Princip rada parne mašine

Sadržaj

anotacija

1. Teorijski dio

1.1 Vremenski lanac

1.2 Parna mašina

1.2.1 Parni kotao

1.2.2 Parne turbine

1.3 Parne mašine

1.3.1 Prvi parobrodi

1.3.2 Rođenje dvotočkaša

1.4 Primjena parnih mašina

1.4.1 Prednost parnih mašina

1.4.2 Efikasnost

2. Praktični dio

2.1 Konstrukcija mehanizma

2.2 Načini poboljšanja mašine i njene efikasnosti

2.3 Upitnik

Zaključak

Bibliografija

Aplikacija

parna mašinakorisna akcija

anotacija

Ovaj naučni rad sastoji se od 32 lista. Sadrži teorijski dio, praktični dio, aplikaciju i zaključak. U teorijskom dijelu naučit ćete o principu rada parnih strojeva i mehanizama, njihovoj povijesti i ulozi upotrebe u životu. Praktični dio detaljno opisuje proces dizajniranja i testiranja parnog mehanizma kod kuće. Ovaj naučni rad može poslužiti kao jasan primjer rada i korištenja energije pare.

Uvod

Svijet podložan bilo kakvim hirovima prirode, gdje se strojevi pokreću mišićnom silom ili snagom vodenih kotača i vjetrenjača - to je bio svijet tehnologije prije stvaranja parne mašine Čak iu davnim vremenima ljudi su primijetili taj tok vodena para, koja izlazi iz posude zapaljene, može pomaknuti prepreku (na primjer, list papira) koja mu se nalazi na putu. Kao rezultat toga, nakon mnogih eksperimenata, pojavila se parna mašina i zamislite fabrike sa dimnjacima, parnim mašinama i turbinama, parnim lokomotivama i parobrodima - čitav kompleks parne tehnologije koju je stvorio čovek jedini univerzalni motor i odigrao je veliku ulogu u razvoju čovječanstva. Stotinu godina, to je bio jedini industrijski motor čija je svestranost omogućila da se koristi u tvornicama, na željeznicama i u mornarici. I vekovima kasnije, puni značaj ovog izuma se još oštrije oseća.

hipoteza:

Je li moguće vlastitim rukama izgraditi jednostavan mehanizam koji radi na paru?

Svrha rada: dizajnirati mehanizam sposoban da se kreće na paru.

Cilj istraživanja:

1. Proučite naučnu literaturu.

2. Dizajnirajte i napravite jednostavan mehanizam koji radi na paru.

3. Razmotriti mogućnosti za povećanje efikasnosti u budućnosti.

Ovaj naučni rad će poslužiti kao vodič u nastavi fizike za srednjoškolce i za one koji su zainteresovani za ovu temu.

1. TeoRetic part

Parna mašina je termički klipni stroj u kojem se potencijalna energija vodene pare koja dolazi iz parnog kotla pretvara u mehanički rad povratnim kretanjem klipa ili rotacijskim kretanjem osovine.

Para je jedno od uobičajenih rashladnih tečnosti u termičkim sistemima sa zagrejanim tečnim ili gasovitim radnim fluidom, zajedno sa vodom i termalnim uljima. Vodena para ima niz prednosti, uključujući jednostavnost i fleksibilnost upotrebe, nisku toksičnost i mogućnost da se tehnološki proces opskrbi značajnom količinom energije. Može se koristiti u različitim sistemima koji uključuju direktan kontakt rashladne tečnosti sa različitim elementima opreme, efikasno pomažu u smanjenju troškova energije, smanjenju emisija i brzom povratu.

Zakon održanja energije je temeljni zakon prirode, ustanovljen empirijski, koji kaže da se energija izolovanog (zatvorenog) fizičkog sistema održava tokom vremena. Drugim riječima, energija ne može nastati iz ničega i ne može nestati u ništa, može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi. Sa fundamentalne tačke gledišta, prema Noetherovoj teoremi, zakon održanja energije je posljedica homogenosti vremena i u tom smislu je univerzalan, odnosno inherentan sistemima vrlo različite fizičke prirode.

1.1 Vremenski lanac

4000 pne e. - Čovek je izmislio točak.

3000 pne e. - Prvi putevi su se pojavili u starom Rimu.

2000 pne e. - točak nam je dobio poznatiji izgled. Sada ima glavčinu, obruč i krakove koji ih povezuju.

1700 pne e. - pojavili su se prvi putevi popločani drvenim kockama.

312. pne e. - Prvi kameni putevi izgrađeni su u starom Rimu. Debljina kamenog zida dostigla je jedan metar.

1405 - pojavile su se prve proljetne konjske zaprege.

1510. - konjska zaprega dobila je karoseriju sa zidovima i krovom. Putnici su se tokom putovanja mogli zaštititi od lošeg vremena.

1526 - Njemački naučnik i umjetnik Albrecht Durer razvio je zanimljiv projekat za "kočiju bez konja" pokretanu mišićnom snagom ljudi. Ljudi koji su hodali uz bok kočije okretali su posebne ručke. Ova rotacija je prenošena na točkove vagona pomoću pužnog mehanizma. Nažalost, kolica nisu napravljena.

1600 - Simon Stevin je izgradio jahtu na točkovima koja se kretala pod uticajem vetra. To je postao prvi dizajn kočije bez konja.

1610 - kočije su doživjele dva značajna poboljšanja. Prvo, nepouzdani i previše mekani kaiševi koji ljuljaju putnike tokom putovanja zamijenjeni su čeličnim oprugama. Drugo, poboljšana je konjska orma. Sada je konj vukao kočiju ne vratom, već prsima.

1649 - izvršena su prva ispitivanja upotrebe opruge, koju je osoba prethodno uvrnula, kao pokretačke sile. Kočiju sa oprugom napravio je Johann Hautsch u Nirnbergu. Međutim, istoričari dovode u pitanje ovu informaciju, jer postoji verzija da je umjesto velike opruge u kočiji sjedio čovjek koji je pokrenuo mehanizam.

1680 - prvi primjeri javnog prijevoza s konjskom vučom pojavili su se u velikim gradovima.

1690. Stefan Farfler iz Nirnberga stvorio je kolica na tri točka koja su se kretala pomoću dve ručke koje su se okretale rukom. Zahvaljujući ovom pogonu, dizajner kolica se mogao kretati s mjesta na mjesto bez korištenja nogu.

1698. - Englez Thomas Savery izgradio je prvi parni kotao.

1741 - Ruski samouki mehaničar Leontij Lukjanovič Šamšurenkov poslao je "izvještaj" s opisom "kolica koja se sama pokreću" pokrajinskoj kancelariji Nižnji Novgorod.

1769 - Francuski pronalazač Cugnot napravio je prvi parni automobil na svijetu.

1784 - Džejms Vat stvorio je prvu parnu mašinu.

1791. - Ivan Kulibin dizajnirao je samohodnu kočiju na tri točka koja je mogla primiti dva putnika. Pogon je izveden pomoću mehanizma pedala.

1794. - Cugnoova parna mašina predata je "skladištu mašina, alata, modela, crteža i opisa svih vrsta umjetnosti i zanata" kao još jedan mehanički kuriozitet.

1800 - postoji mišljenje da je ove godine u Rusiji napravljen prvi bicikl na svijetu. Njegov autor bio je kmet Efim Artamonov.

1808 - prvi francuski bicikl pojavio se na ulicama Pariza. Bio je napravljen od drveta i sastojao se od prečke koja je spajala dva točka. Za razliku od modernog bicikla, nije imao volan niti pedale.

1810 - U Americi i evropskim zemljama počela je da se pojavljuje industrija kočija. U velikim gradovima pojavile su se čitave ulice, pa čak i kvartovi naseljeni proizvođačima kočija.

1816 - Njemački pronalazač Karl Friedrich Dries napravio je mašinu koja liči na moderni bicikl. Čim se pojavio na ulicama grada, dobio je naziv „mašina za trčanje“, jer je njen vlasnik, odgurujući se nogama, zapravo trčao po zemlji.

1834. - u Parizu su obavljena ispitivanja jedriličarske posade koju je dizajnirao M. Hakuet. Ova posada imala je jarbol visok 12 m.

1868 - vjeruje se da je ove godine prototip modernog motocikla stvorio Francuz Erne Michaud.

1871 - Francuski pronalazač Louis Perrault razvio je parni stroj za bicikl.

1874 - u Rusiji je proizveden traktor na parni kotač. Kao prototip korišten je engleski automobil "Evelyn Porter".

1875 - U Parizu je održana demonstracija prve parne mašine Amadeus Bdlli.

1884 - Amerikanac Louis Copland napravio je motocikl sa parnom mašinom postavljenom iznad prednjeg točka. Ovaj dizajn mogao bi ubrzati do 18 km/h.

1901 - putnički parni automobil napravljen je u Rusiji u Moskovskoj fabrici bicikala "Dux".

1902 - Leon Serpollet postavio je svjetski rekord brzine od 120 km/h u jednom od svojih parnih automobila.

Godinu dana kasnije postavio je još jedan rekord - 144 km/h.

1905 - Amerikanac F. Marriott premašio je brzinu od 200 km u parnom automobilu

1.2 Steammotor

Motor koji pokreće parna snaga. Para proizvedena zagrijavanjem vode koristi se za pogon. U nekim motorima, snaga pare tjera klipove koji se nalaze u cilindrima da se kreću. Ovo stvara povratno kretanje. Povezani mehanizam ga obično pretvara u rotirajući pokret. Parne lokomotive koriste klipne motore. Parne turbine se također koriste kao motori, koji obezbjeđuju direktno rotaciono kretanje rotirajući niz točkova sa lopaticama. Parne turbine elektrane generatori i brodski propeleri. U bilo kojoj parnoj mašini, toplota proizvedena zagrijavanjem vode u parnom kotlu (bojleru) pretvara se u energiju kretanja. Toplina može doći iz sagorijevanja goriva u peći ili iz nuklearnog reaktora. Prva parna mašina u istoriji bila je vrsta pumpe koja se koristila za ispumpavanje vode koja je poplavila rudnike. Izumio ga je 1689. godine Thomas Savery. U ovoj mašini, koja je bila vrlo jednostavne konstrukcije, para se kondenzovala u malu količinu vode i zbog toga je nastao delimični vakuum, zbog čega je voda isisavana iz rudničkog okna. Godine 1712. Thomas Newcomen izumio je klipnu pumpu pokretanu parom. 1760-ih godina James Watt je poboljšao Newcomenov dizajn i stvorio mnogo efikasnije parne mašine. Ubrzo su počeli da se koriste u fabrikama za pogon mašina. Godine 1884. engleski inženjer Charles Parson (1854-1931) izumio je prvu praktičnu parnu turbinu. Njegovi dizajni bili su toliko efikasni da su ubrzo počeli da zamenjuju klipne parne mašine u elektranama. Najnevjerovatnije dostignuće u oblasti parnih mašina bilo je stvaranje potpuno zatvorene, mikroskopske parne mašine. Japanski naučnici su ga stvorili koristeći metode koje se koriste za izradu integrisanih kola. Mala struja koja prolazi kroz električni grijač pretvara kapljicu vode u paru, koja pokreće klip. Sada naučnici moraju otkriti u kojim oblastima ovaj uređaj može naći praktičnu primjenu.

Interes za vodenu paru kao pristupačan izvor energije pojavio se zajedno sa prvim naučnim saznanjima starih ljudi. Ljudi pokušavaju ukrotiti ovu energiju tri hiljade godina. Koje su glavne faze ovog puta? Čije su misli i projekti naučili čovječanstvo da to iskoristi na najbolji način?

Preduslovi za nastanak parnih mašina

Potreba za mehanizmima koji mogu olakšati radno intenzivne procese oduvijek je postojala. Sve do sredine 18. vijeka u tu svrhu su korištene vjetrenjače i vodeni kotači. Mogućnost korištenja energije vjetra direktno zavisi od vremenskih nepogoda. A da bi se koristili vodeni točkovi, fabrike su morale da se grade duž obala reka, što nije uvek zgodno ili praktično. A efikasnost oba je bila izuzetno niska. Bio je potreban fundamentalno novi motor, lako upravljiv i lišen ovih nedostataka.

Istorija pronalaska i poboljšanja parnih mašina

Stvaranje parne mašine rezultat je mnogo razmišljanja, uspeha i razočaranja mnogih naučnika.

Početak puta

Prvi, izolirani projekti bili su samo zanimljivi kuriozitet. Na primjer, Arhimed dizajnirao parni pištolj, Heron od Aleksandrije koristio energiju pare da otvori vrata drevnih hramova. I istraživači nalaze bilješke o praktičnoj upotrebi energije pare za pokretanje drugih mehanizama u radovima Leonardo da Vinci.

Pogledajmo najznačajnije projekte na ovu temu.

U 16. stoljeću arapski inženjer Taghi al Din razvio je dizajn primitivne parne turbine. Međutim, nije dobio praktičnu primjenu zbog snažne disperzije parnog mlaza dovedenog na lopatice turbinskog točka.

Vratimo se srednjovjekovnoj Francuskoj. Fizičar i talentirani pronalazač Denis Papin, nakon mnogih neuspješnih projekata, odlučio se za sljedeći dizajn: okomiti cilindar je napunjen vodom, iznad kojeg je postavljen klip.

Cilindar se zagrijao, voda je proključala i isparila. Para koja se širila je podigla klip. Učvršćen je na gornjoj tački uspona i čekalo se da se cilindar ohladi i da se para kondenzira. Nakon što se para kondenzira, u cilindru se formira vakuum. Klip, oslobođen svog pričvršćenja, jurnuo je u vakuum pod uticajem atmosferskog pritiska. Upravo je ovaj pad klipa trebao biti korišten kao radni hod.

Dakle, korisni hod klipa uzrokovan je stvaranjem vakuuma uslijed kondenzacije pare i vanjskog (atmosferskog) tlaka.

Jer Papenova parna mašina kao i većina kasnijih projekata, zvali su se parno-atmosferske mašine.

Ovaj dizajn je imao veoma značajan nedostatak - nije obezbeđena ponovljivost ciklusa. Denis dolazi na ideju da proizvodi paru ne u cilindru, već zasebno u parnom kotlu.

Denis Papin je ušao u istoriju stvaranja parnih mašina kao pronalazač veoma važnog dela - parnog kotla.

A pošto je para počela da se proizvodi izvan cilindra, sam motor je postao motor sa spoljnim sagorevanjem. Ali zbog nedostatka mehanizma distribucije koji bi osigurao nesmetani rad, ovi projekti nisu našli gotovo nikakvu praktičnu primjenu.

Nova faza u razvoju parnih mašina

Oko 50 godina se koristio za pumpanje vode u rudnicima uglja. Thomas Newcomen parna pumpa. Umnogome je ponovio prethodne dizajne, ali je sadržavao vrlo važne nove stavke - cijev za odvođenje kondenzirane pare i sigurnosni ventil za ispuštanje viška pare.

Njegov značajan nedostatak bio je što je cilindar morao biti ili zagrijan prije ubrizgavanja pare, ili hlađen prije kondenzacije. Ali potreba za takvim motorima bila je toliko velika da su, uprkos njihovoj očiglednoj neefikasnosti, poslednji primerci ovih mašina služili do 1930. godine.

Godine 1765 engleski mehaničar James Watt, otpočevši poboljšanje Newcomenove mašine, odvojio kondenzator od parnog cilindra.

Postalo je moguće održavati cilindar stalno grijanim. Efikasnost mašine se odmah povećala. U narednim godinama, Watt je značajno poboljšao svoj model, opremivši ga uređajem za dovod pare na jednu ili drugu stranu.

Postalo je moguće koristiti ovu mašinu ne samo kao pumpu, već i za pogon raznih mašina. Watt je dobio patent za svoj izum - kontinuirani parni stroj. Počinje masovna proizvodnja ovih mašina.

Do početka 19. stoljeća u Engleskoj je radilo više od 320 W parnih mašina. Druge evropske zemlje su počele da ih kupuju. To je doprinijelo značajnom povećanju industrijske proizvodnje u mnogim industrijama kako u samoj Engleskoj tako iu susjednim zemljama.

Dvadeset godina ranije od Watta, altajski mehaničar Ivan Ivanovič Polzunov radio je na projektu parne mašine u Rusiji.

Rukovodstvo fabrike ga je pozvalo da napravi postrojenje koje bi pokretalo duvaljku topionice.

Mašina koju je napravio bila je dvocilindrična i osiguravala je neprekidan rad uređaja spojenog na njega.

Nakon uspješnog rada više od mjesec i po dana, bojler je prokišnjavao. Sam Polzunov tada više nije bio živ. Auto nije popravljano. I zaboravljena je divna kreacija usamljenog ruskog pronalazača.

Zbog zaostalosti Rusije u to vrijeme svijet je sa velikim zakašnjenjem saznao za izum I. I. Polzunova...

Dakle, za rad parne mašine potrebno je da se para koju proizvodi parni kotao širi i pritiska na klip ili lopatice turbine. A onda se njihovo kretanje prenosilo na druge mehaničke dijelove.

Upotreba parnih mašina u transportu

Uprkos činjenici da efikasnost parnih mašina tog vremena nije prelazila 5%, do kraja 18. veka počeli su da se aktivno koriste u poljoprivredi i transportu:

• u Francuskoj se pojavljuje automobil na parni pogon;
• u SAD-u počinje prometovati brod između gradova Philadelphia i Burlington;
• u Engleskoj je demonstrirana željeznička lokomotiva na parni pogon;
• Ruski seljak iz Saratovske gubernije patentirao je traktor gusjenice od 20 konjskih snaga koji je napravio. With.;
• Nekoliko puta je bilo pokušaja da se napravi avion sa parnom mašinom, ali, nažalost, mala snaga ovih jedinica u kombinaciji sa velikom težinom aviona učinila je ove pokušaje neuspešnim.

Krajem 19. stoljeća, parne mašine, koje su odigrale svoju ulogu u tehničkom napretku društva, ustupile su mjesto elektromotorima.

Parni uređaji u 21. vijeku

Pojavom novih izvora energije u 20. i 21. stoljeću ponovo se javlja potreba za korištenjem energije pare. Parne turbine postaju sastavni dio nuklearnih elektrana. Para koja ih pokreće dobiva se iz nuklearnog goriva.

Ove turbine se također široko koriste u kondenzacijskim termoelektranama.

U brojnim zemljama provode se eksperimenti za proizvodnju pare koristeći solarnu energiju.

Nisu zaboravljene ni klipne parne mašine. U planinskim krajevima kao lokomotiva Parne lokomotive se i danas koriste.

Ovi pouzdani radnici su i sigurniji i jeftiniji. Ne trebaju im dalekovodi, a gorivo - drva i jeftin ugalj - uvijek su pri ruci.

Moderne tehnologije omogućavaju hvatanje do 95% atmosferskih emisija i povećanje efikasnosti na 21%, tako da su ljudi odlučili da se za sada ne odvajaju od njih i rade na novoj generaciji parnih lokomotiva.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim

Živim samo od uglja i vode i još uvijek imam dovoljno energije da idem 100 mph! To je upravo ono što parna lokomotiva može. Iako su ovi ogromni mehanički dinosaurusi danas izumrli na većini svjetskih željeznica, parna tehnologija živi u srcima ljudi, a lokomotive poput ove još uvijek služe kao turističke atrakcije na mnogim povijesnim željeznicama.

Prve moderne parne mašine izumljene su u Engleskoj početkom 18. veka i označile su početak industrijske revolucije.

Danas se ponovo vraćamo parnoj energiji. Zbog svog dizajna, proces sagorevanja parne mašine proizvodi manje zagađenja od motora sa unutrašnjim sagorevanjem. U ovom videu pogledajte kako to funkcionira.

Šta je pokretalo drevnu parnu mašinu?

Potrebna je energija da se uradi apsolutno sve što vam padne na pamet: vozite se skejtbordom, upravljate avionom, idete u kupovinu ili vozite auto po ulici. Većina energije koju danas koristimo za transport dolazi iz nafte, ali to nije uvijek bio slučaj. Sve do ranog 20. veka, ugalj je bio omiljeno gorivo u svetu, pokretao je sve, od vozova i brodova do nesrećnih parnih aviona koje je izumeo američki naučnik Semjuel P. Lengli, rani konkurent braće Rajt. Šta je tako posebno kod uglja? Ima ga dosta unutar Zemlje, tako da je bio relativno jeftin i široko dostupan.

Ugalj je organska hemikalija, što znači da se zasniva na elementu ugljenika. Ugalj nastaje milionima godina kada se ostaci mrtvih biljaka zakopaju ispod stijena, sabijaju pod pritiskom i kuhaju unutarnjom toplinom Zemlje. Zato se i zove fosilno gorivo. Grudvice uglja su zaista grude energije. Ugljik unutar njih vezan je za atome vodika i kisika vezama koje se nazivaju kemijske veze. Kada sagorijevamo ugalj u vatri, veze pucaju i energija se oslobađa u obliku topline.

Ugalj sadrži otprilike upola manje energije po kilogramu od čistijih fosilnih goriva kao što su benzin, dizel i kerozin – što je jedan od razloga zašto parne mašine moraju toliko sagorijevati.

Jesu li parne mašine spremne za epski povratak?

Nekada je parna mašina vladala – prvo u vozovima i teškim traktorima, kao što znate, a na kraju i u automobilima. Danas je to teško razumjeti, ali na prijelazu iz 20. stoljeća više od polovine automobila u Sjedinjenim Državama radilo je na paru. Parna mašina je bila toliko napredna da je 1906. godine parna mašina nazvana Stanley Rocket čak držala rekord u brzini na kopnu - opasna brzina od 127 milja na sat!

Možda mislite da je parna mašina bila uspješna samo zato što motori s unutarnjim sagorijevanjem (ICE) još nisu postojali, ali u stvari, parni strojevi i ICE automobili su se razvijali u isto vrijeme. Pošto su inženjeri već imali 100 godina iskustva u radu sa parnim mašinama, parna mašina je imala popriličnu prednost. Dok su ručni motori lomili ruke nesretnim operaterima, do 1900. godine parne mašine su bile potpuno automatizovane - i bez kvačila ili menjača (para obezbeđuje konstantan pritisak, za razliku od hoda klipa motora sa unutrašnjim sagorevanjem), veoma lake za rukovanje. Jedino upozorenje je da ste morali sačekati nekoliko minuta da se kotao zagrije.

Međutim, za nekoliko kratkih godina, Henry Ford će doći i promijeniti sve. Iako je parna mašina bila tehnički superiornija od motora sa unutrašnjim sagorevanjem, nije mogla da parira ceni proizvodnih Fordova. Proizvođači parnih automobila pokušali su promijeniti brzinu i plasirati svoje automobile kao vrhunske, luksuzne proizvode, ali do 1918. Ford Model T bio je šest puta jeftiniji od Steinley Steamera (najpopularnijeg parnog automobila u to vrijeme). Pojavom elektropokretača 1912. godine i stalnim poboljšanjem efikasnosti motora sa unutrašnjim sagorevanjem, nije prošlo mnogo vremena pre nego što je parna mašina nestala sa naših puteva.

Pod pritiskom

Posljednjih 90 godina parni strojevi su ostali na rubu izumiranja, a džinovske zvijeri predstavljene su na izložbama starih automobila, ali ne mnogo više. Tiho, međutim, u pozadini, istraživanja su tiho napredovala - dijelom zbog naše ovisnosti o parnim turbinama za proizvodnju električne energije, ali i zato što neki ljudi vjeruju da su parni strojevi zapravo superiorniji od motora s unutarnjim sagorijevanjem.

ICE imaju inherentne nedostatke: zahtijevaju fosilna goriva, proizvode mnogo zagađenja i bučni su. Parni strojevi su, s druge strane, vrlo tihi, vrlo čisti i mogu koristiti gotovo svako gorivo. Parni strojevi, zahvaljujući njihovom stalnom pritisku, ne zahtijevaju zupčanike - maksimalni obrtni moment i ubrzanje dobijate trenutno, u mirovanju. Za gradsku vožnju, gdje zaustavljanje i pokretanje troše ogromne količine fosilnog goriva, kontinuirana snaga parnih motora može biti vrlo zanimljiva.

Tehnologija je prešla dug put od 1920-ih - prije svega, mi sada majstori materijala. Originalne parne mašine zahtevale su ogromne, teške kotlove da izdrže toplotu i pritisak, a kao rezultat toga, čak i male parne mašine bile su teške nekoliko tona. Uz moderne materijale, parne mašine mogu biti lagane kao i njihovi rođaci. Dodajte moderan kondenzator i neku vrstu bojlera-isparivača, i možete napraviti parnu mašinu sa pristojnom efikasnošću i vremenom zagrevanja koje se meri u sekundama, a ne u minutama.

Posljednjih godina, ovi napretci su se spojili u nekim uzbudljivim razvojima. Britanski tim je 2009. godine postavio novi rekord brzine vjetra na parni pogon od 148 mph, čime je konačno oborio rekord Stenlijeve rakete koji je stajao više od 100 godina. Tokom 1990-ih, Volkswagenov odjel za istraživanje i razvoj pod nazivom Enginion rekao je da je napravio parni stroj koji je bio uporediv po efikasnosti sa motorom s unutrašnjim sagorijevanjem, ali sa nižim emisijama. Posljednjih godina Cyclone Technologies tvrdi da je razvio parni stroj koji je dvostruko efikasniji od motora s unutrašnjim sagorijevanjem. Međutim, do danas nijedan motor nije pronašao put do komercijalnog vozila.

Idući naprijed, malo je vjerovatno da će se parne mašine ikada udaljiti od motora sa unutrašnjim sagorevanjem, makar samo zbog ogromnog zamaha Big Oila. Međutim, jednog dana, kada konačno odlučimo da ozbiljno pogledamo budućnost ličnog prevoza, možda će tiha, zelena, klizna gracioznost parne energije dobiti drugu priliku.

Parne mašine našeg vremena

Tehnologija.

Inovativna energija. Trenutno, nanoFlowcell® je najinovativniji i najmoćniji sistem za skladištenje energije za mobilne i stacionarne aplikacije. Za razliku od konvencionalnih baterija, nanoFlowcell® se opskrbljuje energijom u obliku tekućih elektrolita (bi-ION), koji se mogu pohraniti daleko od same ćelije. Izduvni gas automobila sa ovom tehnologijom je vodena para.

Poput konvencionalne protočne ćelije, pozitivno i negativno nabijene elektrolitske tekućine se pohranjuju odvojeno u dva rezervoara i, poput konvencionalne protočne ćelije ili gorivne ćelije, pumpaju se kroz pretvarač (stvarni element sistema nanoFlowcell) u odvojenim krugovima.

Ovdje su dva lanca elektrolita odvojena samo propusnom membranom. Jonska izmjena se događa čim se pozitivni i negativni rastvori elektrolita mimoiđu s obje strane membrane pretvarača. Ovo pretvara hemijsku energiju vezanu za bi-ion u električnu energiju, koja je potom direktno dostupna potrošačima električne energije.

Poput vozila na vodik, "izduvni gas" koji proizvode nanoFlowcell električna vozila je vodena para. Ali da li su emisije vodene pare iz budućih električnih vozila ekološki prihvatljive?

Kritičari električne mobilnosti sve više dovode u pitanje ekološku kompatibilnost i održivost alternativnih izvora energije. Za mnoge su pogoni električnih vozila osrednji kompromis između vožnje s nultom emisijom i tehnologija štetnih po okoliš. Konvencionalne litijum-jonske ili metal-hidridne baterije nisu ni održive ni ekološki kompatibilne - ni u proizvodnji, ni u upotrebi, ni u reciklaži, čak i ako reklama sugeriše čistu "e-mobilnost".

NanoFlowcell Holdings se također često pita o održivosti i ekološkoj kompatibilnosti nanoFlowcell tehnologije i bijonskih elektrolita. I sam nanoFlowcell i bi-ION elektrolitska rješenja potrebna za njegovo napajanje proizvedeni su na ekološki prihvatljiv način od ekološki prihvatljivih sirovina. Tokom rada, nanoFlowcell tehnologija je potpuno netoksična i ni na koji način ne šteti zdravlju. Bi-ION, koji se sastoji od vodenog rastvora sa malo soli (organske i mineralne soli rastvorene u vodi) i stvarnih nosilaca energije (elektroliti), je takođe ekološki prihvatljiv za upotrebu i obradu.

Kako nanoFlowcell pogon radi u električnom vozilu? Slično kao kod automobila na benzin, otopina elektrolita se troši u električnom vozilu nanoflowcell. Unutar nanograna (stvarne protočne ćelije), jedna pozitivno i jedna negativno nabijena otopina elektrolita se pumpa kroz ćelijsku membranu. Reakcija - ionska izmjena - odvija se između pozitivno i negativno nabijenih otopina elektrolita. Tako se hemijska energija sadržana u bijonima oslobađa u obliku električne energije, koja se zatim koristi za pogon električnih motora. Ovo se dešava sve dok se elektroliti pumpaju kroz membranu i reaguju. U slučaju QUANTiNO pogona sa nanoflow ćelijom, jedan rezervoar tečnosti elektrolita dovoljan je za više od 1000 kilometara. Kada se isprazni, rezervoar se mora dopuniti.

Kakvu vrstu „otpada“ stvara električno vozilo s nanoflow ćelijom? U tipičnom vozilu s motorom s unutarnjim izgaranjem, sagorijevanje fosilnih goriva (benzin ili dizel) proizvodi opasne izduvne plinove - uglavnom ugljični dioksid, dušikove okside i sumpor dioksid - čije su akumulaciju mnogi istraživači identificirali kao uzrok klimatskih promjena. promijeniti. Međutim, jedine emisije koje emituje vozilo nanoFlowcell tokom vožnje su - slično kao kod vozila na vodik - gotovo u potpunosti voda.

Nakon što je došlo do jonske izmjene u nanoćeliji, kemijski sastav otopine bi-ION elektrolita ostao je gotovo nepromijenjen. Više nije reaktivan i stoga se smatra "potrošenim" jer se ne može napuniti. Stoga je za mobilne aplikacije nanoFlowcell tehnologije, kao što su električna vozila, odlučeno da se mikroskopski ispari i oslobodi otopljeni elektrolit dok se vozilo kreće. Pri brzinama iznad 80 km/h, rezervoar otpadne elektrolitičke tečnosti se prazni kroz izuzetno fine mlaznice za raspršivanje pomoću generatora koji pokreće pogonska energija. Elektroliti i soli se mehanički prethodno filtriraju. Oslobađanje trenutno pročišćene vode u obliku hladne vodene pare (mikro-fine magle) potpuno je kompatibilno sa okolinom. Filter se mijenja otprilike svakih 10 g.

Prednost ovog tehničkog rješenja je što se rezervoar vozila prazni tokom normalne vožnje i može se lako i brzo dopuniti bez potrebe za pumpanjem.

Alternativno rješenje, koje je malo složenije, je da se istrošeni rastvor elektrolita prikupi u poseban rezervoar i pošalje na reciklažu. Ovo rješenje je namijenjeno za slične nanoFlowcell stacionarne primjene.

Međutim, mnogi kritičari sada sugeriraju da je ova vrsta vodene pare, koja se oslobađa tijekom konverzije vodika u gorivnim ćelijama ili isparavanjem elektrolitičke tekućine u slučaju nanodiverzije, teoretski plin staklene bašte koji bi mogao utjecati na klimatske promjene. . Kako nastaju takve glasine?

Emisije vodene pare razmatramo iz perspektive njihovog značaja za životnu sredinu i postavljamo pitanje koliko se više vodene pare može očekivati ​​kao rezultat široke upotrebe vozila nanoflowcell u poređenju sa tradicionalnim pogonskim tehnologijama i da li ove emisije H2O mogu imati negativan uticaj na životnu sredinu srijeda.

Najvažniji prirodni gasovi staklene bašte – zajedno sa CH 4, O 3 i N 2 O – su vodena para i CO 2. Ugljen dioksid i vodena para su neverovatno važni u održavanju globalne klime. Sunčevo zračenje koje dođe do Zemlje se apsorbira i zagrijava zemlju, koja zauzvrat zrači toplinu u atmosferu. Međutim, većina ove zračene topline bježi natrag u svemir iz Zemljine atmosfere. Ugljični dioksid i vodena para imaju svojstva stakleničkih plinova, formirajući "zaštitni sloj" koji sprječava da sva zračena toplina pobjegne natrag u svemir. U prirodnom kontekstu, ovaj efekat staklene bašte je ključan za naš opstanak na Zemlji – bez ugljičnog dioksida i vodene pare, Zemljina atmosfera bi bila neprijateljska prema životu.

Efekat staklene bašte postaje problematičan samo kada nepredvidiva ljudska intervencija poremeti prirodni ciklus. Kada ljudi uzrokuju veće koncentracije stakleničkih plinova u atmosferi sagorijevanjem fosilnih goriva, pored prirodno prisutnih stakleničkih plinova, povećava se zagrijavanje Zemljine atmosfere.

Kao dio biosfere, ljudi neminovno utiču na životnu sredinu, a samim tim i na klimatski sistem, samim svojim postojanjem. Stalno povećanje stanovništva Zemlje od kamenog doba i stvaranje naselja prije nekoliko hiljada godina, povezano s prelaskom s nomadskog života na poljoprivredu i stočarstvo, već je utjecalo na klimu. Gotovo polovina prvobitnih svjetskih šuma i šuma iskrčena je za poljoprivredne svrhe. Šume su, uz okeane, glavni proizvođači vodene pare.

Vodena para je glavni apsorber toplotnog zračenja u atmosferi. Vodena para čini u prosjeku 0,3% mase atmosfere, ugljični dioksid samo 0,038%, što znači da vodena para čini 80% mase stakleničkih plinova u atmosferi (oko 90% po zapremini) i, čini 36 do 66% je najvažniji gas staklene bašte koji osigurava naše postojanje na zemlji.

Tabela 3: Atmosferski doprinos najvažnijih stakleničkih plinova i apsolutni i relativni doprinos porastu temperature (Zittel)

Parna mašina je toplotna mašina u kojoj se potencijalna energija pare koja se širi pretvara u mehaničku energiju koja se isporučuje potrošaču.

Hajde da se upoznamo sa principom rada mašine koristeći pojednostavljeni dijagram na sl. 1.

Unutar cilindra 2 nalazi se klip 10, koji se može kretati naprijed-nazad pod pritiskom pare; Cilindar ima četiri kanala koji se mogu otvarati i zatvarati. Dva gornja kanala za dovod pare1 I3 su spojeni cevovodom na parni kotao, a kroz njih svježa para može ući u cilindar. Kroz dva donja kapi, 9 i 11 pari, koji su već završili posao, oslobađaju se iz cilindra.

Dijagram prikazuje trenutak kada su kanali 1 i 9 otvoreni, kanali 3 i11 zatvoreno. Dakle, svježa para iz kotla kroz kanal1 ulazi u lijevu šupljinu cilindra i svojim pritiskom pomiče klip udesno; u ovom trenutku, izduvna para se uklanja kroz kanal 9 iz desne šupljine cilindra. Na krajnjem desnom položaju klipa, kanali1 I9 su zatvorene, a 3 za usis sveže pare i 11 za odvod istrošene pare su otvorene, usled čega će se klip pomeriti ulevo. Kada je klip u krajnjem lijevom položaju, kanali se otvaraju1 i 9 i kanali 3 i 11 se zatvaraju i proces se ponavlja. Tako se stvara pravolinijsko povratno kretanje klipa.

Da bi se ovo kretanje pretvorilo u rotaciju, koristi se tzv. Sastoji se od klipnjače - 4, spojene na jednom kraju sa klipom, a na drugom zakretno, pomoću klizača (poprečne glave) 5, klizeći između paralela vodilice, sa klipnjačom 6, koja prenosi kretanje na glavno vratilo 7 kroz svoje koleno ili polugu 8.

Količina obrtnog momenta na glavnom vratilu nije konstantna. U stvari, snagaR , usmjeren duž štapa (slika 2), može se razložiti na dvije komponente:TO , usmjeren duž klipnjače, iN , okomito na ravan vodećih paralela. Sila N nema uticaja na kretanje, već samo pritiska klizač na paralele vodilice. ForceTO prenosi se duž klipnjače i djeluje na radilicu. Ovdje se opet može razložiti na dvije komponente: siluZ , usmjerena duž polumjera radilice i pritiska osovine na ležajeve, a silaT , okomito na radilicu i uzrokuje rotaciju osovine. Veličina sile T će se odrediti razmatranjem trougla AKZ. Budući da je ugao ZAK = ? + ?, onda

T = K grijeh (? + ?).

Ali iz OKP trougla postoji snaga

K= P/ cos ?

Zbog toga

T= Psin ( ? + ?) / cos ? ,

Kada mašina radi za jedan obrtaj osovine, uglovi? I? i snaguR mijenjaju se kontinuirano, a samim tim i veličina momenta (tangencijalne) sileT takođe promenljiva. Da bi se stvorila ujednačena rotacija glavne osovine tijekom jednog okretaja, na nju je postavljen teški zamašnjak, zbog čije inercije se održava konstantna kutna brzina rotacije osovine. U onim trenucima kada snagaT povećava, ne može odmah povećati brzinu rotacije osovine sve dok se kretanje zamašnjaka ne ubrza, što se ne događa odmah, budući da zamašnjak ima veliku masu. U onim trenucima kada rad obavlja sila obrtnog momentaT , rad otpornih sila koje stvara potrošač postaje manji, zamajac, opet, zbog svoje inercije, ne može odmah smanjiti svoju brzinu i, vraćajući energiju primljenu tijekom njegovog ubrzanja, pomaže klipu da savlada opterećenje.

Na krajnjim pozicijama klipa, uglovi? + ? = 0, dakle sin (? + ?) = 0 i, prema tome, T = 0. Pošto u ovim položajima nema rotacione sile, onda bi mašina morala stati bez zamajca. Ovi ekstremni položaji klipa se nazivaju mrtvi položaji ili mrtvi centri. Kroz njih prolazi i radilica zbog inercije zamajca.

U mrtvim položajima, klip ne dolazi u kontakt sa poklopcima cilindara između klipa i poklopca ostaje tzv. Zapremina štetnog prostora uključuje i zapreminu parnih kanala od organa za distribuciju pare do cilindra.

Hod klipaS je putanja koju pređe klip kada se kreće iz jednog ekstremnog položaja u drugi. Ako je udaljenost od središta glavne osovine do središta osovine radilice - polumjer radilice - označena sa R, tada je S = 2R.

Zapremina cilindra V h je zapremina koju opisuje klip.

Tipično, parni strojevi su dvostrukog djelovanja (dvostrukog djelovanja) (vidi sliku 1). Ponekad se koriste mašine sa jednim dejstvom, u kojima para vrši pritisak na klip samo sa strane poklopca; druga strana cilindra u takvim mašinama ostaje otvorena.

U zavisnosti od pritiska kojim para napušta cilindar, mašine se dele na izduvne, ako para ide u atmosferu, kondenzacione, ako para ide u kondenzator (hladnjak, gde se održava sniženi pritisak) i grejne, u koju para koja se ispušta u mašini koristi za bilo koju svrhu (grijanje, sušenje, itd.)

Proces izuma parne mašine, kako se to često dešava u tehnologiji, trajao je skoro čitav jedan vek, pa je izbor datuma za ovaj događaj prilično proizvoljan. Međutim, niko ne poriče da je iskorak koji je doveo do tehnološke revolucije izveo Škot James Watt.

Ljudi su od davnina razmišljali o korištenju pare kao radnog fluida. Međutim, tek na prijelazu iz XVII u XVIII vijek. uspio pronaći način da proizvede koristan rad koristeći paru. Jedan od prvih pokušaja da se para stavi u službu čovjeka napravljen je u Engleskoj 1698. godine: mašina pronalazača Saveryja bila je namijenjena za isušivanje rudnika i pumpanje vode. Istina, Saveryjev izum još nije bio motor u punom smislu te riječi, jer osim nekoliko ventila koji su se otvarali i zatvarali ručno, nije imao pokretnih dijelova. Saverijeva mašina je radila na sledeći način: prvo je zapečaćeni rezervoar bio napunjen parom, a zatim je spoljna površina rezervoara hlađena hladnom vodom, što je dovelo do kondenzacije para i stvaranja delimičnog vakuuma u rezervoaru. Nakon toga, voda je - na primjer, sa dna okna - usisana u rezervoar kroz usisnu cijev i nakon uvođenja sljedećeg dijela pare izbačena.

Prvu parnu mašinu sa klipom napravio je Francuz Denis Papin 1698. godine. Voda se zagrevala unutar vertikalnog cilindra sa klipom, a nastala para je gurala klip prema gore. Kako se para hladila i kondenzovala, klip se pomerao prema dole pod uticajem atmosferskog pritiska. Kroz sistem blokova, Papenova parna mašina mogla je pokretati različite mehanizme, kao što su pumpe.

Napredniju mašinu je 1712. godine napravio engleski kovač Thomas Newcomen. Kao i u Papinovoj mašini, klip se kretao u vertikalnom cilindru. Para iz kotla je ušla u podnožje cilindra i podigla klip prema gore. Kada se u cilindar ubrizgava hladna voda, para se kondenzuje, stvara se vakuum u cilindru, a pod uticajem atmosferskog pritiska klip pada. Ovaj obrnuti hod uklonio je vodu iz cilindra i, kroz lanac spojen na klackalicu koja se kretala kao zamah, podigao šipku pumpe prema gore. Kada je klip bio na dnu svog hoda, para je ponovo ušla u cilindar, i uz pomoć protivteže pričvršćene na šipku pumpe ili klackalicu, klip se podigao u prvobitni položaj. Nakon toga, ciklus se ponovio.

Newcomen mašina je bila u širokoj upotrebi u Evropi više od 50 godina. 1740-ih, mašina sa cilindrom dužine 2,74 m i prečnika 76 cm završila je za jedan dan posao koji je tim od 25 ljudi i 10 konja, koji je radio u smjenama, završio za sedmicu. Pa ipak, njegova efikasnost je bila izuzetno niska.

Industrijska revolucija se najjasnije očitovala u Engleskoj, prvenstveno u tekstilnoj industriji. Nesklad između ponude tkanina i brzo rastuće potražnje privukao je najbolje dizajnerske umove na razvoj strojeva za predenje i tkanje. Imena Cartwrighta, Kaya, Cromptona i Hargreavesa zauvijek će ostati zapisana u historiji engleske tehnologije. Ali mašine za predenje i tkanje koje su kreirale trebale su kvalitativno novi, univerzalni motor koji bi kontinuirano i ravnomerno (to je upravo ono što vodeni točak nije mogao da obezbedi) pokretao mašine u jednosmerno rotaciono kretanje. Tu se u svom svom sjaju pojavio talenat slavnog inženjera, "čarobnjaka iz Greenocka" Jamesa Watta.

Watt je rođen u škotskom gradu Greenock u porodici brodograditelja. Radeći kao šegrt u radionicama u Glazgovu, Džejms je u prve dve godine stekao kvalifikacije gravera, majstora za izradu matematičkih, geodetskih, optičkih instrumenata i raznih navigacionih instrumenata. Po savjetu svog ujaka profesora, James je upisao lokalni univerzitet kao mehaničar. Ovdje je Watt počeo raditi na parnim mašinama.

James Watt je pokušao poboljšati Newcomenov parno-atmosferski motor, koji je općenito bio prikladan samo za pumpanje vode. Bilo mu je jasno da je glavni nedostatak Newcomenove mašine naizmjenično grijanje i hlađenje cilindra. Godine 1765. Watt je došao na ideju da bi cilindar mogao ostati konstantno vruć ako se prije kondenzacije para preusmjeri u poseban spremnik kroz cjevovod s ventilom. Osim toga, Watt je napravio još nekoliko poboljšanja koja su konačno pretvorila parnu atmosfersku mašinu u parnu mašinu. Na primjer, izumio je mehanizam šarke - "Vattov paralelogram" (tako se zove jer dio karika - poluga uključenih u njegov sastav - formira paralelogram), koji je povratno kretanje klipa pretvarao u rotacijsko kretanje glavne osovine. Sada bi razboji mogli da rade neprekidno.

Godine 1776. testirana je Wattova mašina. Njegova efikasnost je bila dvostruko veća od Njukomenove mašine. Godine 1782. Watt je stvorio prvi univerzalni parni stroj dvostrukog djelovanja. Para je ulazila u cilindar naizmjenično s jedne, pa s druge strane klipa. Stoga je klip vršio i radni i povratni hod uz pomoć pare, što nije bio slučaj u prethodnim mašinama. Budući da je kod parne mašine sa dvostrukim dejstvom klipnjača vršila akciju vuče i guranja, prethodni sistem pogona lanaca i klackalica, koji je reagovao samo na vuču, morao je biti redizajniran. Watt je razvio sistem spojenih šipki i koristio planetarni mehanizam za pretvaranje povratnog kretanja klipnjače u rotacijsko kretanje, koristio je teški zamašnjak, centrifugalni regulator brzine, disk ventil i manometar za mjerenje tlaka pare. Watt-ova patentirana "rotaciona parna mašina" prvo je bila široko korištena u predionicama i tkaonicama, a kasnije iu drugim industrijskim preduzećima. Wattov motor je bio pogodan za bilo koju mašinu, a izumitelji samohodnih mehanizama su to brzo iskoristili.

Wattova parna mašina bila je zaista izum stoljeća, označavajući početak industrijske revolucije. Ali pronalazač se tu nije zaustavio. Susjedi su više puta začuđeno gledali kako Watt juri konjima po livadi, vukući posebno odabrane utege. Tako se pojavila jedinica snage - konjske snage, koja je naknadno dobila univerzalno priznanje.

Nažalost, financijske poteškoće natjerale su Watta, već u odrasloj dobi, da radi geodetska istraživanja, radi na izgradnji kanala, gradi luke i marine i konačno uđe u ekonomski ropski savez s poduzetnikom Johnom Rebeckom, koji je ubrzo doživio potpuni finansijski kolaps.