Разлика между версии на „Парна машина“

м
век; козметични промени
м (Грешки в статичния код: Неправилни параметри на файлове)
м (век; козметични промени)
[[FileФайл:Trevithick high pressure engine of 1806.jpg|thumbмини|Парна машина с високо налягане на Тревитик, 1806]]
'''Парната машина''' е вид [[двигател с външно горене]], който използва [[топлинна енергия|топлинната енергия]], налична във [[Водна пара|водната пара]], преобразувайки я в [[механична работа]].
 
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;ѝ 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 – нещо дотогава принципно невъзможно.
 
[[FileФайл:Watt steam pumping engine.JPG|thumbмини|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 [[индустриалната революция]].
 
</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=0195046056}}</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.
 
[[FileФайл:52 8134 Hoentrop 2012-09-16.jpg|thumbмини|Парен локомотив, използван в железопътния транспорт до 1988 г.]]
Голямо значение за развитието на индустрията има и развитието на железопътния транспорт и създаването и усъвършенстването на парните локомотиви.
 
 
== Парен цикъл ==
[[FileФайл:Rankine cycle layout.png|thumbnailмини|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]] (протичащи 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;ѝ термодинамични свойства.
 
== Бутални машини ==
{{Основна|Парна турбина}}
Парната машина, получила най-голямо разпространение в индустрията, е парната турбина.
[[FileФайл:Dampfturbine Montage01.jpg|thumbмини|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. Статорът 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 оборота/минута за Европа и други страни с 50 Hz 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.
 
 
=== [[Реактивен двигател]] ===
[[FileФайл:Aeolipile illustration.png|thumbмини|upright=0.5|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.
 
 
=== Парен котел ===
[[FileФайл:Dampfkessel für eine Stationärdampfmaschine im Textilmuseum Bocholt.jpg|thumbмини|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, виж [[водотръбен котел]].
* Водата се намира в съд, вътре в който се намират тръби, през които преминават горещите горивни газове, виж [[газотръбен котел]].
 
След като превърнат водата в пара, голяма част от парогенераторите я загряват още повече до състояние на прегрята пара. Това предотвратява кондензирането на парата в самата парна машина и осигурява много по-голяма ефективност на работа.
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 разходът 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.
 
[[FileФайл:Boiler Feed Injector Diagram.svg|thumbмини|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.]]
 
=== Помпа ===
 
=== Центробежен регулатор ===
[[FileФайл:centrifugal governor.png|thumbмини|Чертеж на 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 към регулатора. Когато се увеличава скоростта на машината, 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.
 
[[FileФайл:Steam vacuum vs pressure.gif|мини|Разлика между атмосферна парна машина и парна машина под високо налягане]]
[[FileФайл:Triple expansion engine animation.gif|мини|Схема на парна машина с тройно разширение. Парата с високо налягане (червено) преминава от котела през машината и влиза в кондензатора при ниско налягане (синьо)]]
 
== Мерки за безопасност ==
== Предимства и недостатъци ==
=== Предимства ===
Основното предимство на парните машини е това, че могат да използват практически всякакви източници на топлина за преобразуването и&#768;ѝ 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.
 
=== Стационарни машини ===
[[Файл:Schwanzhammer VS.jpg|thumbмини|200px|ляво|Парен чук]]
[[Файл:Steam engine at the old sugar mill.jpg|thumbмини|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.
 
=== Транспортни машини ===
[[Файл:Locomotora de vapor.jpg|thumbмини|300px|Парен локомотив]]
[[FileФайл:Forte Marghera, rulilo.jpeg|thumbмини|200px|Валяк с парен двигател]]
Парните машини са били използвани за задвижване на различни [[превозно средство|превозни средства]] като:
* [[Параход]]
 
==== Парен локомотив без горивна камера ====
[[FileФайл:Dampfspeicherlok Genthin Henkel Werk.jpg|thumbмини|250px|Парен локомотив без горивна камера от серия 89 – един от най-разпространените локомотиви от този тип.]]
Появата на този вид локомотиви става възможно благодарение на откритие, направено от американския 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 г. локомотив, който не се нуждае от горивна камера. Котелът се запълва с пара с температура 200 &nbsp;°C и следващото зареждане става след 10 km.<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, изработват се и безрелсови транспортни средства. В началото на 20-ти век в САЩ ''Doble steam motors'' произвеждат лек автомобил Model E (1923 г.) с парен 4-цилиндров (два високо и два ниско налягане) 6,2-литров двигател, който развива 1350 N·m въртящ момент и ускорява 2,2-тонно купе от 0 до 100 km/h за 12,5 [[секунда|s]]. Много високият въртящ момент, съизмерим с този на съвременни коли в най-високия сегмент (Bugatti Chiron – 1 600 N·m), въпреки малката мощност на двигателя позволява използването му без скоростна кутия.
 
== Модерно развитие на буталните машини ==
* [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
* {{икона|en}} [http://en.wikipedia.org/wiki/Kew_Bridge_Steam_Museum Музей на парната машина в Кю-Бридж, Лондон]
 
== Допълнителна литература ==