Разлика между версии на „Парна машина“

107 байта изтрити ,  преди 3 години
м
кор.
м (Премахнати редакции на 158.58.212.126 (б.): една дума)
м (кор.)
 
== 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.
 
[[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.
 
 
[[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|промишленатаиндустриалната 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 – 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 – 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, и вследствие на това – на гориво в огневите машини“.<ref>Биографична енциклопедия „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 доусъвършенствувадоусъвършенства 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 [[индустриалнаиндустриалната революция|промишлената революция]].
 
Ранните машини на Нюкомен и Уат са наречени „атмосферни“, защото важна роля в генерирането на движение играе частичният вакуум, генериран от кондензиращата се пара – 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 годинаг. [[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
</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 годинаг.]]
Голямо значение за развитието на индустрията има и развитието на железопътния транспорт и създаването и усъвършенстването на парните локомотиви.
 
Последният значителен напредък в еволюцията на парната машина е преходът от бутала към [[турбина|турбини]] в началото на [[20 век]]. Те са много по-ефективни от буталата, имат по-малко движещи се части и директно осигуряват въртящ момент, вместо чрез [[мотовилка (машинен елемент)|мотовилка]] или друг допълнителен елемент.
 
Парните машини остават основно задвижващо средство доста след началото на 20 век, когато биватса изместени от [[електромотор|електрическите двигатели]] и [[двигател с вътрешно горене|двигателите с вътрешно горене]]. В съвременните им приложения се използват преди всичко турбини, а буталните парни машини остават само за музеите.
 
== Парен цикъл ==
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]] (протичатпротичащи при постоянно налягане), докато при цикъла на Карно те 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.
 
== Бутални машини ==
[[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 еднаедната или от двете му страни. В зависимост от броя на цилиндрите биватте едноцилиндровиса, 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 доусъвършенствувадоусъвършенства 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 ==
=== Парна турбина ===
{{Основна|Парна турбина}}
Една парнаПарната машина, получила най-голямо разпространение в индустрията, е парната турбина.
[[File:Dampfturbine Montage01.jpg|thumb|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. СтатораСтаторът 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 RPMоборота/минута за Европа и други страни с 50 ХерцаHz 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 годинаг. 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 [[Херон|Херон Александрийски]], 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 паровапарна 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 ===
Топлината, която е необходима за загряване на водата и получаването на пара, може да бъде от различни източници, най-често от изгарянето на изкопаеми горива при подаването на въздух в затворена горивна камера. В някои случаи източникаизточникът на топлина е ядрен реактор, геотермална енергия, слънчева енергия или отпадна енергия от двигател с вътрешно горене или от индустриален процес.
 
=== Парен котел ===
 
=== Охладител ===
[[File:Susquehanna steam electric station.jpg|thumb|Охлаждащи кули на паровапарна 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 разходаразходът 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.
 
[[File:Boiler Feed Injector Diagram.svg|thumb|Инжектор (струйна помпа) използва парна струя, за да подава вода в котела. Инжекторите са неефективни, но достатъчно прости по конструкция за използване в парните локомотиви.]]
 
=== Наблюдение и контрол ===
Един от основните проблеми е осигуряванепостигане на сигурносттасигурност напри тези инсталации. На първо място, това е контрол на налягането и нивото на водата в парогенератора.
 
=== Центробежен регулатор ===
Центробежният регулатор е специфичен вид регулатор със система за обратна връзка, който управлява скоростта на машината чрез регулиране на количеството на гориво или работен флуид (пара), като по този начин се поддържа почти константна скорост. Тази скорост не зависи от натоварването на машината или от количеството на подаваната енергия преди този регулатор. Така например скоростта не зависи от налягането на парата от парогенератора. Той използва принципа на пропорционалното регулиране.
 
Изобретен е от [[Джеймс Уат]] през 1788 г., за да регулира неговата парна машина, като управлява парата на входа на цилиндрите. Получава широко приложение през индустриалната революция през 19-ти век. Намира приложение също така в двигатели с вътрешно горене и различни турбини.
 
На схемата е показан регулатор за парна машина. От оста на машината чрез ремък или верига движението се предава движението към регулатора. Когато се увеличава скоростта на машината, се увеличава се 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.
 
[[File:Steam vacuum vs pressure.gif|мини|Разлика между атмосферна парна машина и парна машина под високо налягане]]
 
== Мерки за безопасност ==
Парната машина притежава парогенератор с котел и други компоненти, които са съдове под налягане. Към тази част на парната машина се поставят големи изисквания, защото в миналото изтичането на парата и експлозии в съдовете под налягане са причинявали особено много смъртни случаи. Във всички страни, независимо от разликите в законодателството, има специални изисквания за съдовете под налягане. При парогенераторите се прибавя и проблемапроблемът с високата температура на парата. Експлоатацията на парните машини изисква спазването на нормативната уредба за производството, обучението, тестването, използването и поддръжката на тези съоръжения, за да се осигури сигурността на персонала.
 
Повредите могат да се появят от:
* 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 ===
ОсновнатаОсновното предимство на парнатапарните машинамашини 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 не 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.
 
=== Недостатъци ===
Основният недостатък на парните машини е необходимостта от време за загряването на парогенератора и достигането на работен режим за нормална работа. Друг недостатък, особено в миналото, е наличието на съдове и тръбопроводи с високо налягане и температура на парата, за които трябва да се осигури добра поддръжка и постоянен контрол.
 
== Коефициент на полезно действие ==
: където
:: ''W<sub>out</sub>'' е механичната работа, измерена в [[джаул]]и (J);
:: ''Q<sub>in</sub>'' е изразходваната топлина, (J).
 
Един топлинен двигател не може да има по-голям КПД от този на идеален [[цикъл на Карно]], в който топлината се предава от нагревател с висока температура на охладител с ниска температура. КПД на идеалния топлинен двигател на Карно зависи изключително от температурната разлика, като при изчисленията се използва [[абсолютна температура|абсолютната термодинамична температура]]. Следователно, за парната машина е необходимо постигане на максимално висока температура T<sub>1</sub> в началото на цикъла (постигана например с прегряване на парата) и възможно най-ниска температура T<sub>2</sub> в края на цикъла (постигана например в кондензатора):
 
== Приложения ==
Парните машини могат да се класифицират според приложението си като стационарни и транспортни:.
 
=== Стационарни машини ===
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 енергетичнитеенергийните двигатели на [[ТЕЦ|топлоцентралите]], а също така промишлените двигатели, използвани в заводи, фабрики и на кабелни трамваи преди широкото разпространение на електричеството.
 
=== Транспортни машини ===
** [[Валяк|Парен валяк]]
** Парен екскаватор и др.
* [[Самолет с парен двигател]]. Има много опити за създаване на самолет, задвижван с парна машина. През 1933 годинаг. 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's First Steam Driven 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 ====
[[File:Dampfspeicherlok Genthin Henkel Werk.jpg|thumb|250px|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 г. 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 годинаг. локомотив, който не се нуждае от горивна камера. КотелаКотелът се запълва с пара с температура 200 °C и следващото зареждане става след 10 кмkm.<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.
 
Освен локомотиви се, изработват се и безрелсови транспортни средства.
 
== 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“ при тях. Някои фирми наричат това „Модерна„модерна пара“.<ref>{{cite web|url=http://www.dlm-ag.ch/en/locomotives |title=Locomotives |publisher=Dlm-ag.ch |accessdate=2012-02-25}}</ref>
 
Разработват се нови парни машини, които да отговарят на следните условия:
 
== Външни препратки ==
* {{икона|de}} [http://www.rai-ming.de/physikshow/dampfmaschine.html Анимирана диаграма на парна машина на Уат от 1780 г.]
* {{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.]