждат експерименти за получаване на пара чрез слънчева енергия.

Не са забравени и буталните парни машини. В планинските райони като локомотив все още се използват парни локомотиви.

Тези надеждни работници са едновременно по-безопасни и по-евтини. Те не се нуждаят от електропроводи, а горивото - дърва и евтини видове въглища - винаги са под ръка.

Съвременните технологии позволяват улавяне на до 95% от емисиите в атмосферата и повишаване на ефективността до 21%, така че хората все още са решили да не се разделят с тях и работят върху ново поколение парни локомотиви.

Ако това съобщение е било полезно за вас, ще се радвам да ви видя

Живея на въглища и вода и все още имам достатъчно енергия, за да вдигам 100 мили в час! Точно това може да направи един парен локомотив. Въпреки че тези гигантски механични динозаври вече са изчезнали от повечето железопътни линии по света, парната технология продължава да живее в сърцата на хората и локомотиви като този все още служат като туристически атракции на много исторически железопътни линии.

Първите модерни парни машини са изобретени в Англия в началото на 18 век и отбелязват началото на индустриалната революция.

Днес отново се връщаме към парната енергия. Поради конструктивните характеристики, по време на процеса на горене парната машина произвежда по-малко замърсяване от двигателя с вътрешно горене. Гледайте това видео, за да видите как работи.

Какво задвижваше старата парна машина?

Необходима е енергия, за да правите абсолютно всичко, за което се сетите: каране на скейтборд, летене на самолет, пазаруване или шофиране по улицата. По-голямата част от енергията, която използваме за транспорт днес, идва от петрол, но това не винаги е било така. До началото на 20-ти век въглищата бяха любимото гориво в света и задвижваха всичко - от влакове и кораби до злополучния парен самолет, изобретен от американския учен Самюел П. Лангли, ранен конкурент на братята Райт. Какво е толкова специално за въглищата? Вътре в Земята има много от него, така че е сравнително евтин и широко достъпен.

Въглищата са органичен химикал, което означава, че се основават на елемента въглерод. Въглищата се образуват в продължение на милиони години, когато останките от мъртви растения са заровени под скали, компресирани под налягане и кипени от вътрешната топлина на Земята. Ето защо се нарича изкопаемо гориво. Бучките въглища са наистина буци енергия. Въглеродът в тях е свързан с водородни и кислородни атоми чрез съединения, наречени химични връзки. Когато изгаряме въглища на огън, връзките се разкъсват и енергията се освобождава под формата на топлина.

Въглищата съдържат около половината енергия на килограм от по-чистите изкопаеми горива като бензин, дизел и керосин – и това е една от причините парните машини да горят толкова много.

Готови ли са парните машини за епично завръщане?

Някога парната машина доминираше - първо във влаковете и тежките трактори, както знаете, но накрая и в колите. Трудно е да се разбере днес, но в началото на 20-ти век повече от половината коли в САЩ са били задвижвани с пара. Парната машина беше толкова подобрена, че през 1906 г. парна машина, наречена Stanley Rocket, дори държеше рекорда за скорост на сушата - безразсъдна скорост от 127 мили в час!

Може би си мислите, че парната машина е била успешна само защото двигателите с вътрешно горене (ICE) все още не са съществували, но всъщност парните машини и автомобилите с ICE са разработени по едно и също време. Тъй като инженерите вече имаха 100 години опит с парни машини, парната машина имаше доста голяма преднина. Докато ръчните двигатели с манивела чупеха ръцете на нещастните оператори, през 1900 г. парните машини вече бяха напълно автоматизирани - и без съединител или скоростна кутия (парата осигурява постоянно налягане, за разлика от хода на двигател с вътрешно горене), много лесни за работа. Единственото предупреждение е, че трябваше да изчакате няколко минути, за да загрее котела.

Но след няколко години Хенри Форд ще дойде и ще промени всичко. Въпреки че парната машина е технически по-добра от двигателя с вътрешно горене, тя не може да достигне цената на серийните фордове. Производителите на парни автомобили се опитват да сменят предавките и да продават колите си като първокласни, луксозни продукти, но до 1918 г. Ford Model T е шест пъти по-евтин от Steanley Steamer (най-популярната парна кола по това време). С появата на електрическия стартер през 1912 г. и постоянното подобряване на ефективността на двигателя с вътрешно горене не след дълго парната машина изчезна от нашите пътища.

Под напрежение

През последните 90 години парните двигатели бяха на ръба на изчезването и гигантски зверове се появиха на изложения за ретро автомобили, но не много. Тихо обаче, на заден план, изследванията тихо се придвижиха напред, отчасти поради нашата зависимост от парни турбини за производство на електроенергия, а също и защото някои хора вярват, че парните двигатели всъщност могат да надминат двигателите с вътрешно горене.

ICE имат присъщи недостатъци: изискват изкопаеми горива, произвеждат много замърсяване и са шумни. Парните машини, от друга страна, са много тихи, много чисти и могат да използват почти всяко гориво. Парните двигатели, благодарение на постоянното налягане, не изискват предавка - получавате максимален въртящ момент и ускорение незабавно, в покой. За градско шофиране, където спирането и потеглянето консумира огромни количества изкопаеми горива, непрекъснатата мощност на парните двигатели може да бъде много интересна.

Технологиите са изминали дълъг път и от 20-те години на миналия век - на първо място ние сме сега майстори на материала. Оригиналните парни машини изискваха огромни, тежки котли, за да издържат на топлината и налягането, и в резултат на това дори малките парни машини тежаха няколко тона. Със съвременните материали парните двигатели могат да бъдат леки като своите братовчеди. Добавете модерен кондензатор и някакъв вид изпарителен котел и можете да изградите парна машина с прилична ефективност и времена за загряване, които се измерват в секунди, а не в минути.

През последните години тези постижения се комбинираха в някои вълнуващи развития. През 2009 г. британски екип постави нов рекорд за скорост на вятъра, задвижван от пара, от 148 mph, като най-накрая счупи рекорда на ракетата Stanley, който се поддържаше повече от 100 години. През 90-те години на миналия век подразделение за научноизследователска и развойна дейност на Volkswagen, наречено Enginion, твърди, че е създало парен двигател, който е сравним по ефективност с двигател с вътрешно горене, но с по-ниски емисии. През последните години Cyclone Technologies твърди, че е разработила парен двигател, който е два пъти по-ефективен от двигател с вътрешно горене. Към днешна дата обаче нито един двигател не е намерил място в търговско превозно средство.

Продължавайки напред, малко вероятно е парните двигатели някога да излязат от двигателя с вътрешно горене, дори само поради огромната инерция на Big Oil. Въпреки това, един ден, когато най-накрая решим да погледнем сериозно към бъдещето на личния транспорт, може би тихата, зелена, плъзгаща се грация на парната енергия ще получи втори шанс.

Парни машини на нашето време

технология.

иновативна енергия. NanoFlowcell® в момента е най-иновативната и най-мощна система за съхранение на енергия за мобилни и стационарни приложения. За разлика от конвенционалните батерии, nanoFlowcell® се захранва от течни електролити (bi-ION), които могат да се съхраняват далеч от самата клетка. Ауспухът на автомобил с тази технология е водна пара.

Подобно на конвенционална проточна клетка, положително и отрицателно заредените електролитни течности се съхраняват отделно в два резервоара и, подобно на конвенционална проточна клетка или горивна клетка, се изпомпват през преобразувателя (действителния елемент на системата nanoFlowcell) в отделни вериги.

Тук двете електролитни вериги са разделени само от пропусклива мембрана. Йонният обмен се извършва веднага щом положителните и отрицателните електролитни разтвори преминат един през друг от двете страни на преобразувателната мембрана. Това преобразува химическата енергия, свързана с би-йона, в електричество, което след това е директно достъпно за потребителите на електроенергия.

Подобно на водородните превозни средства, „отработените газове“, произведени от електрическите превозни средства nanoFlowcell, са водни пари. Но дали емисиите на водна пара от бъдещите електрически превозни средства са екологични?

Критиците на електрическата мобилност все повече поставят под въпрос екологичната съвместимост и устойчивостта на алтернативните енергийни източници. За мнозина електрическите превозни средства са посредствен компромис между шофиране с нулеви емисии и вредни за околната среда технологии. Обикновените литиево-йонни или метални хидридни батерии не са нито устойчиви, нито екологични - не трябва да се произвеждат, използват или рециклират, дори ако рекламата предполага чиста "е-мобилност".

nanoFlowcell Holdings също често се питат за устойчивостта и екологичната съвместимост на технологията nanoFlowcell и би-йонните електролити. Както самият nanoFlowcell, така и би-ЙОН електролитните разтвори, необходими за захранването му, се произвеждат по екологичен начин от екологично чисти суровини. По време на работа технологията nanoFlowcell е напълно нетоксична и по никакъв начин не уврежда здравето. Bi-ION, който се състои от воден разтвор с ниско съдържание на сол (органични и минерални соли, разтворени във вода) и действителни носители на енергия (електролити), също е екологичен, когато се използва и рециклира.

Как работи задвижването nanoFlowcell в електрическа кола? Подобно на бензинова кола, електролитният разтвор се изразходва в електрическо превозно средство с нанопоточна клетка. Вътре в нанорамото (действителна проточна клетка) един положително и един отрицателно зареден електролитен разтвор се изпомпват през клетъчната мембрана. Реакцията - йонообмен - протича между положително и отрицателно заредените електролитни разтвори. По този начин химическата енергия, съдържаща се в би-йоните, се освобождава под формата на електричество, което след това се използва за задвижване на електрически двигатели. Това се случва, докато електролитите се изпомпват през мембраната и реагират. В случай на задвижване QUANTiNO с nanoflowcell, един резервоар с електролитна течност е достатъчен за повече от 1000 километра. След изпразване резервоарът трябва да се напълни отново.

Какъв вид "отпадък" се генерира от електрическо превозно средство с nanoflowcell? В превозно средство с конвенционален двигател с вътрешно горене, изгарянето на изкопаеми горива (бензин или дизел) произвежда опасни отработени газове - главно въглероден диоксид, азотни оксиди и серен диоксид - чието натрупване е идентифицирано от много изследователи като причина за изменението на климата. промяна. Въпреки това, единствените емисии, отделяни от превозното средство nanoFlowcell по време на шофиране, са - почти като превозно средство, задвижвано с водород - почти изцяло вода.

След извършване на йонния обмен в наноклетката, химичният състав на би-ЙОН електролитния разтвор остава практически непроменен. Той вече не е реактивен и следователно се счита за "изхабен", тъй като не може да бъде презареден. Ето защо, за мобилни приложения на технологията nanoFlowcell, като електрически превозни средства, беше взето решение за микроскопично изпаряване и освобождаване на разтворения електролит, докато превозното средство е в движение. При скорости над 80 km/h, контейнерът за отпадъчна електролитна течност се изпразва чрез изключително фини разпръскващи дюзи с помощта на генератор, задвижван от задвижваща енергия. Електролитите и солите се филтрират предварително механично. Изпускането на текущо пречистена вода под формата на студена водна пара (микрофина мъгла) е напълно съвместимо с околната среда. Филтърът се сменя на около 10гр.

Предимството на това техническо решение е, че резервоарът на автомобила се изпразва при нормално шофиране и може лесно и бързо да се допълва без необходимост от помпане.

Алтернативно решение, което е малко по-сложно, е да се събере отработеният електролитен разтвор в отделен резервоар и да се изпрати за рециклиране. Това решение е предназначено за подобни стационарни приложения на nanoFlowcell.

Много критици обаче предполагат, че типът водна пара, която се отделя от преобразуването на водород в горивните клетки или от изпаряването на електролитна течност в случай на нанотръби, е теоретично парников газ, който може да окаже влияние върху изменението на климата. Как възникват подобни слухове?

Ние разглеждаме емисиите на водна пара от гледна точка на тяхното значение за околната среда и питаме колко повече водна пара може да се очаква от широкото използване на превозни средства с нанопоточни клетки в сравнение с традиционните задвижващи технологии и дали тези емисии на H 2 O могат да имат отрицателно въздействие върху околната среда.

Най-важните естествени парникови газове – заедно с CH 4 , O 3 и N 2 O – водните пари и CO 2 , въглеродният диоксид и водните пари са изключително важни за поддържането на глобалния климат. Слънчевата радиация, която достига до земята, се абсорбира и затопля земята, която от своя страна излъчва топлина към атмосферата. По-голямата част от тази излъчена топлина обаче излиза обратно в космоса от земната атмосфера. Въглеродният диоксид и водната пара имат свойствата на парникови газове, образувайки "защитен слой", който не позволява цялата лъчиста топлина да излезе обратно в космоса. В естествен контекст този парников ефект е от решаващо значение за нашето оцеляване на Земята - без въглероден диоксид и водни пари земната атмосфера би била враждебна за живота.

Парниковият ефект става проблематичен само когато непредсказуема човешка намеса наруши естествения цикъл. Когато, в допълнение към естествените парникови газове, хората причиняват по-висока концентрация на парникови газове в атмосферата чрез изгаряне на изкопаеми горива, това увеличава нагряването на земната атмосфера.

Като част от биосферата, хората неизбежно влияят на околната среда, а оттам и на климатичната система, със самото си съществуване. Постоянното нарастване на населението на Земята след каменната ера и създаването на селища преди няколко хиляди години, свързано с прехода от номадски живот към земеделие и животновъдство, вече е повлияло на климата. Близо половината от първоначалните гори и гори в света са изсечени за селскостопански цели. Горите - заедно с океаните - са основният производител на водна пара.

Водната пара е основният абсорбатор на топлинното излъчване в атмосферата. Водната пара е средно 0,3% от масата на атмосферата, въглеродният диоксид само 0,038%, което означава, че водната пара съставлява 80% от масата на парниковите газове в атмосферата (около 90% от обема) и, като се вземат предвид от 36 до 66% е най-важният парников газ, който осигурява съществуването ни на земята.

Таблица 3: Атмосферен дял на най-важните парникови газове и абсолютен и относителен дял на повишаването на температурата (Zittel)

Парната машина е топлинна машина, в която потенциалната енергия на разширяващата се пара се преобразува в механична енергия, предоставена на потребителя.

Ще се запознаем с принципа на работа на машината, като използваме опростената схема на фиг. 1.

Вътре в цилиндър 2 има бутало 10, което може да се движи напред и назад под налягане на парата; цилиндърът има четири канала, които могат да се отварят и затварят. Два горни канала за пара1 И3 са свързани с тръбопровод към парния котел, като през тях в цилиндъра може да постъпва свежа пара. Чрез двата долни капала 9 и 11 двойката, която вече е свършила работата, се освобождава от цилиндъра.

Диаграмата показва момента, когато канали 1 и 9 са отворени, канали 3 и11 затворен. Следователно прясна пара от котела през канала1 влиза в лявата кухина на цилиндъра и с натиска си премества буталото надясно; по това време отработената пара се отстранява от дясната кухина на цилиндъра през канал 9. С крайно дясно положение на буталото, каналите1 И9 са затворени, а 3 за вход на прясна пара и 11 за изпускане на отработена пара са отворени, в резултат на което буталото ще се премести наляво. В крайно ляво положение на буталото се отварят канали1 и 9 и канали 3 и 11 се затварят и процесът се повтаря. Така се създава праволинейно възвратно-постъпателно движение на буталото.

За да се превърне това движение във въртеливо, се използва така нареченият колянов механизъм. Състои се от бутален прът - 4, свързан в единия си край с буталото, а в другия, шарнирно, посредством плъзгащ се между направляващите паралели плъзгач (кръстачка) 5 с биела 6, която предава движение на главния вал 7 през неговото коляно или манивела 8.

Размерът на въртящия момент на главния вал не е постоянен. Наистина силатаР , насочен по протежение на стъблото (фиг. 2), може да се разложи на два компонента:ДА СЕ насочен по протежение на свързващия прът, ин , перпендикулярно на равнината на водещите паралели. Силата N не влияе върху движението, а само притиска плъзгача към водещите паралели. СилаДА СЕ се предава по мотовилката и действа върху манивелата. Тук отново може да се разложи на два компонента: силатаЗ , насочена по радиуса на манивелата и притискаща вала към лагерите, и силатаT перпендикулярно на манивелата и карайки вала да се върти. Големината на силата T ще бъде определена от разглеждането на триъгълника AKZ. Тъй като ъгълът ZAK = ? + ?, тогава

Т = К грях (? + ?).

Но от триъгълника на OCD силата

К= П/ cos ?

Ето защо

Т= psin( ? + ?) / cos ? ,

По време на работа на машината за един оборот на вала ъглите? И? и силаР се променят непрекъснато и следователно големината на усукващата (тангенциална) силаT също променлива. За да се създаде равномерно въртене на главния вал по време на един оборот, върху него е монтиран тежък маховик, поради инерцията на който се поддържа постоянна ъглова скорост на въртене на вала. В онези моменти, когато силатаT увеличава, не може веднага да увеличи скоростта на въртене на вала, докато маховикът не се ускори, което не се случва мигновено, тъй като маховикът има голяма маса. В онези моменти, когато работата, произведена от силата на усукванеT , работата на съпротивителните сили, създадени от потребителя, става по-малка, маховикът, отново поради своята инерция, не може веднага да намали скоростта си и, отдавайки енергията, получена по време на неговото ускорение, помага на буталото да преодолее товара.

В крайните позиции на ъглите на буталото? +? = 0, така че sin (? + ?) = 0 и, следователно, T = 0. Тъй като няма сила на въртене в тези позиции, ако машината беше без маховик, заспиването би трябвало да спре. Тези крайни позиции на буталото се наричат ​​мъртви позиции или мъртви точки. През тях минава и манивелата поради инерцията на маховика.

В мъртви позиции буталото не е в контакт с капаците на цилиндъра, между буталото и капака остава така нареченото вредно пространство. Обемът на вредното пространство включва и обема на парните канали от пароразпределителните органи до цилиндъра.

УдарС наречен пътят, изминат от буталото при преместване от едно крайно положение в друго. Ако разстоянието от центъра на главния вал до центъра на щифта на манивелата - радиусът на манивелата - се означи с R, тогава S = 2R.

Обем на цилиндъра V ч наречен обем, описан от буталото.

Обикновено парните машини са с двойно (двустранно) действие (виж фиг. 1). Понякога се използват машини с едно действие, при които парата оказва натиск върху буталото само от страната на капака; другата страна на цилиндъра в такива машини остава отворена.

В зависимост от налягането, с което парата излиза от цилиндъра, машините се делят на изпускателни, ако парата излиза в атмосферата, кондензиращи, ако парата влиза в кондензатора (хладилник, в който се поддържа понижено налягане) и топлоотвеждащи, в която изпусканата в машината пара се използва за всякакви цели (отопление, сушене и др.)

Процесът на изобретяване на парен двигател, както често се случва в технологиите, се простира почти век, така че изборът на дата за това събитие е доста произволен. Никой обаче не отрича, че пробивът, довел до технологичната революция, е извършен от шотландеца Джеймс Уат.

Хората са мислили за използването на пара като работна течност от древни времена. Въпреки това, едва в началото на XVII-XVIII век. успя да намери начин да произвежда полезна работа с помощта на пара. Един от първите опити да се постави парата в услуга на човека е направен в Англия през 1698 г.: машината на изобретателя Савъри е проектирана да източва мини и да изпомпва вода. Вярно, изобретението на Сейвъри все още не беше двигател в пълния смисъл на думата, тъй като освен няколко ръчно отваряни и затваряни клапана, то нямаше движещи се части. Машината на Savery работеше по следния начин: първо запечатан резервоар се пълни с пара, след това външната повърхност на резервоара се охлажда със студена вода, което кара парата да кондензира и в резервоара се създава частичен вакуум. След това водата - например от дъното на мината - се засмуква в резервоара през всмукателната тръба и след постъпване на следващата порция пара се изхвърля навън.

Първата парна машина с бутало е построена от французина Денис Папен през 1698 г. Във вертикален цилиндър с бутало се нагрява вода и получената пара изтласква буталото нагоре. Когато парата се охлади и кондензира, буталото беше избутано надолу от атмосферното налягане. Чрез система от блокове парната машина на Папен може да задвижва различни механизми, като например помпи.

По-съвършена машина е построена през 1712 г. от английския ковач Томас Нюкомен. Както в машината на Папен, буталото се движеше във вертикален цилиндър. Парата от котела навлизаше в основата на цилиндъра и повдигаше буталото нагоре. Когато в цилиндъра се впръска студена вода, парата се кондензира, в цилиндъра се образува вакуум и под въздействието на атмосферното налягане буталото пада надолу. Този обратен ход извади водата от цилиндъра и с помощта на верига, свързана с кобилица, движеща се като люлка, повдигна пръта на помпата нагоре. Когато буталото беше в долната част на хода си, парата отново влезе в цилиндъра и с помощта на противотежест, монтирана на пръта на помпата или на кобилицата, буталото се издигна до първоначалното си положение. След това цикълът се повтаря.

Машината Newcomen се използва широко в Европа повече от 50 години. През 40-те години на 17 век машина с цилиндър с дължина 2,74 м и диаметър 76 см върши за един ден работата, която екип от 25 души и 10 коня, работещи на смени, върши за седмица. И все пак неговата ефективност беше изключително ниска.

Най-ярката индустриална революция се проявява в Англия, предимно в текстилната промишленост. Несъответствието между предлагането на тъкани и бързо нарастващото търсене привлича най-добрите дизайнерски умове към разработването на предачни и тъкачни машини. Историята на английската технология завинаги включва имената на Картрайт, Кей, Кромптън, Харгрийвс. Но създадените от тях предачни и тъкачни машини се нуждаеха от качествено нов, универсален двигател, който непрекъснато и равномерно (което водното колело не можеше да осигури) би задвижил машините в еднопосочно въртеливо движение. Именно тук талантът на известния инженер, "магьосникът от Гринок" Джеймс Уат, се прояви в целия си блясък.

Уат е роден в шотландския град Гринок в семейството на корабостроител. Работейки като чирак в работилници в Глазгоу, през първите две години Джеймс придобива квалификацията на гравьор, майстор в производството на математически, геодезични, оптични инструменти и различни навигационни инструменти. По съвет на чичо си, професорът, Джеймс влезе в местния университет като механик. Именно тук Уат започва да работи върху парни машини.

Джеймс Уат се опитваше да подобри парно-атмосферната машина на Newcomen, която като цяло беше добра само за изпомпване на вода. За него беше ясно, че основният недостатък на машината на Нюкомен беше променливото нагряване и охлаждане на цилиндъра. През 1765 г. Уат излезе с идеята, че цилиндърът може да остане горещ през цялото време, ако преди кондензацията парата се отклони в отделен резервоар през тръбопровод с клапан. В допълнение Уат направи още няколко подобрения, които най-накрая превърнаха парно-атмосферния двигател в парен двигател. Например, той изобретил шарнирен механизъм - "успоредник на Ват" (наречен така, защото част от връзките - лостовете, които съставляват състава му, образуват успоредник), който превръща възвратно-постъпателното движение на буталото във въртеливо движение на главния вал. . Сега становете можеха да работят непрекъснато.

През 1776 г. машината на Ват е тествана. Неговата ефективност се оказва два пъти по-висока от тази на машината на Нюкомен. През 1782 г. Ват създава първата универсална парна машина с двойно действие. Парата влизаше в цилиндъра последователно от едната страна на буталото, после от другата. Следователно буталото извършваше както работен, така и обратен ход с помощта на пара, което не беше така при предишните машини. Тъй като буталния прът в парен двигател с двойно действие изпълнява теглещо и тласкащо действие, старата задвижваща система от вериги и кобилици, която реагира само на сцепление, трябваше да бъде преработена. Watt разработи система за свързване и използва планетарен механизъм за преобразуване на възвратно-постъпателното движение на бутален прът във въртеливо движение, използвайки тежък маховик, центробежен регулатор на скоростта, дисков клапан и манометър за измерване на налягането на парата. „Ротационната парна машина“, патентована от Watt, първо се използва широко в предачни и тъкачни мелници, а по-късно и в други промишлени предприятия. Двигателят Watt беше подходящ за всяка кола и изобретателите на самоходни механизми не се забавиха да се възползват от това.

Парната машина на Watt наистина е изобретението на века, което бележи началото на индустриалната революция. Но изобретателят не спря дотук. Съседите не веднъж са наблюдавали с изненада как Ват кара коне по поляната, теглейки специално подбрани тежести. Така имаше единица мощност - конски сили, която по-късно получи универсално признание.

За съжаление финансовите затруднения принудиха Уат, вече в зряла възраст, да извършва геодезически проучвания, да работи по изграждането на канали, да строи пристанища и яхтени пристанища и накрая да влезе в икономически поробващ съюз с предприемача Джон Ребек, който скоро претърпя пълен финансов колапс.