Изобретение парового двигателя и его последователи

ВВЕДЕНИЕ

В начале девятнадцатого века дилижанс и верховая лошадь все еще были средствами передвижения по земле. Фрахт транспортировался по земле в фургонах, запряженных лошадями или волами.

Водные баржи также были запряжены лошадьми. Водяное колесо в течение нескольких столетий использовалось для работы мельницы и мелких промышленных предприятий. В сельском хозяйстве человек все еще в основном полагался на свой собственный физический труд и работу домашних животных. Позже паровой двигатель стал промышленно развитым и применялся на фабриках. Это и разработка станков ускорили промышленную революцию и в конечном счете привели к нашей современной индустриальной цивилизации,  основанной на недорогом массовом производстве товаров, которые могут быть проданы дешевле во всем мире.

Паровой двигатель Ньюкомена был изобретен в 1705 для выкачивания воды из английских угольных шахт. Он был довольно хорошо развит к 1720 и остался в широком применении в течение 50 лет. В 1763 русский самоучка сын солдата Ползунова спроектировал первый универсальный паровой двигатель. Строительство двигателя повлекло за собой большие трудности из-за недостатка квалифицированных помощников, отсутствия необходимых инструментов и в общей нехватке помощи и поддержки. Ползунов был вынужден делать почти все своими руками.

Двигатель Ползунова работал с августа до 10 ноября 1766, когда был остановлен и устранен от работы из-за утечки в котле. Но, Ползунова уже не мог увидеть результаты своей работы. Он умер в бедности 27 мая 1766.

Позже в ходе промышленной революции в Англии много изобретателей проектировали паровые двигатели в целях удовлетворения большой потребности в этих машинах.

Видное место среди этих ранних изобретателей принадлежит Джеймсу Уотту. Джеймс Уотт, производитель оборудования в Университете г. Глазго, восстанавливая модель двигателя Ньюкомена, заметил большую потерю энергии из-за дополнительного нагревания парового цилиндра и охлаждения его вливанием воды.

Он понял, что эта потеря могла быть уменьшена, если сохранять цилиндр максимально горячим с помощью изоляции и использовать отдельный конденсатор или камеру с водяным охлаждением, которая должна своевременно соединяться с паровым цилиндром клапаном.  Он запатентовал идею отдельного конденсатора в 1769.  Впоследствии, он объединил верхушку парового цилиндра с крышкой или головкой цилиндра, пар вводился поочередно с обеих сторон поршня, и таким образом получился двигатель двойного действия.  Он изобрел регулятор, чтобы упорядочить скорость вращения двигателя; клапаны скольжения, чтобы управлять впуском, расширением и выходом пара; насос, чтобы удалить воздух и конденсат из конденсатора, и, фактически, привел паровой двигатель к довольно высокой степени эффективности.

В 1882 Томас Эдисон основал Станцию Перл-Стрит в Нью-Йорке с целью снабжения электричеством пользователей новой лампы накаливания, таким образом закладывая основу большой центральной промышленной станции, которая и теперь снабжает население электрической энергией и освещением. Парсонс запатентовал реактивную турбину в 14, и в 1889 де Лавалю предоставили патенты по импульсной турбине. К 1910 паровая турбина заменила паровой двигатель в центральной промышленной станции.

В течение прошлого десятилетия газовая турбина в форме турбореактивного двигателя и турбовинтовых воздушно-реактивных моторов заменила двигатель внутреннего сгорания в военном боевом самолете и более быстром и большем коммерческом самолете. Газовая турбина также используется для выработки электроэнергии, для передачи природного газа в насосах газопровода, и в локомотивах.

Недавнее развитие ракетостроения угрожает началом войны с применением спутников и управляемых ракет. Так как ракета имеет свой собственный запас кислорода для сгорания топлива, она работоспособна на высотах, где атмосфера земли чрезвычайно разрежена.

ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Назначение паросиловой установки состоит в преобразовании энергии ядерных реакций или угля, нефти или газа в механическую или электроэнергию посредством расширения пара от высокого давления до низкого давления в соответствующем источнике энергии, таком как турбина или мотор. Неконденсируемая установка высвобождает пар из источника энергии при исчерпывающем давлении, которое равно или больше атмосферному давлению. Конденсаторная установка выпускает пар от источника энергии в конденсатор при давлении меньше, чем атмосферное.

В общей электростанции установки сводят вместе, так как их единственная продукция - электроэнергия, и сокращение исчерпывающего давления в источнике энергии уменьшает количество пара, требуемого для производства данного количества электроэнергии. Промышленные предприятия часто не объединяют установки, потому что для технологических операций требуется большое количество пара низкого давления. Энергия, необходимая для работы промышленных установок, может часто являться побочным продуктом, производя пар при высоком давлении и расширяя этот пар в источнике энергии к противодавлению, при котором пар потребляется для производственных процессов.

Парогенератор состоит из печи, в которой сжигается топливо, котла, пароперегревателя, подогревателя, в котором вырабатывается пар с высоким давлением, и воздушного нагревателя, в котором потеря энергии из-за сгорания топлива сводится к минимуму. Котел состоит из цилиндра, в котором уровень воды сохраняется приблизительно посередине, чтобы происходило отделение пара от воды, и блока наклонных труб, связанных с цилиндром таким образом, чтобы вода циркулировала с цилиндра на трубы и назад к цилиндру. Горячие продукты горения из печи поступают в трубы котла и испаряют часть воды в трубах. Стены печи состоят из труб, которые связаны с цилиндром котла, для формирования очень эффективных парогенерирующих поверхностей. Пар, отделенный от воды в котле, течет через пароперегреватель, который в действительности является обмоткой трубы, окруженной горячими продуктами сгорания. Температура пара возрастает в пароперегревателе от, возможно, 800°  до 11000°, при такой температуре перегретый пар с высоким давлением течет через трубопровод, подходящий к турбине.

Так как газообразные продукты сгорания уходят из пучка труб котла при относительно высокой температуре, и их выхлоп к дымоходу привел бы к крупной потере в энергии, подогреватель может использоваться, чтобы возвратить часть энергии в этих газах. Подогреватель - пучок труб, через который вода, питающая котел, накачивается по пути к цилиндру котла.

Температура газа может быть уменьшена путем прохождения продуктов сгорания через воздушный нагреватель, который является теплообменником, охлаждаемым воздухом, требуемым для сгорания. Этот воздух подается в воздушный нагреватель при нормальной комнатной температуре и высасывается из него при температуре от  400 ° до 600 ° F, таким образом возвращая энергию печи, которая иначе была бы впустую потрачена дымоходом. Продукты сгорания обычно охлаждаются в воздушном нагревателе при достижении температуры 275 ° - 400 ° F, после чего они могут быть пропущены через пылеулавливатель, который удалит нежелательную пыль, и отсюда через форсированную тягу вентилятора к дымоходу. Назначение форсированной тяги вентилятора состоит в том, чтобы вытянуть газы через поверхность теплоносителя из котла, пароперегревателя, подогревателя и воздушного нагревателя и поддерживать давление в печи, которое немного меньше атмосферного. Форсированная тяга вентилятора ускоряет горячий воздух для движения через воздушный нагреватель, рабочий канал и горелку печи.