Сделай Сам Свою Работу на 5

Современные тенденции развития научных исследований и технологий создания паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.

Первые паровые двигатели, выпускавшие отработанный пар в атмосферу, имели КПД не более 8%, но паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 30%. Паровая турбина обеспечивает до 42%. Парогазовые установки, где совместно используются газовые и паровые турбины, имеют КПД до 65%, что вдвое выше, чем КПД современных бензиновых двигателей [5].

Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на сухом пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, на 60% меньше, чем был на старых моделях.

На сегодняшний день, можно создать паровой двигатель, который запускается не более минуты, тогда как ранее на запуск его уходило 10-20 минут.

Паровые двигатели, так же как и бензиновые, позволяют создавать достаточно быстрые транспортные средства. Рекорд скорости 1906 года — 205 км/ч, автомобили на бензиновых моторах в те годы не могли ездить так быстро. В 1985 году на паровом автомобиле была достигнута скорость 234 км/ч, а в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный «болид», который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде — 241,7 км/ч.



Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд «боковых ответвлений»: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. «Дым» от такого мотора представляет собой водяной пар.

Ещё одно преимущество парового двигателя состоит в том, что конструктивно он значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Кроме того, в силу принципов работы, паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, в отличие от тепловозов. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, при этом в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.

В Швейцарии и в Австрии новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей 1930-х годов с множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса. При этом паровая машина паровоза продолжает развивать тяговое усилие даже в случае остановки колёс (упор в стену), чем отличается от всех других видов двигателей, используемых на транспорте.

Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач — сложные и капризные механизмы.

Сегодня паровые турбины, как разновидность паровых машин, применяются на 86% всех электростанций.

В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве все более осознается целесообразность комбинированного производства электрической и тепловой энергии на паровых мини-теплоэлектроцентралях, располагаемых в непосредственной близости от потребителя. Это связано с постоянным удорожанием электроэнергии, учащением случаев возникновения аномальных шквальных ветров и заморозков, приводящих к снижению надежности линий электропередачи (обрывов проводов) централизованного электроснабжения.

Потребители, имеющие собственные котельные, иногда дополняют их силовыми установками с паровыми турбинами и электрогенераторами.

Если потребителю не нужно большое количество тепла, а только горячая вода, например, в летнее время, то мини-ТЭЦ оснащают еще абсорбционными холодильными машинами, работающими на отработавшем в турбине паре. Такие машины обеспечивают требуемое охлаждение воды, которая поступает в систему холодоснабжения для кондиционирования помещений потребителя.

Для круглогодичного бесперебойного электроснабжения потребителей, необходима безостановочная работа мини-ТЭЦ. Это возможно, например, если электроэнергию генерировать совместно с выработкой теплоты, необходимой для обеспечения потребителей горячей водой.

На площадках действующих котельных создаются и мини-ТЭЦ с увеличенной тепловой мощностью: заменяются устаревшие котлы с давлением насыщенного пара 1,4 МПа на котлы с давлением перегретого пара 4,0 МПа, что позволяет при тех же габаритах котлов значительно увеличить электрическую мощность мини-ТЭЦ.

Еще со времен паровых машин более простым и дешевым рабочим органом, по сравнению с турбинной лопаткой, является поршень, поэтому на мини-ТЭЦ предлагается использовать паровые моторы.

Отличительными особенностями паровых моторов от классических паровых машин являются не только их скоростные качества, но и другой тип парораспределения. Моторы предназначены для работы с однократным расширением пара. Пар от котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому, как топливовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. У классических же паровых машин пар проходит через все цилиндры последовательно, расширяясь, таким образом, многократно.

Паровой мотор, в отличие от турбины, всегда может обеспечивать прямой привод электрогенератора. Турбине, как правило, для этого требуется редуктор, т. к. для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать при высоких частотах вращения.

Паровой турбине требуется и система охлаждения, а это — дополнительный расход воды и потери энергии. ППД достаточно теплоизолировать, а охлаждать не требуется, т. к. температура в его цилиндрах в 5-6 раз ниже, чем у ДВС.

Российские специалисты предложили идею: переделать современный поршневой двигатель внутреннего сгорания в паровой мотор и приспособить его для работы в мини-ТЭЦ. Поскольку стоимость ДВС ниже стоимости паровой турбины, то при незначительных доработках в конструкции можно получить более дешевый двигатель: паровой мотор на базе серийного ДВС.

Специалистами научной группы МАИ разрабатываются паропоршневые двигатели — современные паровые моторы одностороннего давления. Последнее означает, что при работе мотора пар, поступающий в цилиндр, давит на поршень только с одной стороны.

В ППД, соединенном с электрогенератором, пар подается от котла, а выхлоп осуществляется в пароводяной теплообменник. Управление ППД обеспечивается по сигналам от системы автоматизированного управления.

Паровые моторы, как и паровые поршневые машины, обладают высокой надежностью. Ресурс до капитального ремонта паровых турбин определяется, в основном, ресурсом лопаток из дорогостоящих сплавов, а у паровых моторов — ресурсом более дешевых и долговечных узлов шатунно-поршневой группы. Он может быть выше, чем у ДВС, т. к. пар при работе двигателя, в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяется и плавно давит на поршень.

Для технического обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал. Паровые моторы, как близкие по типу к ДВС, могут обслуживаться специалистами более низкой квалификации, а их ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации.

Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нет в турбинах. Это свойство позволяет генератору, подсоединённому к такому двигателю, вырабатывать ток, частота которого пульсирует в пределах 0,4%.

Точку зрения относительно преимуществ паровых поршневых двигателей над турбинами для мини-ТЭЦ разделяют и зарубежные специалисты. Так, в 2005 году на Американском совете по энергоэффективной экономике Майкл Мюллер из Центра передовых энергетических систем Рутгерского университета США отметил в своем докладе «Возвращение паровой машины», что малоразмерные паровые поршневые двигатели, в отличие от турбин, надежно и экономично работают даже на влажном паре и при умеренных частотах вращения.

Недостаток паропоршневых моторов по сравнению с паровыми турбинами состоит в том, что они несколько уступают турбинам по массовым и габаритным характеристикам. Однако, как показывает многолетний опыт эксплуатации, эти показатели не являются первостепенными, на фоне ряда неоспоримых достоинств поршневых двигателей [2, c. 66].

Водогрейные котельные также можно оснащать паровыми машинами. Паровые котлы дороже водогрейных, но эксплуатационные затраты на их содержание ниже и они могут надежно работать с более высоким ресурсом.

Экологические показатели сжигания топлива в современных паровых котлах весьма неплохие. Реализация отечественной технологии сжигания твердых топлив дает возможность обеспечить работу котла с весьма низкими выбросами в атмосферу. Экологические показатели работы котлов с такими топками удовлетворяют самым жестким требованиям Ростехнадзора.

Необходимо заметить, что электрогенерирующие агрегаты с паровыми моторами подходят для экологически чистых солнечных электростанций, в том числе и мини-ТЭЦ, в которых для получения пара используются котлы не с топками, а с солнечными коллекторами.

 

Заключение

По данной работе можно сделать ряд выводов, связанных с каждым этапом развития паровых двигателей и с каждым изобретателем.

В первом разделе были рассмотрены особенности паровой машины Дени Папена, которая была первым действующим паровым механизмом, положившим начало развитию отрасли. Папен подал идею, что для нагревания воды следует использовать отдельную ёмкость — паровой котёл, которой пользовались его последователи. Сам Папен не построил такую машину.

Во втором разделе рассмотрены паровые машины Томаса Севери и Томаса Ньюкомена. По разделу можно сделать следующие выводы.

Томас Севери создал первую паровую машину, применённую на производстве, конструкция которой предусматривала образование пара в отдельном котле. Все следующие изобретатели использовали отдельную ёмкость для получения пара.

Томас Ньюкомен предложил паровой насос, в котором, кроме парового котла, цилиндр насоса был отделён от парового цилиндра. Этот насос стал первой паровой машиной, получившей широкое практическое применение.

В третьем разделе рассматривается деятельность Джеймса Уатта как создателя паровой машины непрерывного действия. Уатт сконструировал цилиндр двойного действия, который позволил достичь непрерывного вращения вала, улучшив плавность хода, что позволило применять паровые машины как на транспорте, так и на производстве, поскольку почти все механизмы требуют постоянный привод.

В четвёртом разделе, о применении паровых машин на транспорте, показано, что первое удачное транспортное средство с паровым двигателем было построено Ричардом Тревитиком. Кроме того, показано, что самый крупный вклад в развитие как паровых двигателей, так и паровозостроения внёс Джордж Стефенсон, английский изобретатель и инженер-механик.

В 1829 году Стефенсон построил свой знаменитый паровоз «Ракета». Основная идея конструкции парового двигателя на этом паровозе заключалась в том, что лишний пар выводился в трубу, кроме этого, Стефенсон предложил использовать водотрубный котёл. Именно такую конструкцию имели все последующие паровозы. Благодаря техническим решениям Стефенсона они получили широкое распространение.

В пятом разделе описаны современные тенденции использования паровых машин. По этой части можно заключить, что в наше время паровые машины рассматриваются как перспективное средство для привода механизмов. Паровые машины способны использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу.

В жилищно-коммунальном хозяйстве предлагается внедрять мини-теплоэлектроцентрали, источником энергии на которых является паропоршневой двигатель.

Таким образом, можно заключить, что паровые машины имеют ряд преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания. В современных условиях, когда истощаются запасы нефти, актуальность вопроса об использовании паровых машин начинает расти. В будущем, по-видимому, паровые машины будут массово использоваться не только на электростанциях, но и в других областях, и их применение позволит избежать топливного кризиса.

 


 

Список использованной литературы

1. Абрамов В. Я. Джордж Стефенсон и Роберт Фултон, их жизнь и научно-практическая деятельность. — Челябинск: Урал, 1996. — 438 с.

2. Бурносенко А. Ю. Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами для повышения эффективности промышленно-отопительных котельных // Новости теплоснабжения. — 2009. №1.

3. Лебедев В. И. Занимательная техника в прошлом. Ленинград: «Время», 1933 г. — 198 с.

4. Николай Александров. Из истории паровой турбины. rosteplo. ru/Tech_stat/stat_shablon. php? id[6306;

5. Романов Ю. М. 212 лет паровому автомобилю! 7 мифов о паровой тяге. [Электронный ресурс] / Электрон. журн. — Москва: 2013. — режим доступа к журн.: computerra. ru/90554/212-let-parovomu-avtomobilyu-7-mifov-o-parovoy-tyage/, свободный.

6. Трохин И. С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами — реальность XXI века. // Энергосбережение. — 2012. №2. С. 62-69.

 

 



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.