Разлика между версии на „Парна машина“

9 байта изтрити ,  преди 4 години
м
форматиране: 9x тире, 5x кавички, 4x нов ред, 3x тире-числа, 2x запетая, 18 интервала, параметър, точка (ползвайки Advisor)
м (форматиране: 9x тире, 5x кавички, 4x нов ред, 3x тире-числа, 2x запетая, 18 интервала, параметър, точка (ползвайки Advisor))
 
== История ==
Идеята за парна машина идва от [[Херон]]. Неговата машина представлявала една сфера, поставена над котел и свързана към него чрез две тръби. Така парата минава през тези тръби докато стигне сферата и излиза през други две тръби, които се намират в противоположните краища на сферата. Така парата предизвиква достатъчна сила (тласък), за да завърти сферата.
 
Идеята за парна машина идва от [[Херон]]. Неговата машина представлявала една сфера, поставена над котел и свързана към него чрез две тръби. Така парата минава през тези тръби докато стигне сферата и излиза през други две тръби, които се намират в противоположните краища на сферата. Така парата предизвиква достатъчна сила (тласък), за да завърти сферата.
 
[[Файл:Papinengine.jpg|мини|100px|Чертеж на парната машина на Папен; [[1690]] г.]]
Първата парна машина е построена през 1679 г. от [[Дени Папен]] и представлявала цилиндър с лост, който се издига под действието на парата, а после се спуска под атмосферното налягане след сгъстяването на отработената пара. След него Томас Сейвъри разработва водна помпа, задвижвана с пара. Тя имала недостатъка от висок риск от експлозия на парата, но все пак намерила приложение в мините и помпените станции.
 
Първата парна машина с търговски успех се появява около 1712 г.<ref name=RBrown>{{икона|en}} {{cite book|last=Brown|first=Richard|title=Society and economy in modern Britain, 1700- – 1850|year=1991|publisher=Routledge|location=London|isbn=0415011213|pages=60|url=http://books.google.com/books?id=qdlDZlosAcAC&lpg=PP1&dq=Society%20and%20economy%20in%20modern%20Britain%201700-1850&pg=PA60#v=onepage&q&f=false|edition=Repr.}}</ref> Изработена е от Томас Нюкомен въз основа на опита на Сейвъри и Папен. Машината на Нюкомен е доста неефективна и се ползва най-често за изпомпване на вода. Принципът и&#768; на работа е създаване на частичен [[вакуум]] (понижено налягане) чрез кондензиране на парата в специален цилиндър. Тази машина също е използвана основно в мините за отвеждане на водата от голяма дълбочина&nbsp;— – нещо дотогава принципно невъзможно.
 
[[File:Watt steam pumping engine.JPG|thumb|ляво|Ранен модел на парна машина на Уат за изпомпване на вода]]
Окончателни усъвършенствания в парната машина били направени през [[1769]] г. от [[Джеймс Уат]], който добавя [[кондензатор (топлообменник)|кондензатор]] и пропускане на [[пара]]та в цилиндъра последователно от двете страни на [[бутало]]то). Тези подобрения се оказват важни и се появяват точно навреме, за да може парната машина да стане двигател на [[индустриална революция|промишлената революция]].
 
Уат няма специално образование и работи като майстор в работилницата към [[Глазгоуски университет|Глазгоуския университет]]. Пътят му към световната слава започва с изпълнението на съвсем обикновена задача&nbsp;— – ремонт на машина на Нюкомен. Той установява, че принципът, върху който е създаден моделът на Нюкомен, е погрешен. Тъй като парата е еластично тяло, разсъждава Уат, ако между цилиндъра и изпускателното устройство има връзка, парата ще проникне там. Именно там тя ще може да се кондензира, без да се охлажда цилиндърът. Така се ражда идеята за най-важния елемент на парната машина&nbsp;— – отделен от работния цилиндър топлообменник или „кондензатор“. Уат започва да работи над своя модел, който днес след повече от 200 години може да се види в музея в [[Лондон]]. На [[9 януари]] [[1769]] г. получава патент за „начини за намаляване разхода на пара вследствие на това&nbsp;— – на гориво в огневите машини“.<ref>Биографична енциклопедия "Физици"„Физици“, 1980 г.</ref> Благодарение на икономичността си парната машина на Джеймс Уат получава широко разпространение и изиграва огромна роля за прехода към машинно производство. На негово име е наречена единицата за [[мощност]] - – [[ват]].<ref>„Енциклопедия А-Я“, Издателство на БАН, София, 1999 г.</ref> Машината на Уат използва 75% по-малко въглища за загряване на водата от тази на Нюкомен и затова е по-евтина за експлоатация. Уат продължава да доусъвършенствува машината, като добавя възможност за въртеливо движение, което е подходящо за задвижване на фабрични машини. Това отваря възможност фабриките да не са непременно разположени в близост до реки и ускорява [[индустриална революция|промишлената революция]].
 
Ранните машини на Нюкомен и Уат са наречени "атмосферни"„атмосферни“, защото важна роля в генерирането на движение играе частичният вакуум, генериран от кондензиращата се пара&nbsp;— – противоположно на [[налягане]]то на разширяващата се пара. Използваният цилиндър е трябвало да е с големи размери, тъй като върху него упражнява действие единствено [[атмосферно налягане|атмосферното налягане]]. Парата се използва само за компенсиране на това налягане при връщането на буталото в начална позиция.
 
Около 1800 година [[Ричард Тревитик]] и независимо от него Оливър Еванс (1801)<ref name="Thomson 2009">{{икона|en}} {{cite book
|title=Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United Sates 1790- – 1865
|last=Thomson
|first= Ross
|location= Baltimore, MD
|isbn= 978-0-8018-9141-0|page=34}}
</ref><ref>{{икона|en}} {{Citation |last=Cowan |first=Ruth Schwartz |title=A Social History of American Technology |publisher=Oxford University Press |place=New York |year=1997 |p=74 |isbn=0- – 19504606}}</ref> въвеждат използването на пара под високо налягане. Тези машини са много по-мощни и освен това могат да имат много по-малки размери, което ги прави подходящи за транспортни приложения. Оттам насетне, напредъкът в техниката и в производствените технологии (които на свой ред се дължат на въвеждането на парната машина като [[двигател]]) водят до създаване на все по-ефективни конструкции на парни машини, все по-малки и по-мощни.
 
[[File:52 8134 Hoentrop 2012-09-16.jpg|thumb| Парен локомотив, използван в железопътния транспорт до 1988 година.]]
 
== Парен цикъл ==
 
[[File:Rankine cycle layout.png|thumbnail|280px|Диаграма на четирите основни елемента на цикъла на Ранкин]]
Парният цикъл (цикъл на Ранкин) е фундаменталният термодинамичен процес, обясняващ действието на парната машина. Този [[термодинамичен цикъл]] превръща топлината в работа. Топлината се доставя от външен източник в затворен обем, в който в случая на парната машина циркулира вода и пара. Този цикъл се използва при получаването на около 90% от цялата електрическа енергия, използвана по света, включително в почти всички [[електрическа централа|електрически централи]]. Наречен е на името на [[Уилям Ранкин]], шотландски [[физик]], [[инженер]] и енциклопедист.
 
Понякога цикълът на Ранкин се нарича „практически [[цикъл на Карно]]“, защото когато се използва ефективна турбина, започва да прилича на цикъла на Карно, който описва идеален [[топлинен двигател]]. Основната разлика е, че при цикъла на Ранкин добавянето на топлина (в бойлера) и нейното отделяне (в кондензатора) са [[изобарен процес|изобарни процеси]] (протичат при постоянно налягане), докато при цикъла на Карно са [[изотермен процес|изотермни процеси]]. Понякога в този цикъл се използва помпа за нагнетяване на работния флуид от кондензатора. Изпомпването на флуида по време на цикъла във вид на течност изисква много по-малко енергия за транспортирането му в сравнение с работата с газ в компресор, както е в цикъла на Карно.
 
Работният флуид в цикъла на Ранкин се намира в затворен кръг и се използва повторно постоянно. Макар че могат да се използват много флуиди, най-често се използва [[вода]] поради нейните свойства нетоксичност, нереагиране с химически вещества, изобилие и ниска цена, както и поради специфичните и&#768; термодинамични свойства.
[[Файл:Steam engine in action.gif|мини|300п|Бутална парна машина на Уат в действие (анимиран разрез).]]
 
Парните машини са с просто или двойно действие в зависимост от това дали парата действа на буталото само от една или от двете страни. В зависимост от броя на цилиндрите биват едноцилиндрови, двуцилиндрови и многоцилиндрови; в зависимост от разположението вертикални, хоризонтални и наклонени и т.н.
 
Устройството и принципът на действие на една хоризонтална, едноцилиндрова, двойнодействаща парна машина с шибърно пароразпределение е следното: с помощта на пароразпределителния механизъм парата постъпва поред в лявата и дясната част на цилиндъра. Разширявайки се, тя задвижва буталото, което се премества съответно надясно или наляво.
 
Уат продължава да доусъвършенствува машината, като добавя възможност за въртеливо движение, като добавя планетарен [[механизъм]] от [[зъбно колело|зъбни колела]], чрез който движението в права посока може да се преобразува в кръгово. В този механизъм има 2 зъбни колела, наречени „слънце“ и „планета“. „Слънцето“ е голямо колело със закрепено в центъра му малко зъбно колело. Другото зъбно колело („планетата“) е свързано с буталото на двигателя и се върти около централното зъбно колело. Едно пълно завъртане на „планетата“ довежда до две пълни завъртания на „слънцето“.
 
 
== Други видове ==
{{Основна|Парна турбина}}
Една парна машина, получила най-голямо разпространение в индустрията е парната турбина.
[[File:Dampfturbine Montage01.jpg|thumb|right|300px|[[Парна турбина]] с отворен кожух. В света по-голямата част от електрическата енергия се произвежда в [[ТЕЦ]]-ове чрез подобни турбини.]]
Парната турбина се състои от един или няколко ротора с перки (витла), монтирани на задвижващ вал. Парата въздейства върху тези витла, като ги завърта. Статора се състои от подобни , но фиксирани серии от витла, които служат да пренасочват потока на парата към следващата степен на ротора. Парната турбина често е свързана с кондензер, който осигурява ниско налягане на изхода. При използване за производство на електрическа енергия, парните турбини са свързани директно към електрически генератори и се въртят със скорост 3000 RPM за Европа и други страни с 50 Херца електрически захранващи системи. Турбините могат да се въртят само в една посока. Следователно при използване за директно задвижване е необходимо използването на предаватела кутия, която да обръща посоката.
 
Главното използване на парните турбини е за производство на електрическа енергия. (през 1990 година около 90% от световното производство на електрическа енергия се извършва с парни турбини.)
 
Всички [[АЕЦ]] генерират електричество чрез нагряване на вода и получаване на пара и задвижване на парни турбини, свързани с електрическите генератори.
=== [[Реактивен двигател]] ===
[[File:Aeolipile illustration.png|thumb|upright=0.5|Alt=Line drawing of a sphere suspended between two uprights forming a horizontal axis. Two right-angle jet arms at the circumference expel steam that has been produced by boiling water in a closed vessel under the two uprights, which are hollow and let steam flow into the interior of the sphere.|Машината се върти благодарение на излизащата от рамената пара.]]
Въпреки, че една от първите машини, използващи силата на водната пара, изработена от [[Хирон]] използва реактивната струя на излизащата с голяма скорост пара, това откритие не намира голямо практическо приложение в миналото и сега.
 
== Компоненти на парната машина ==
Има два основни компонента на една парова централа: парогенератор (бойлер) и самата парна машина. При стационарните парни машини тези два компонента могат да са в отделни сгради за по-голяма сигурност.
 
=== Източник на топлина ===
=== Парогенератор ===
[[File:Dampfkessel für eine Stationärdampfmaschine im Textilmuseum Bocholt.jpg|thumb|right|Индустриален парогенератор, използван за стационарна парна машина]]
Има два основни начина за предаване на топлината към водата, която се използва за пара.
*Водата преминава през една или повече тръби, обиколени от горещите горивни газове.
*Водата се намира в съд, вътре в който се намират тръби, през които преминават горещите горивни газове
=== Охладител ===
[[File:Susquehanna steam electric station.jpg|thumb|right|Охлаждащи кули на парова централа, над които се виждат облаци от изпаряваната вода.]]
Всички парни машини имат на изхода си голямо количество отпадна топлина под формата на пара с ниска температура. Тази пара трябва да се охлади, като най-простият начин е да се изпусне парата в атмосферата. Така се прави при парните локомотиви.
 
Понякога парата може да се използва за отоплителни нужди, например в жилищни сгради близо до ТЕЦ и по този начин се подобрява общата ефективност на инсталациите. Там, където това не може да се направи, се използват различни охладители с използването на вода от океани, реки, езера и други. Много често за целта се използват водоохладителни кули, при които водата се изпарява, като по този начин се охлажда останалата част и се връща чрез помпа обратно в парогенератора. Това са така наречени мокър тип охладителни кули. Съществуват и сух тип от затворен вид, при който разхода на вода е минимален и се използва при места, който нямат достатъчно водни източници. Изпарителните водоохладителни кули също се нуждаят от много по-малко вода, отколкото охлаждането с външен източник на охлаждаща вода.
 
=== Помпа ===
Повечето парни машини притежават водни помпи за рециклиране на водата или допълване на вода в котела на машината, така че те да могат да работят непрекъснато. Индустриалните парни машини използват многостепенни центробежни помпи, както и други видове. За подаване на вода в котли с ниско налягане се използва инжектор , който използва пара от котела. Те се използват основно в парните локомотиви.
 
=== Наблюдение и контрол ===
 
На схемата е показан регулатор за парна машина. От оста на машината чрез ремък или верига се предава движението към регулатора. Когато се увеличава скоростта на машината се увеличава скоростта на оста на регулатора и се увеличава кинетичната енергия на сферите. Това позволява на двете сферични маси върху лостовата система да се движат съответно нагоре или надолу в зависимост от скоростта на въртене. По този начин се регулира количеството пара например през един дроселен клапан и съответно скоростта на въртене. Така не се позволява например подаване на повече пара и съответно увеличаване на скоростта.
 
 
[[Файл:Steam vacuum vs pressure.gif|дясно|мини|Разлика между атмосферна парна машина и парна машина под високо налягане]]
* Превишаване налягането на парогенератора.
* Недостатъчно количество вода в него и като следствие на това прегряване и повреда на котела
* Натрупване на котлен камък и утаявания, особено при използването на мръсна вода.
* Аварии в парогенератора, предизвикани от конструктивни проблеми и лоша поддръжка
* Пропуски на пара от тръбопроводи и от котела.
== Предимства и недостатъци ==
=== Предимства ===
Основната предимство на парната машина е това, че могат да се използват практически всякакви източници на топлина за преобразуването и&#768; в механична работа. Това ги отличава от двигателите с вътрешно горене, при които всеки тип двигател се нуждае от точно определено гориво. Предимството се забелязва преди всичко при използването на [[ядрена енергия]], тъй като [[ядрен реактор|ядреният реактор]] не може да генерира механична енергия, а произвежда топлина, която се използва за получаване на пара и задвижване на парни машини (обикновено парни турбини). Освен това има и други източници на топлина, които могат да се използват в двигателите с външно горене, като например [[слънчева енергия|слънчевата енергия]].
 
Подобни свойства притежават и другите типове двигатели с външно горене като [[двигател на Стърлинг|двигателя на Стърлинг]], които могат да осигурят доста висока ефективност, но имат съществено по-големи размери и тегло от съвременните типове парни двигатели.
: <math>\eta_{th} \le 1 - \frac{T_2}{T_1}\,</math>
 
Парна машина, изпускаща пара в атмосферата, би имала практически КПД от 1 до 8 %, а машина с кондензатор и разширена проточна част може да постигне КПД до 25 % и даже повече. [[ТЕЦ|Топлоелектрическа централа]] с прегряване на парата и регенеративно подгряване на водата може да постигне КПД 30 – 42 %. При централи с комбиниран цикъл на пара и газ, в които енергията на горивото се използва отначало за завъртане на газова турбина, а след това за парна турбина, КПД може да достигне 50 – 60 %.
 
Тези различия в ефективността се дължат на особеностите на термодинамичния цикъл на парните машини. Например, през зимата КПД на ТЕЦ-овете се повишава поради по-голямата температурна разлика с околната среда.
 
== Приложения ==
[[Файл:Steam engine at the old sugar mill.jpg|thumb|200px|Парна машина в стара захарна фабрика в Куба]]
Стационарните парни машини са два типа:
* Машини с променлив режим, които трябва да спират често и да променят посоката на въртене . Такива са [[Прокатен стан|прокатните станове]] за метал, парни [[лебедка|лебедки]] и други подобни устройства.
* Силови машини, които рядко спират работа и не трябва да променят посоката на въртене. Такива са енергетичните двигатели на [[ТЕЦ|топлоцентралите]], а също така промишлените двигатели, използвани в заводи, фабрики и на кабелни трамваи преди широкото разпространение на електричеството.
 
** [[Валяк|Парен валяк]]
** Парен екскаватор и др.
* [[Самолет с парен двигател]]. Има много опити за създаване на самолет, задвижван с парна машина. През 1933 година той е разработен върху стандартен самолет<ref>[http://books.google.com/books?id=AygDAAAAMBAJ&pg=PA9&dq=Popular+Science+1933+plane+%22Popular+Science%22&hl=en&ei=QeBUTc_hNsH-8AaqrZyPBw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=3&ved=0CDgQ6AEwAg#v=onepage&q=Popular%20Science%201933%20plane%20%22Popular%20Science%22&f=true "World„World's First Steam Driven Airplane"Airplane“] ''Popular Science'', July 1933, detailed article with drawings</ref>. Използван е практически, като се отбелязва едно от предимствата му: той е много по-безшумен от самолетите с двигатели с вътрешно горене.
 
==== Парен локомотив без горивна камера ====
[[Файл:Dampfspeicherlok Genthin Henkel Werk.jpg|thumb|250px|right|Парен локомотив без горивна камера от серия 89- един от най-разпространените локомотиви от този тип.]]
Появата на този вид локомотив става възможно благодарение на откритие, направено от американски инженер Якоб Перкинсон през 1823. Той открива, че понижаването на налягането в котел, пълен с кипяща вода води до образуването на допълнителна пара. Това откритие помага на друг американец Емил Лам да изработи през 1873 година локомотив, който не се нуждае от горивна камера. Котела се запълва с пара с температура 200°C и следващото зареждане става след 10 км.<ref name="a">[http://www.zeno.org/Roell-1912/A/Feuerlose+Lokomotiven Röll, Freiherr von: Enzyklopädie des Eisenbahnwesens, Band 5. Berlin, Wien 1914]</ref> Този вид локомотиви нямат горивна камера и всички свързани с това устройства като комини, гориво и други и може да се обслужват от един човек. Необходима е добра [[топлоизолация]] на котела и цилиндрите.
 
Този вид локомотиви се използват основно за обслужване в заводи и места, където може да се осигури външен източник на пара и бързо зареждане. Те са особено полезни в предприятия, където се изисква взривобезопасност.
 
== Модерно развитие на буталните машини ==
Технологиите днес позволяват да се отстранят голяма част от недостатъците на буталните парни машини, което съчетано с използването на предимствата, които те осигуряват дават основание да се говори за един "ренесанс"„ренесанс“ при тях. Някои фирми наричат това "Модерна„Модерна пара"пара“.<ref>{{cite web|url=http://www.dlm-ag.ch/en/locomotives |title=Locomotives |publisher=Dlm-ag.ch |date= |accessdate=2012-02-25}}</ref>
 
Разработват се нови парни машини, които да отговарят на следните условия:
* Добра термична ефективност
* Бърз старт
* Минимален сервиз
* Голяма механична ефективност, добра топлоизолация и др.
 
== Външни препратки ==
* {{икона|de}} [http://www.rai-ming.de/physikshow/dampfmaschine.html Анимирана диаграма на парна машина на Уат от 1780]
* {{икона|de}} [http://www.albert-gieseler.de Dampfmaschinen und Lokomotiven – Ihre Entwicklung, ihr Einsatz und erhaltene Objekte - – Umfangreiches Verzeichnis von Dampfmaschinen]
* [http://www.saechsischer-dampfmaschinenverein.de Sächsischer Dampfmaschinenverein e.V.]
* {{икона|de}} [http://books.google.de/books/download/Handbuch_der_Dampfmaschinen_Lehre_f__r_T.pdf?id=wH41AAAAMAAJ&output=pdf&sig=ACfU3U1lfmdHwijAkVT1vOhKTq5ujCIQjA Handbuch der Dampfmaschinen-Lehre] (PDF, 14MB), Christoph Bernoulli, Basel 1833