Как работают паровые двигатели? | Кто изобрел паровые двигатели?

1. Что питает паровой двигатель?
2. Что такое паровой двигатель?
3. Как работает паровой двигатель
4. Шаг за шагом
5. Типы парового двигателя
6. Пар действительно умер?
7. Кто изобрел паровой двигатель ... и когда?

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 13 мая 2018 г.

Представьте, что вы живете только на угле и воды и все еще имея достаточно энергии, чтобы разогнаться до скорости более 100 миль в час! Это именно то, что может сделать паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры в настоящее время вымерли на большей части мировых железных дорог, паровые технологии живут в сердцах людей, и локомотивы, подобные этому, до сих пор служат туристическими достопримечательностями на многих железных дорогах.

Паровозы были оснащены паровыми двигателями и заслуживают того, чтобы их запомнили, потому что они охватили весь мир через промышленную революцию 18-го и 19-го веков. Паровые двигатели ранжируются с автомобилями, самолеты , телефоны , радио , а также телевидение среди величайших изобретений за все время. Они - чудеса машин и отличные примеры машиностроения, но как они работают, несмотря на весь этот дым и пар?

Фото: маленький, недавно отремонтированный паровоз, работающий на железной дороге Суонедж, Англия. Великая Западная железная дорога 0-6-2 Танк 6695 был спасен от свалки в 1979 году, и ему потребовалось 26 лет, чтобы восстановить его до полного рабочего состояния стоимостью 200 000 фунтов стерлингов (около 400 000 долларов США).

Что питает паровой двигатель?

Занимает энергия делать абсолютно все, что только можно придумать - кататься на скейтборде, летать на самолет , ходить в магазины или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из нефти, но это было не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимым топливом в мире, и он питал все от поездов и судов злополучным паровым самолетам, изобретенным американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним конкурентом братьев Райт. Что такого особенного в угле? Внутри Земли его много, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает, что он основан на элементе углерода. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых растений захоронены под камнями, сжаты под давлением и приготовлены внутренними элементами Земли. высокая температура , Вот почему это называется ископаемое топливо. Комки угля - это действительно комки энергии. Углерод внутри них заблокирован атомы водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на огне, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.

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

Фото: основные части паровоза. Нажмите на маленькое фото, чтобы увидеть гораздо большее. Это бывший британский железнодорожный локомотив стандарта 4МТ 80104 (построенный в Брайтоне в 1955 году), работающий на Суонеджской железной дороге, Англия, в августе 2008 года. Узнайте, как он был восстановлен из ржавой кучи и возвращен в эксплуатацию его владельцами, Южными локомотивами, в 80104 Восстановление ,

Что такое паровой двигатель?

Паровой двигатель машина который сжигает уголь, чтобы выпустить тепловая энергия он содержит - так что это пример того, что мы называем Тепловой двигатель , Это похоже на гигантский чайник, сидящий на угольном огне. Тепло от огня кипит воды в чайнике и превращает его в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно дуть в воздух, как пар из чайника, пар улавливается и используется для питания машины. Давайте узнаем, как!

Как работает паровой двигатель

Грубо говоря, в паровом двигателе есть четыре разные части:

1. Пожар, где горит уголь.
2. Котел, полный воды, что огонь нагревает, чтобы сделать пар.
3. Цилиндр и поршень, как велосипедный насос, но гораздо больше. Пар из котла подается по трубопроводу в цилиндр, заставляя поршень двигаться сначала в одну сторону, а затем в другую. Это входящее и выходящее движение (которое также известно как «возвратно-поступательное движение») используется для привода ...
4. Машина прикреплена к поршню. Это может быть что угодно, от водяного насоса до заводской машины ... или даже гигантский паровоз, бегущий вверх и вниз по железной дороге.

Это очень упрощенное описание, конечно. На самом деле, даже в самом маленьком локомотиве есть сотни или даже тысячи деталей.

Шаг за шагом

Проще всего увидеть, как все работает в нашей маленькой анимации паровоза ниже. Внутри кабины локомотива вы загружаете уголь в топку (1), которая в буквальном смысле представляет собой металлическую коробку с огненным углем. Огонь нагревает котел - гигантский чайник внутри локомотива.

Котел (2) в паровозе не очень похож на чайник, который вы бы использовали для приготовления чашки чая, но он работает так же, производя пар под высоким давлением. Котел представляет собой большой резервуар с водой, через который проходят десятки тонких металлических трубок (для простоты мы показываем только одну, оранжевого цвета). Трубки идут от топки к дымоходу, унося с собой тепло и дым от огня (показаны внутри белых точек). Такое расположение труб котла, как их называют, означает, что огонь двигателя может нагревать воду в баке котла намного быстрее, поэтому он производит пар быстрее и эффективнее. Вода, которая производит пар, поступает либо из резервуаров, установленных на боковой стороне локомотива, либо из отдельного вагона, называемого тендером, который тянется за локомотивом. (Тендер также предусматривает поставку угля локомотивом.) Вы можете увидеть фотографию тендера, показывающую резервуар для воды, внизу этой страницы.

Пар, генерируемый в котле, стекает в цилиндр (3) прямо перед колесами, толкая плотно прилегающий поршень поршня (4) назад и вперед. Маленький механический затвор в цилиндре, известный как вход клапан (показано оранжевым цветом) впускает пар. Поршень соединяется с одним или несколькими колесами локомотива через своего рода соединение руки-локтя-плеча, называемое кривошип и шатун (5).

По мере толкания поршня кривошип и шатун поворачивают колеса локомотива и приводят в движение поезд (6). Когда поршень достигнет конца цилиндра, он не сможет толкать дальше. Поезд импульс (тенденция продолжать движение) продолжает вращать рукоятку, толкая поршень обратно в цилиндр так, как он пришел. Клапан подачи пара закрывается. Открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает пар обратно через цилиндр и выходит из дымовой трубы локомотива (7). Прерывистый шум паровоза, который производит паровой двигатель, и его прерывистые клубы дыма возникают, когда поршень движется вперед и назад в цилиндре.

С каждой стороны локомотива есть цилиндр, и два цилиндра стреляют немного не в ногу друг с другом, чтобы всегда была какая-то сила, толкающая двигатель вперед.

Типы парового двигателя

Фото: крупный план поршня и цилиндра в паровом двигателе.

На приведенной выше схеме показан очень простой одноцилиндровый паровой двигатель, приводящий паровоз в движение. Это называется роторным паровым двигателем, потому что работа поршня - заставить колесо вращаться. Самые ранние паровые двигатели работали совершенно иначе. Вместо того, чтобы вращать колесо, поршень толкал балку вверх и вниз простым возвратно-поступательным или возвратно-поступательным движением. В начале 18-го века поршневые паровые двигатели использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт.

На нашей диаграмме показан пар, толкающий поршень в одну сторону, и импульс локомотива, движущего его в другую сторону. Это называется паровым двигателем одностороннего действия, и это довольно неэффективная конструкция, поскольку поршень приводится в действие только половину времени. Гораздо лучшая (хотя и несколько более сложная) конструкция использует дополнительные паровые трубы и клапаны, чтобы заставить пар толкать поршень сначала в одну сторону, а затем в другую. Это называется паровым двигателем двойного действия (или противотоком). Он более мощный, потому что пар постоянно движет поршень. Если вы внимательно посмотрите на колеса типичного парового двигателя, то увидите, что все сложнее, чем мы видели в простой анимации выше: машины гораздо больше, чем просто кривошип и шатун. На самом деле, есть сложная коллекция блестящих рычагов, скользящих вперед и назад с тщательной точностью. Это называется редуктором клапана. Его работа состоит в том, чтобы открывать и закрывать клапаны цилиндров в нужные моменты, чтобы впустить пар с обоих концов, чтобы двигатель работал максимально эффективно и мощно, а также чтобы он мог двигаться задним ходом. Существует довольно много различных типов клапанного механизма; один из наиболее распространенных образцов называется Walschaerts, названный в честь его бельгийского изобретателя Эгиде Walschaerts (1820–1901). Двигатель танка 80104, показанный на втором фото на этой странице, имеет клапанный механизм типа Уолшерта, как и Eddystone, локомотив, изображенный ниже.

Фото: клапанный механизм Walschaerts на типичном большом паровозе, 34028 Eddystone ,

Первые паровые двигатели были очень большими и неэффективными, а это значит, что потребовалось огромное количество угля, чтобы заставить их что-либо делать. Более поздние двигатели производили пар при гораздо более высоком давлении: пар производился в меньшем, намного более сильном котле, так что он выдавливался с большей силой и сильнее взрывал поршень. Дополнительная сила паровых двигателей высокого давления позволила инженерам сделать их легче и компактнее, и именно это проложило путь паровозам, паровозам и паровозам.

Фото: паровые двигатели не могли нести всю воду, необходимую им для долгого путешествия. Периодически им приходилось останавливаться, чтобы пополнить запасы в резервуарах для воды на гусеничном ходу, как этот (вверху) на Суонеджской железной дороге. У более крупных двигателей были тендеры: грузовики, которые они тащили за собой, содержали запасы угля (перед красной линией, которую мы нарисовали) и воду (за красной линией). Уголь покоится на наклонной плите внутри тендера, что делает его естественным образом наклоненным к отверстию спереди, где пожарный может легко сунуть его в топку. Ниже: Вы можете увидеть, как выглядит тендер внутри на этой необычной фотографии пустого тендера, сфотографированного немного сверху и сзади, сделанного в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия. Этот тендер содержит около 18000 литров (4000 британских галлонов) воды и принадлежит музейному локомотиву города Бирмингем.

Пар действительно умер?

Уголь был дешевым и обильным топливом во время ранней промышленной революции, но изобретение бензиновый двигатель (бензиновый двигатель) в середине 19-го века ознаменовал новую эру: в 20-м веке нефть обогнала уголь как любимое топливо в мире. Паровые двигатели крайне неэффективны, тратя около 80–90 процентов всей энергии, которую они производят из угля. Это означает, что они должны сжигать огромное количество угля для производства полезного количества энергии.

Паровой двигатель настолько неэффективен, потому что огонь, который сжигает уголь, полностью отделен (и часто на некотором расстоянии от) цилиндра, который превращает тепловую энергию в паре в механическую энергию, которая приводит в действие машину. Эта конструкция называется двигателем внешнего сгорания, потому что огонь и котел находятся за пределами цилиндра. Это неэффективно, потому что энергия тратится впустую, поскольку тепло и пар передаются от огня через котел к цилиндру. Бензиновые и дизельные двигатели основаны на совершенно другой конструкции, называемой двигатель внутреннего сгорания , Бензин или дизельное топливо сжигаются внутри цилиндра, а не снаружи, и это делает двигатели внутреннего сгорания значительно более эффективными. (Вы можете прочитать больше о внутреннем и внешнем сгорании в нашем обзоре двигатели .) Нефть также имеет много других преимуществ: она чище угля и меньше загрязнение воздуха и гораздо легче транспортировать в трубах.

Фото: некоторые из паровых двигателей, которые работают на линиях наследия, были еще относительно новыми, когда они были выведены из эксплуатации. Этот, Bulleid Pacific № 34070 «Манстон», был построен в 1947 году и изъят менее чем через 20 лет (в 1964 году). После долгого восстановления Южными Локомотивами, он вернулся к эксплуатации на Суонеджской железной дороге в сентябре 2008 года. Удивительно впечатляющее зрелище, он весит 128 тонн и может развивать скорость свыше 160 км / ч (100 миль в час).

Именно поэтому паровые локомотивы исчезли с наших железных дорог - дизельные локомотивы были в целом более удобными. Чтобы запустить паровой двигатель, нужно несколько часов; Вы можете запустить дизельный двигатель менее чем за минуту. Паровые двигатели исчезли с заводов, когда электричество стал более удобным способом питания зданий. Кто хочет загружать уголь на фабрику каждый день, когда можно просто нажать на переключатели, чтобы все заработало?

Но вещи не совсем такие, какими кажутся. Пар и уголь никогда не исчезали - не совсем так. Откуда берется электричество, которое мы используем? Было бы здорово, если бы все Возобновляемая энергия (ветряные турбины, солнечные батареи и т. д.), но большая часть этого все еще происходит из угля, сжигаемого в электростанции миль от наших домов и заводов. Внутри электростанции, работающей на угле, уголь все еще сжигается для производства пара, приводя в действие устройства, подобные мельнице, называемые паровые турбины , которые намного эффективнее паровых двигателей. Когда они вращаются, они становятся электромагнитными генераторы и производить электричество. Итак, вы видите, хотя паровозы исчезли с наших железных дорог, паровая энергия жива и здорова - и так же важна, как и раньше!

Кто изобрел паровой двигатель ... и когда?

Вот краткая история паровой энергии:

• 1-й век н.э.: герой Александрии демонстрирует вращающуюся сферу на парах, называемую эолипилом.
• 16 век нашей эры: итальянский архитектор Джованни Бранка (1571–1640) использует паровую струю для вращения лопастей небольшого колеса, ожидая появления паровой турбины, разработанной сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
• 1680: голландский физик Кристиан Гюйгенс (1629–1693) создает первый поршневой двигатель с использованием простого цилиндра и поршня, приводимого в действие взрывающимся порохом. Помощник Гюйгенса Денис Папен (1648 – c.1712) понимает, что пар - лучший способ привести в движение цилиндр и поршень.
• 1698: Томас Савери (ок. 1650–1715) разрабатывает паровой водяной насос под названием «Шахтерский друг». Это простой поршневой паровой двигатель (или балочный двигатель) для откачки воды из шахт.
• 1712: англичанин Томас Ньюкомен (1663–1729) разрабатывает намного лучшую конструкцию парового водонасосного двигателя, чем Савери, и обычно приписывают изобретение парового двигателя. Шотландский инженер по имени Джеймс Уотт (1736–1819) придумал гораздо более эффективный способ получения энергии от пара после улучшения модели двигателя Newcomen. Улучшения Уотта двигателя Ньюкомена приводят к широкому распространению пара.
• 1770: офицер французской армии Николя-Жозеф Куньо (1725–1804) изобрел паровой трехколесный трактор.
• 1797: английский горный инженер Ричард Тревитик (1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Уатта для паров высокого давления, прокладывая путь паровозам.
• 1803: английский инженер Артур Вульф (1776–1837) создает паровой двигатель с более чем одним цилиндром.
• 1804: Американский промышленник Оливер Эванс (1775–1819) изобрел пассажирский паровой автомобиль. Как и Тревитик, он признает важность пара высокого давления и строит более 50 паровых транспортных средств.
• 1807: американский инженер Роберт Фултон (1765–1815) запускает первый пароход на реке Гудзон.
• 1819: Паровозный океанский корабль Саванна пересекает Атлантику от Нью-Йорка до Ливерпуля всего за 27 дней.
• 1825: английский инженер Джордж Стефенсон (1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между городами Стоктон и Дарлингтон. Для начала паровозы тянут только тяжелые угольные грузовики, а пассажиров перевозят в конных экипажах.
• 1830: Ливерпуль и Манчестерская железная дорога первыми стали использовать паровую энергию для перевозки пассажиров и грузов.
• 1882: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию ​​на Перл-стрит в Нью-Йорке. Он использует высокоскоростные паровые двигатели для питания генераторов электроэнергии.
• 1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс (1854–1931) разрабатывает паровую турбину для своей высокоскоростной паровой лодки Turbinia.

Фото: Подумайте о паровых двигателях, и вы, вероятно, подумаете о паровозах, но корабли тоже работали на парах, пока не появились дизельные двигатели. Это прекрасно отреставрированный PS Уэверли последний в мире гребной пароход в океане, построенный в 1947 году и отправившийся на причал Суонидж в сентябре 2009 года.

Похожие

Комментарии