Парна машина

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Парна машина с високо налягане на Тревитик, 1806

Парна машина е вид двигател с външно горене, който използва топлинната енергия, налична във водната пара, преобразувайки я в механична работа.

История[редактиране | edit source]

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 през други две тръби, които се намират в противоположните краища на сферата. Така парата предизвиква достатъчна сила (тласък), за да завърти сферата.

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.[1] 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 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.

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 и пропускане на парата в цилиндъра последователно от двете страни на буталото). Тези подобрения се оказват важни и се появяват точно навреме, за да може парната машина да стане двигател на промишлената революция.

Уат няма специално образование и работи като майстор в работилницата към 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 в следствие на това — на гориво в огневите машини“.[2] 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.[3] 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 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 налягането на разширяващата се пара. Използваният цилиндър е трябвало да е с големи размери, тъй като върху него упражнява действие единствено 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)[4][5] 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.

Последният значителен напредък в еволюцията на парната машина е преходът от бутала към 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 или друг допълнителен елемент.

Парните машини остават основно задвижващо средство доста след началото на 20 век, когато биват изместени от електрическите двигатели и двигателите с вътрешно горене. В съвременните им приложения се използват преди всичко турбини, а буталните парни машини остават само за музеите.

Парен цикъл[редактиране | edit source]

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 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 изобарни процеси (протичат при постоянно налягане), докато при цикъла на Карно са 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 ѝ термодинамични свойства.

Бутални машини[редактиране | edit source]

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 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[редактиране | edit source]

Разлика между атмосферна парна машина и парна машина под високо налягане
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)

Предимства[редактиране | edit source]

Основната предимство на парната машина е това, че могат да се използват практически всякакви източници на топлина за преобразуването 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 катоядреният реактор не 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 вътрешно горене, като слънчевата енергия.

Подобни свойства притежават и другите типове двигатели с външно горене като двигателя на Стърлинг, които могат да осигурят доста висока ефективност, но имат съществено по-големи размери и тегло от съвременните типове парни двигатели.

Парните локомотиви се представят добре на голяма надморска височина, тъй като ефективността на работа не спада при ниско атмосферно налягане. И до днес те се използват в планинските райони на Латинска Америка, въпреки че в равнините отдавна са отстъпили място на по-съвременни локомотиви.

Коефициент на полезно действие[редактиране | edit source]

Коефициентът на полезно действие (КПД) на топлинен двигател може да се определи като отношението на полезната механична работа към изразходваното количество топлина, която се съдържа в горивото. Освен това част от енергията се отделя в околната среда във вид на топлина. КПД на топлинен двигател е равен на

\eta_{th} = \frac{W_{out}}{Q_{in}} ,


където
Wout е механичната работа, измерена в джаули (J);
Qin 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 абсолютната термодинамична температура. Следователно, за парната машина е необходимо постигане на максимално висока температура T1 в началото на цикъла (постигана например с прегряване на парата) и възможно най-ниска температура T2 в края на цикъла (постигана например в кондензатора):

\eta_{th} \le 1 - \frac{T_2}{T_1}\,

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. 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[редактиране | edit source]

Парните машини могат да се класифицират според приложението си като стационарни и транспортни:

Стационарни машини[редактиране | edit source]

Парен чук
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 прокатните станове за метал, парни лебедки и други подобни устройства.
  • Силови машини, които рядко спират работа и не трябва да променят посоката на въртене. Такива са енергетичните двигатели на топлоцентралите, а също така промишлените двигатели, използвани в заводи, фабрики и на кабелни трамваи преди широкото разпространение на електричеството.

Транспортни машини[редактиране | edit source]

Парен локомотив

Парните машини са били използвани за задвижване на различни превозни средства като:

  • Параход
  • Сухопътни транспортни средства:
    • Парен автомобил
    • Парен локомотив
    • Локомобил
    • Парен трактор
    • Парен екскаватор и др.

Вижте също[редактиране | edit source]

Източници[редактиране | edit source]

  1. ((en)) Brown, Richard. Society and economy in modern Britain, 1700-1850. Repr.. London, Routledge, 1991. ISBN 0415011213. с. 60.
  2. Биографична енциклопедия "Физици", 1980 г.
  3. „Енциклопедия А-Я“, Издателство на БАН, София, 1999 г.
  4. ((en)) Thomson, Ross. Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United Sates 1790-1865. Baltimore, MD, The Johns Hopkins University Press, 2009. ISBN 978-0-8018-9141-0. с. 34.
  5. ((en)) Cowan, Ruth Schwartz (1997), „A Social History of American Technology“, New York: Oxford University Press, ISBN 0-19504606 

Външни препратки[редактиране | edit source]

Допълнителна литература[редактиране | edit source]

  • Gustav Schmidt, Theorie der Dampfmaschinen. Freiberg 1861.
  • Heinrich Dubbel, Entwerfen und Berechnen der Dampfmaschinen. 2. Auflage. Springer, Berlin 1907.
  • F. Fröhlich, Kolbendampfmaschinen. In: Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau- 11. Auflage. Zweiter Band. 1953, S. 93 ff.
  • Conrad Matschoss, Geschichte der Dampfmaschine: ihre kulturelle Bedeutung, technische Entwicklung und ihre großen Männer. 3. Auflage. Berlin 1901. Reprint: Gerstenberg, Hildesheim, ISBN 3-8067-0720-0.
  • Technik leicht verständlich. Fachredaktion Technik des Bibliographischen Instituts unter Leitung von Johannes Kunsemüller, Fackel-Buchklub.
  • Otfried Wagenbreth, Helmut Düntzsch, Albert Gieseler, Die Geschichte der Dampfmaschine. Aschendorff, Münster 2001, ISBN 3-402-05264-4.
  • Gerhard Buschmann, Herbert Clemens, Michael Hoetger, Bertold Mayr, Der Dampfmotor – Entwicklungsstand und Marktchancen. Sonderdruck aus Motortechnische Zeitschrift. 05/2001, 62. Jahrgang. Vieweg & Sohn, Wiesbaden.
  • Hebestedt, Die Geschichte der Hettstedter Dampfmaschine von 1785. In: 200 Jahre erste deutsche Dampfmaschine. Hrsg. vom Mansfeld Kombinat Wilhelm Pieck, Eisleben 1985.