Будова парового двигуна. Історія парових машин

Принцип дії парового двигуна

Зміст

Анотація

1. Теоретична частина

1.1 Тимчасовий ланцюжок

1.2 Паровий двигун

1.2.1 Паровий котел

1.2.2 Парові турбіни

1.3 Парові машини

1.3.1 Перші пароплави

1.3.2 Зародження двоколісного транспорту

1.4 Застосування парових двигунів

1.4.1 Перевага парових машин

1.4.2 Коефіцієнт корисної дії

2. Практична частина

2.1 Побудова механізму

2.2 Способи покращення машини та її ККД

2.3 Анкетування

Висновок

Список використаної літератури

додаток

паровий двигункорисна дія

Анотація

Дана наукова робота складається з 32листів. Вона включає теоретичну частину, практичну частину, додаток і висновок. У теоретичній частині ви дізнаєтеся про принцип роботи парових двигунів та механізмів, про їхню історію та про роль їх застосування в житті. Практичній частині докладно розказано про процес конструювання та випробування парового механізму в домашніх умовах. Ця наукова робота може служити наочним прикладомроботи та використання енергії пара.

Вступ

Світ покірних будь-яким капризам природи, де машини приводяться в дію м'язовою силою або силою водяних коліс і вітряків - таким був світ техніки до створення парового двигуна. на вогонь, здатна змістити перешкоду (наприклад, аркуш паперу), що опинилося на її шляху. Це змусило людину замислитися над тим, як можна використовувати як робоче тіло пар. І уявіть собі заводи з димними трубами, парові машини і турбіни, паровози і пароплави - весь складний і могутній світ паротехніки створений людиною. Парова машина була практично єдиним універсальним двигуном і зіграла величезну роль у розвитку людини парової машини послужило поштовхом для подальшого розвитку засобів пересування. Протягом ста років вона була єдиним промисловим двигуном, універсальність якого дозволяла використовувати її на підприємствах, залізницях та на флоті. Винахід парового двигуна є величезним ривком, що стояв на рубежі двох епох. І через століття ще гостріше відчувається вся значимість цього винаходу.

Гіпотеза:

Чи можливо побудувати своїми руками найпростіший механізм, який працював на парі.

Мета роботи: сконструювати механізм, здатний рухатися на пару.

Завдання дослідження:

1. Вивчити наукову литературу.

2. Сконструювати та побудувати найпростіший механізм, який працював на парі.

3. Розглянути можливості збільшення ККД надалі.

Ця наукова робота служить посібником під час уроків фізики для старших класів та тих, кого цікавить дана тема.

1. Теоретична частина

Паровий двигун - тепловий поршневий двигун, в якому потенційна енергія водяної пари, що надходить з парового котла, перетворюється на механічну роботузворотно-поступального руху поршня або обертального руху валу.

Пар є одним з поширених теплоносіїв у теплових системах з рідким або газоподібним робочим тілом, що нагрівається, поряд з водою і термомаслами. Водяна пара має ряд переваг, серед яких простота та гнучкість використання, низька токсичність, можливість підведення до технологічного процесузначної кількості енергії. Він може використовуватися в різноманітних системах, що мають на увазі безпосередній контакт теплоносія з різними елементами обладнання, ефективно сприяючи зниженню витрат на енергоресурси, скорочення викидів, швидкої окупності.

Закон збереження енергії- фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що енергія ізольованої (замкнутої) фізичної системи зберігається з часом. Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може зникнути в нікуди, вона може лише переходити з однієї форми до іншої. З фундаментальної точки зору, згідно з теоремою Нетер, закон збереження енергії є наслідком однорідності часу і в цьому сенсі є універсальним, тобто властивим системам різної фізичної природи.

1.1 Часовий ланцюжок

4000 років до зв. е. - людина винайшла колесо.

3000 років до зв. е. - у Стародавньому Римі з'явилися перші дороги.

2000 до н. е. - колесо набуло більш звичного для нас вигляду. У нього з'явилися маточина, обід і спиці, що з'єднують їх.

1700 до н. е. - з'явилися перші дороги, бруковані дерев'яними брусками.

312 р. до н. е. - у Стародавньому Римі збудовані перші дороги з кам'яним покриттям. Товщина кам'яної кладки сягала одного метра.

1405 - з'явилися перші ресорні кінні екіпажі.

1510 р. - кінний екіпаж придбав кузов зі стінами та дахом. Пасажири отримали можливість захиститись від негоди під час поїздки.

1526 - німецький вчений і художник Альбрехт Дюрер розробив цікавий проект «безкідного візка», що приводиться в дію м'язовою силою людей. Люди, що йдуть збоку екіпажу, крутили спеціальні рукоятки. Це обертання за допомогою черв'ячного механізму передавалося колесам екіпажу. На жаль, віз не був виготовлений.

1600 - Симон Стевін побудував яхту на колесах, що рухається під дією сили вітру. Вона стала першою конструкцією безкіньного візка.

1610 р. - карети зазнали двох істотних удосконалень. По-перше, ненадійні та надто м'які ремені, що заколисували пасажирів під час поїздки, були замінені сталевими ресорами. По-друге, було вдосконалено кінну упряж. Тепер кінь тягнув карету не шиєю, а грудьми.

1649 р. - пройшли перші випробування з використання як рушійної сили пружини, попередньо закрученої людиною. Карету з приводом від пружини збудував Йоханн Хауч у Нюрнберзі. Проте історики ці відомості ставлять під сумнів, оскільки існує версія, що замість великої пружини всередині карети сиділа людина, яка й приводила механізм у рух.

1680 - у великих містах з'явилися перші зразки кінного громадського транспорту.

1690 - Стефан Фарффлер з Нюрнберга створив триколісний візок, що пересувається за допомогою двох ручок, що обертаються руками. Завдяки цьому приводу конструктор віз міг переміщатися з місця на місце без допомоги ніг.

1698 - англієць Томас Севері побудував перший паровий котел.

1741 р. - російський механік-самоук Леонтій Лук'янович Шамшуренков послав до Нижегородської губернської канцелярії «доношення» з описом «самобіглої коляски».

1769 - французький винахідник Кюньо побудував перший у світі паровий автомобіль.

1784 - Джеймс Уатт створив першу парову машину.

1791 р. - Іван Кулібін сконструював триколісну самохідну коляску, що вміщала двох пасажирів. Привід провадився за допомогою педального механізму.

1794 р. - парову машину Кюньо здали в «сховище машин, інструментів, моделей, малюнків та описів з усіх видів мистецтв і ремесел» як чергову механічну дивину.

1800 - існує думка, що саме цього року в Росії був побудований перший у світі велосипед. Його автором був кріпак Юхим Артамонов.

1808 - на вулицях Парижа з'явився перший французький велосипед. Він був виготовлений з дерева і складався з перекладини, що з'єднує два колеса. На відміну від сучасного велосипеда, у нього не було керма та педалей.

1810 - в Америці та країнах Європи почала зароджуватися каретна промисловість. У великих містах з'явилися цілі вулиці та навіть квартали, заселені майстрами-каретниками.

1816 - німецький винахідник Карл Фрідріх Драйз побудував машину, що нагадує сучасний велосипед. Щойно з'явившись на вулицях міста, вона отримала назву «бігової машини», оскільки її господар, відштовхуючись ногами, фактично біг землею.

1834 - у Парижі проводилися випробування вітрильного екіпажу, сконструйованого М. Хакуетом. Цей екіпаж мав щоглу заввишки 12 м-коду.

1868 - вважається, що в цей рік французом Ерне Мішо був створений прообраз сучасного мотоцикла.

1871 - французький винахідник Луї Перро розробив парову машину для велосипеда.

1874р. - у Росії побудований паровий колісний тягач. Як прототип був використаний англійський автомобіль"Евелін Портер".

1875р. - У Парижі пройшла демонстрація першої парової машини Амадея Бдллі.

1884 - американець Луїс Копленд побудував мотоцикл, на якому паровий мотор був встановлений над переднім колесом. Така конструкція могла розігнатися до 18 км/год.

1901р. - У Росії побудований легковий паромобіль московського велосипедного заводу «Дукс».

1902р. - Леон Серполле на одному зі своїх парових автомобілів встановив світовий рекорд швидкості – 120 км/год.

Роком пізніше він встановив ще один рекорд – 144 км/год.

1905 - американець Ф. Маріотт на паровому автомобілі перевищив швидкість 200 км

1.2 Паровийдвигун

Двигун, що приводиться в дію силою пари. Пар, що отримується шляхом нагрівання води, використовують для руху. У деяких двигунах сила пар змушує рухатися поршні, розташовані в циліндрах. Таким чином створюється зворотно-поступальний рух. Приєднаний механізм зазвичай перетворює його на обертальний рух. У паровозах (локомотивах) застосовуються поршневі двигуни. Як двигуни використовують також парові турбіни, які дають безпосередньо обертальний рух, обертаючи ряд коліс з лопатками. Парові турбіни приводять у дію генератори електростанцій та гвинти кораблів. У будь-якому паровому двигуні відбувається перетворення тепла, що виробляється при нагріванні води в паровому казані (бойлері) на енергію руху. Тепло може подаватися від спалювання палива в печі або атомного реактора. Найперший в історії паровий двигунів був родом насоса, за допомогою якого відкачували воду, що заливає шахти. Його винайшов у 1689 р. Томас Сейвері. У цій машині, дуже проста по конструкції, пара конденсувалася, перетворюючись на невелику кількість води, і за рахунок цього створювався частковий вакуум, завдяки чому відсмоктувалась вода з шахтного ствола. У 1712 р. Томас Ньюкомен винайшов поршневий насос, що приводиться в дію пором. У 1760-ті роки. Джеймс Ватт покращив конструкцію Ньюкомена і створив набагато ефективніші парові двигуни. Незабаром їх стали використовувати на заводах для приведення в дію верстатів. У 1884 р. англійський інженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) винайшов першу застосовну практично парову турбіну. Його конструкції були настільки ефективні, що незабаром ними стали замінювати парові двигуни зворотно-поступального впливу на електростанціях. Найбільш дивним досягненням у сфері парових двигунів було створення повністю замкненого, працюючого парового двигуна мікроскопічних розмірів. Японські вчені створили його, використовуючи методи, що служать виготовлення інтегральних схем. Невеликий струм, що проходить електронагрівальним елементом, перетворює краплю води в пару, який рухає поршень. Тепер вченим належить відкрити, в яких галузях цей пристрій може знайти практичне застосування.

ПАРОВИЙ РОТОРНИЙ ДВИГУН і ПАРОВИЙ АКСІАЛЬНО-ПОРШНЕВИЙ ДВИГУН

Паровий роторний двигун (парова машина роторного типу) є унікальною силовою машиною, розвиток виробництва якої досі не отримав належного розвитку.

З одного боку - різноманітні конструкції роторних двигунівіснували ще в останній третині 19-го століття і навіть непогано працювали, в тому числі і для приводу динамо-машин з метою вироблення електричної енергії та електропостачання будь-яких об'єктів. Але якість і точність виготовлення таких парових двигунів (парових машин) було дуже примітивним, тому мали малий ККД і невисоку потужність. З тих пір малі парові машини пішли в минуле, але разом із дійсно малоефективними та безперспективними поршневими паровими машинами в минуле пішли і парові роторні двигуни, що мають гарну перспективу.

Головна причина - на рівні технологій кінця 19-го століття зробити справді якісний, потужний і довговічний роторний двигун неможливо.
Тому з усього різноманіття парових двигунів та парових машин до нашого часу благополучно та активно дожили лише парові турбіни величезної потужності (від 20 мВт і вище), на яких сьогодні здійснюється близько 75% вироблення електроенергії у нашій країні. Ще парові турбіни великої потужності дають енергію від атомних реакторів у бойових підводних човнах-ракетоносцях та на великих арктичних криголамах. Але це все величезні машини. Парові турбіни різко втрачають всю свою ефективність при зменшенні їх розмірів.

…. Саме тому силових парових машин і парових двигунів потужності нижче 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), які ефективно працювали б на парі, одержуваній від спалювання дешевого твердого палива та різних безкоштовних горючих відходів, зараз у світі немає.
Ось у цій порожній сьогодні області техніки (і абсолютно голій, але дуже потребує товарної пропозиції комерційної ніші), в цій ринковій ніші силових машин невеликої потужності, можуть і повинні зайняти своє дуже гідне місце парові роторні двигуни. І потреба в них тільки в нашій країні — на десятки і десятки тисяч... Особливо такі малі та середні за потужністю силові машини для автономної електрогенерації та незалежного електропостачання потребують малі та середні підприємства у віддалених від великих міст та великих електростанцій місцевостях: — на малих тартаках, віддалених копальнях, на польових станах і лісових ділянках, та ін.
…..

..
Давайте розглянемо показники, через які парові роторні двигуни виявляються кращими, ніж їхні найближчі родичі – парові машини в образі поршневих парових двигунів та парових турбін.
… — 1) Роторні двигуни є силовими машинами об'ємного розширення як поршневі двигуни. Тобто. вони мають невелике споживання пари на одиницю потужності, тому що пара подається в їх робочі порожнини іноді, і строго дозованими порціями, а не постійним рясним потоком, як у парових турбінах. Саме тому парові роторні двигуни набагато економічніші за парові турбіни на одиницю потужності, що видається.
— 2) Роторні парові двигуни мають плече застосування діючих газових сил (плечо моменту, що крутить) значно (в рази) більше, ніж поршневі парові двигуни. Тому потужність, що розвивається ними, набагато вища, ніж у парових поршневих машин.
— 3) Парові роторні двигуни мають більший робочий хід, ніж поршневі парові двигуни, тобто. мають можливість переводити більшу частину внутрішньої енергії пари на корисну роботу.
— 4) Парові роторні двигуни можуть ефективно працювати на насиченому (вологому) парі, легко допускати конденсацію значної частини пари з переходом її у воду прямо в робочих секціях парового роторного двигуна. Це також підвищує ККД роботи паросилової установки з використанням парового роторного двигуна.
— 5 ) Парові роторні двигуни працюють на оборотах в 2-3 тис. оборотів в хвилину, що є оптимальною частотою обертання для вироблення електрики, на відміну від тихохідних поршневих двигунів (200-600 оборотів в хвилину) традиційних парових машин паровозного типу, або від занадто швидкохідних турбін (10-20 тис. оборотів за хвилину).

При цьому технологічно парові роторні двигуни відносно прості у виготовленні, що робить витрати на їхнє виготовлення відносно невисокими. На відміну від вкрай дорогих у виробництві парових турбін.

ОТЖЕ, КОРОТКИЙ ПІДСУМОК ЦЕЙ СТАТТІ — паровий роторний двигун є дуже ефективною паровою силовою машиною для перетворення тиску пари від тепла твердого палива, що згорає, і горючих відходів в механічну потужність і в електричну енергію.

Автором цього сайту вже отримано більше 5 патентів на винаходи з різних аспектів конструкцій парових роторних двигунів. А також вироблено кілька невеликих роторних двигунів потужністю від 3 до 7 кВт. Наразі триває проектування парових роторних двигунів потужністю від 100 до 200 кВт.
Але роторні двигуни мають «родовий недолік» — складну систему ущільнень, які для маленьких за розмірами двигунів виявляються дуже складними, мініатюрними і дорогими у виготовленні.

При цьому автором сайту ведеться розробка парових аксіально-поршневих двигунів з опозитним - зустрічним рухом поршнів. Дане компонування є найбільш енерго - продуктивною за потужністю варіацією зі всіх можливих схем застосування поршневої системи.
Дані двигуни в малих розмірах виходять дещо дешевшими і простішими за роторні мотори і ущільнення в них використовуються найтрадиційніші і найпростіші.

Внизу розміщено відео використання маленького аксіально-поршневого оппозитного двигунаіз зустрічним рухом поршнів.

В даний час відбувається виготовлення такого аксіально-поршневого опозитного двигуна на 30 кВт. Ресурс двигуна очікується в кілька сотень тисяч мотогодин бо обороти парового двигуна в 3-4 рази нижче оборотів двигуна внутрішнього згоряння, в пара тертя «поршень-циліндр» - піддана іонно-плазмовому азотуванню у вакуумному середовищі і твердість поверхонь тертя становить 62-64 од. по HRC. Детально про процес зміцнення поверхні методом азотування дивись.

Ось анімація принципу роботи схожого з компонування такого аксіально-поршневого оппозитного двигуна із зустрічним рухом поршнів

Я живу тільки на вугіллі та воді і все ще маю достатню енергію, щоб розігнатися до 100 миль на годину! Це те, що може зробити паровоз. Хоча ці гігантські механічні динозаври в даний час вимерли на більшій частині світових залізниць, парові технології живуть у серцях людей, і локомотиви, подібні до цього, досі служать туристичними пам'ятками на багатьох історичних залізницях.

Перші сучасні парові машини були винайдені в Англії на початку 18 століття і ознаменували початок Промислової Революції.

Сьогодні ми знову повертаємось до енергії пари. Через особливості конструкції в процесі згоряння палива паровий двигун дає менше забруднень, ніж двигун внутрішнього згоряння. У цій публікації на відео подивіться, як він працює.

Що живило старовинний паровий двигун?

Потрібна енергія, щоб робити абсолютно все, про що ви можете подумати: кататися на скейтборді, літати на літаку, ходити в магазини або водити машину по вулиці. Більшість енергії, яку ми використовуємо для транспортування сьогодні, надходить із нафти, але це було не завжди так. До початку 20-го століття вугілля було улюбленим паливом у світі, і він рухав все: від поїздів і кораблів до злощасних парових літаків, винайдених американським ученим Семюелем П. Ленглі, раннім конкурентом братів Райт. Що такого особливого у вугіллі? Усередині Землі його багато, тому він був відносно недорогим та широко доступним.

Вугілля є органічною хімічною речовиною, що означає, що вона заснована на елементі вуглецю. Вугілля утворюється протягом мільйонів років, коли останки мертвих рослин закопують під камінням, стискають під тиском та варять під дією внутрішнього тепла Землі. Ось чому це називається викопне паливо. Грудки вугілля – це справді грудки енергії. Вуглець всередині них пов'язаний з атомами водню та кисню сполуками, які називаються хімічними зв'язками. Коли ми спалюємо вугілля на вогні, зв'язки розпадаються і енергія виділяється у формі тепла.

Вугілля містить приблизно вдвічі менше енергії на кілограм, ніж чистіше викопне паливо, таке як бензин, дизельне паливо та гас – і це одна з причин, через яку парові двигуни повинні спалювати так багато.

Чи готові парові машини до епічного повернення?

Колись давно панував паровий двигун – спочатку у поїздах та важких тракторах, як ви знаєте, але зрештою і в автомобілях. Сьогодні це важко зрозуміти, але на рубежі 20 століття більше половини автомобілів у США працювали на парах. Паровий двигун був настільки вдосконалений, що 1906 року парова машина під назвою «Ракета Стенлі» навіть мала рекорд швидкості на землі – необачна швидкість 127 миль на годину!

Тепер ви можете подумати, що парова машина мала успіх лише тому, що двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) ще не існували, але насправді парові машини та автомобілі ДВЗ були розроблені одночасно. Оскільки інженери вже мали 100-річний досвід роботи з паровими двигунами, парава машина мала досить великий старт. У той час як ручні колінчасті двигуни ламали руки нещасних операторів, до 1900 року парові машини були вже повністю автоматизовані - і без зчеплення або коробки передач (пар забезпечує постійний тиск, на відміну від ходу поршня ДВЗ), дуже легким в управлінні. Єдине застереження, що ви повинні були зачекати кілька хвилин, щоб казан нагрівся.

Однак за кілька коротких років Генрі Форд прийде і все змінить. Хоча паровий двигун технічно перевершував ДВЗ, він не міг зрівнятися із ціною серійних Фордів. Виробники парових автомобілів намагалися перемикати передачі та продавати свої автомобілі як преміальні, розкішні продукти, але до 1918 року Ford Model T був у шість разів дешевшим, ніж Steanley Steamer (найпопулярніша парова машина в той час). З появою електродвигуна стартера в 1912 році та постійним підвищенням ефективності ДВЗ пройшло зовсім небагато часу, поки парова машина зникла з наших доріг.

Під тиском

Протягом останніх 90 років парові машини залишалися на межі зникнення, а гігантські звірі викочувалися на покази старовинних автомобілів, але не набагато. Спокійно, однак, на задньому плані дослідження непомітно просувалися вперед – частково через нашу залежність від парових турбін у виробництві електроенергії, а також тому, що деякі люди вважають, що парові двигуни можуть перевершувати двигуни внутрішнього згоряння.

ДВЗ мають внутрішні недоліки: їм потрібне викопне паливо, вони виробляють багато забруднень, і вони галасливі. Парові двигуни, навпаки, дуже тихі, дуже чисті та можуть використовувати практично будь-яке паливо. Парові двигуни завдяки постійному тиску не вимагають зачеплення - ви отримуєте максимальний момент, що крутить, і прискорення миттєво, в стані спокою. Для міського водіння, де зупинка та запуск споживають величезну кількість викопного палива, безперервна потужність парових двигунів може бути дуже цікавою.

Технології пройшли довгий шляхі з 1920-х років – насамперед, ми тепер майстри матеріалів. Оригінальним паровим машинамбули потрібні величезні, важкі котли, щоб витримувати спеку і тиск, і в результаті навіть невеликі парові машини важили кілька тонн. З сучасними матеріалами парові машини можуть бути такими ж легкими, як їхні двоюрідні брати. Додайте сучасний конденсатор і якийсь котел-випарник, і ви зможете побудувати парову машину з пристойною ефективністю та часом прогріву, яке вимірюється секундами, а не хвилинами.

В Останніми рокамиці досягнення об'єдналися у деякі захоплюючі події. У 2009 році британська команда встановила новий рекорд швидкості вітру на паровій тязі в 148 миль на годину, нарешті побивши рекорд ракети Стенлі, який стояв понад 100 років. У 1990-х роках підрозділ Volkswagen R&D під назвою Enginion заявив, що він побудував паровий двигун, який був порівнянний за ефективністю з ДВЗ, але з меншими викидами. В останні роки Cyclone Technologies стверджує, що вона розробила паровий двигун, який вдвічі ефективніший, ніж ДВЗ. На сьогоднішній день, однак, жоден двигун не знайшов свого шляху в комерційному автомобілі.

Рухаючись уперед, малоймовірно, що парові машини коли-небудь сядуть із двигуна внутрішнього згоряння, хоча б через величезний імпульс Big Oil. Однак одного разу, коли ми нарешті вирішимо серйозно подивитись на майбутнє особистого транспорту, можливо, тиха, зелена, ковзна грація енергії пари отримає другий шанс.

Парові двигуни нашого часу

Технологія.

Інноваційна енергіяВ даний час nanoFlowcell® є найінноваційнішою та найпотужнішою системою накопичення енергії для мобільних та стаціонарних додатків. На відміну від звичайних батарей, nanoFlowcell® забезпечується енергією у вигляді рідких електролітів (bi-ION), яка може зберігатися далеко від самої комірки. Вихлоп автомобіля з цією технологією – водяна пара.

Як і звичайний проточний осередок, позитивно та негативно заряджені електролітичні рідини зберігаються окремо у двох резервуарах і, як і звичайний проточний осередок або паливний елемент, прокачуються через перетворювач (дійсний елемент системи nanoFlowcell) в окремих контурах.

Тут два ланцюги електроліту розділені лише проникною мембраною. Обмін іонів відбувається, як тільки розчини позитивного та негативного електролітів проходять один з одним по обидва боки мембрани конвертера. Це перетворює хімічну енергію, пов'язану в бі-іон, в електрику, яка потім доступна для споживачів електроенергії.

Подібно до водневих транспортних засобів, «вихлоп», вироблений електромобілями nanoFlowcell, є водяною парою. Але чи є викиди водяної пари від майбутніх електромобілів екологічно чистими?

Критики електричної мобільності все частіше ставлять під сумнів екологічну сумісність та стійкість альтернативних джерел енергії. Для багатьох автомобільні електроприводи є посереднім компромісом водіння з нульовим рівнем викидів та екологічно шкідливих технологій. Звичайні літій-іонні або металогідридні батареї не є ні стійкими, ні екологічно сумісними – ні у виробництві, ні у використанні, ні у переробці, навіть якщо реклама передбачає чисту «електронну мобільність».

nanoFlowcell Holdings також часто ставлять питання про стійкість та екологічну сумісність технології nanoFlowcell та бі-іонних електролітів. І сам nanoFlowcell, і розчини електролітів bi-ION, необхідні для його живлення, виробляються екологічно безпечним способом екологічно чистої сировини. У процесі експлуатації технологія nanoFlowcell повністю нетоксична і не завдає шкоди здоров'ю. Бі-ІОН, який складається із слабосольового водного розчину (органічні та мінеральні солі, розчинені у воді) та фактичних енергоносіїв (електролітів), також безпечний для навколишнього середовища при використанні та переробці.

Як працює привід nanoFlowcell у електромобілі? Подібно до бензинового автомобіля, розчин електроліту споживається в електричному транспортному засобі з нанофлоуцеллом. Усередині нановідведення (фактичного проточного осередку) один позитивно і один негативно заряджений розчин електроліту прокачується через клітинну мембрану. Реакція – іонний обмін – має місце між позитивно та негативно зарядженими розчинами електроліту. Таким чином, хімічна енергія, що міститься в бі-іонах, виділяється у вигляді електрики, яке потім використовується для електродвигунів. Це відбувається доти, поки електроліти прокачуються через мембрану та реагують. У випадку приводу QUANTiNO з нанофлоуцеллом одного резервуару з електролітною рідиною достатньо більш ніж 1000 кілометрів. Після спустошення бак має бути поповнений.

Які “відходи” утворюються електричним транспортним засобом із нанофлоуцеллом? У звичайному транспортному засобі з двигуном внутрішнього згоряння при спалюванні викопного палива (бензину або дизельного палива) утворюються небезпечні вихлопні гази – головним чином діоксид вуглецю, оксиди азоту та діоксид сірки – накопичення яких було визначено багатьма дослідниками як причина зміни клімату. міняти. Тим не менш, єдині викиди, що виділяються транспортним засобом nanoFlowcell під час водіння, складаються майже як транспортний засіб, що працює на водні майже повністю з води.

Після того, як іонний обмін стався в наноосередку, хімічний склад розчину електроліту bi-ION практично не змінився. Він більше не є реактивним і таким чином вважається «витраченим», оскільки його неможливо перезарядити. Тому для мобільних застосувань технології nanoFlowcell, таких як електромобілі, було прийнято рішення мікроскопічно випаровувати та вивільняти розчинений електроліт під час руху автомобіля. При швидкості понад 80 км/год ємність для відпрацьованої електролітичної рідини випорожнюється через надзвичайно дрібні розпилювальні форсунки з використанням генератора, що рухається енергією приводу. Електроліти та солі попередньо механічно відфільтровуються. Випуск очищеної в даний час води у вигляді пари холодної води (мікротонкодисперсний туман) повністю сумісний з навколишнім середовищем. Фільтр змінюється приблизно на 10 г.

Перевага цього технічного рішення полягає в тому, що бак транспортного засобу спустошується під час руху у звичайному режимі і може бути легко та швидко поповнений без необхідності відкачування.

Альтернативне рішення, яке є більш складним, полягає в тому, щоб зібрати розчин відпрацьованого електроліту в окремому резервуарі і відправити його на переробку. Це рішення призначене для таких стаціонарних додатків nanoFlowcell.

Однак зараз багато критиків припускають, що водяна пара такого типу, що виділяється при конверсії водню в паливних елементах або в результаті випаровування електролітичної рідини у разі нановідведення, теоретично є парниковим газом, який може вплинути на зміну клімату. Як виникають такі чутки?

Ми розглядаємо викиди водяної пари з точки зору їх екологічної значущості і ставимо питання про те, скільки ще водяної пари очікується в результаті широкого використання. транспортних засобівз нанофлоуцелл у порівнянні з традиційними технологіями приводу і чи ці викиди H 2 O можуть мати негативний вплив на навколишнє середовище.

Найбільш важливі природні парникові гази – поряд з CH 4 , O 3 і N 2 O – водяна пара та CO 2 , Вуглекислий газ та водяна пара неймовірно важливі для підтримки глобального клімату. Сонячне випромінювання, яке досягає землі, поглинається та нагріває землю, яка у свою чергу випромінює тепло в атмосферу. Однак більша частина цього випромінюваного тепла йде назад у космос із земної атмосфери. Вуглекислий газ і водяна пара мають властивості парникових газів, утворюючи «захисний шар», який запобігає витоку всього випромінюваного тепла назад у космос. У природному контексті цей парниковий ефект має вирішальне значення для нашого виживання на Землі – без вуглекислого газу та водяної пари атмосфера Землі була б ворожою для життя.

Парниковий ефект стає проблематичним лише тоді, коли непередбачуване втручання людини порушує природний цикл. Коли на додачу до природних парникових газів люди викликають більш високу концентрацію парникових газів в атмосфері, спалюючи викопне паливо, це збільшує нагрівання земної атмосфери.

Як частина біосфери, люди неминуче впливають на навколишнє середовище і, отже, на кліматичну систему, самим своїм існуванням. Постійне зростання чисельності населення Землі після кам'яного віку та створення поселень кілька тисяч років тому, пов'язане з переходом від кочового життя до сільського господарства та тваринництва, вже вплинуло на клімат. Майже половина оригінальних лісів та лісів у світі була очищена для сільськогосподарських цілей. Ліси – поряд із океанами – головний виробник водяної пари.

Водяна пара є основним поглиначем теплового випромінювання в атмосфері. Водяна пара складає в середньому 0,3% за масою атмосфери, вуглекислий газ – лише 0,038%, що означає, що водяна пара становить 80% маси парникових газів в атмосфері (близько 90% за обсягом) і з урахуванням від 36 до 66% – найважливіший парниковий газ, що забезпечує наше існування землі.

Таблиця 3: Атмосферна частка найважливіших парникових газів, а також абсолютна та відносна частка підвищення температури (Циттель)

Паровою машиною називається тепловий двигун, в якому потенційна енергія пари, що розширюється, перетворюється в механічну енергію, що віддається споживачеві.

З принципом дії машини ознайомимося, скориставшись спрощеною схемою фіг. 1.

Всередині циліндра знаходиться 2 поршень 10, який може переміщатися вперед і назад під тиском пари; в циліндрі є чотири канали, які можуть відкриватися та закриватися. Два верхні паропідводні канали1 і3 з'єднані трубопроводом з паровим котлом, і через них у циліндр може надходити свіжа пара. Через два нижні капали 9 і 11 пар, що вже здійснив роботу, випускається з циліндра.

На схемі показаний момент, коли канали 1 та 9 відкриті, канали 3 та11 закриті. Тому свіжа пара з котла каналом1 надходить у ліву порожнину циліндра та своїм тиском переміщає поршень вправо; у цей час відпрацьована пара каналом 9 з правої порожнини циліндра видаляється. При крайньому правому положенні поршня.1 і9 закриті, а 3 для впуску свіжої пари і 11 для випуску пари відкриті, внаслідок чого поршень переміститься вліво. При крайньому лівому положенні поршня відкриваються канали1 9 і закриваються канали 3 і 11 і процес повторюється. Таким чином, створюється прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня.

Для перетворення цього руху на обертальне застосовується так званий кривошипно-шатунний механізм. Він складається з поршневого штока- 4, з'єднаного одним кінцем з поршнем, а іншим шарнірно, за допомогою повзуна (крейцкопфа) 5, що ковзає між напрямними паралелями, з шатуном 6, який передає рух на корінний вал 7 через його коліно або кривошип 8.

Величина моменту, що крутить, на корінному валу не є постійною. Справді, силуР , спрямовану вздовж штока (фіг. 2), можна розкласти на дві складові:До , спрямовану вздовж шатуна, таN , перпендикулярну до площини напрямних паралелей. Сила N не впливає на рух, а тільки притискає повзун до напрямних паралелей. СилаДо передається вздовж шатуна і діє кривошип. Тут її можна розкласти на дві складові: силуZ , спрямовану по радіусу кривошипу і притискаючу вал до підшипників, і силуТ , перпендикулярну до кривошипу і викликає обертання валу. Розмір сили Т визначиться з розгляду трикутника AKZ. Оскільки кут ZAK = ? +?, то

Т = К sin (? + ?).

Але з трикутника ДКР сила

K= P/ cos ?

тому

T= Psin ( ? + ?) / cos ? ,

При роботі машини за один оборот валу кути? і? і силаР безперервно змінюються, а тому величина крутної (тангенціальної) силиТ також змінна. Щоб створити рівномірне обертання корінного валу протягом одного обороту, на нього насаджують важке колесо-маховик, за рахунок інерції якого підтримується постійна кутова швидкість обертання валу. У ті моменти, коли силаТ зростає, вона не може відразу ж збільшити швидкість обертання валу, поки не прискориться рух маховика, чого не відбувається миттєво, так як маховик має велику масу. У ті моменти, коли робота, що виконується крутною силоюТ , стає менше роботи сил опору, створюваних споживачем, маховик знову-таки через свою інерцію не може відразу зменшити свою швидкість і, віддаючи отриману при своєму розгоні енергію, допомагає поршню долати навантаження.

За крайніх положень поршня кути? +? = 0, тому sin (? + ?) = 0 і, отже, Т = 0. Так як зусилля, що обертає, в цих положеннях відсутня, то, якщо машина була б без маховика, сну повинна була б зупинитися. Ці крайні положення поршня називають мертвими положеннями або мертвими точками. Через них кривошип переходить також за рахунок інерції маховика.

При мертвих положеннях поршень не доводиться дотику до кришок циліндра, між поршнем і кришкою залишається так званий шкідливий простір. Обсяг шкідливого простору включається також обсяг парових каналів від органів паророзподілу до циліндра.

Ходом поршняS називається шлях, що проходить поршнем при переміщенні з одного крайнього положення в інше. Якщо відстань від центру корінного валу до центру пальця кривошипу – радіус кривошипу – позначити через R, то S = 2R.

Робочим об'ємом циліндра V h називається обсяг, що описується поршнем.

Зазвичай парові машини бувають подвійної (двосторонньої) дії (див. фіг. 1). Іноді застосовуються машини односторонньої дії, в яких пара чинить тиск на поршень тільки з боку кришки; інша сторона циліндра у таких машинах залишається відкритою.

Залежно від тиску, з яким пара залишає циліндр, машини поділяються на вихлопні, якщо пара виходить в атмосферу, конденсаційні, якщо пара виходить в конденсатор (холодильник, де підтримується знижений тиск), і теплофікаційні, у яких пар, що відпрацював в машині, використовується для будь-яких цілей (опалення, сушіння та ін.)

Приводом для будівництва цього агрегату стала безглузда ідея: "а чи можна побудувати паровий двигун без верстатів та інструментів, використовуючи тільки деталі, які можна купити в магазині" і зробити все своїми руками. В результаті з'явилася така конструкція. Все складання та налаштування зайняло менше години. Хоча на конструювання та підбір деталей пішло півроку.

Більшість конструкції складається з водопровідної арматури. Під кінець епопеї питання продавців господарських та інших магазинів: "можу я вам допомогти" і "а вам навіщо" реально дратували.

І так збираємо основу. Спочатку основний поперечний елемент. Тут використовуються трійники, бочата, куточки на півдюйма. Усі елементи я кріпив за допомогою герметика. Це для того, щоб було легше з'єднувати і роз'єднувати їх руками. Але для фінішного складання краще використовувати сантехнічну стрічку.

Потім поздовжні елементи. До них кріпиться паровий котел, золотник, паровий циліндр і маховик. Тут усі елементи так само на 1/2".

Потім робимо стійки. На фото, зліва направо: стійка для парового котла, далі стійка для паророзподільного механізму, потім стійка для маховика, і нарешті утримувач для парового циліндра. Тримач маховика виготовляється з трійника на 3/4" (зовнішнє різьблення). До нього ідеально підходять підшипники з ремкомплекту для роликових ковзанів. Підшипники утримуються стяжною гайкою. Такі гайки можна знайти окремо або взяти від трійника для металопластикових труб. правому кутку (в конструкції не використовується). Як тримач парового циліндра теж використовується трійник на 3/4", тільки різьблення все внутрішнє. Для кріплення елементів 3/4" до 1/2" використовуються перехідники.

Збираємо казан. Для котла використовується труба на 1". Знайшов б/в на ринку. Забігаючи в перед, хочу сказати, що котел вийшов дрібнуватий і не дає достатньої кількості пари. З таким котлом двигун працює занадто мляво. Але працює. Три деталі з права це: заглушка, перехідник 1"-1/2" і згін. Згін вставляється в перехідник і закривається заглушкою. Таким чином котел стає герметичним.

Таким казан вийшов спочатку.

Але сухопарник виявився недостатньою висоти. Вода потрапляла у паропровід. Довелося ставити додаткове барило на 1/2" через перехідник.

Це пальник. Чотирьма постами раніше був матеріал "Самодельна масляна лампа із труб". Спочатку пальник був задуманий саме таким. Але не знайшлося потрібного палива. Масло для ламп і гас сильно коптять. Потрібен спирт. Так що поки що зробив просто тримач для сухого пального.

Це надзвичайно важлива деталь. Паророзподільник чи золотник. Ця штука направляє пару робочий циліндр при робочому ході. При зворотному ході поршня подача пари перекривається та йде скидання. Золотник виготовляється з хрестовини для металопластикових труб. Один із кінців потрібно заліпити епоксидною замазкою. Цим кінцем він кріпиться до стійки через перехідник.

А зараз найголовніша деталь. Від неї залежатиме запрацює двигун чи ні. Це робочий поршень та клапан золотника. Тут використовуються шпилька М4 (продаються у відділах меблевої фурнітури, простіше знайти одну довгу та відпиляти потрібну довжину), металеві шайби та повстяні шайби. Повстяні шайби використовуються для кріплення скла та дзеркал з іншою фурнітурою.

Повсть не найкращий матеріал. Він дає не достатню герметичність, а опір ходу – суттєве. Надалі вдалося позбутися повсті. Для цього ідеально підійшли не зовсім стандартні шайби: М4х15 – для поршня та М4х8 – для клапана. Ці шайби потрібно максимально щільно, через сантехнічну стрічку посадити на шпильку і тією ж стрічкою з верху намотати 2-3 шари. Потім ретельно притерти з водою в циліндрі та золотнику. Фотографію модернізованого поршня не зробив. Лінь розбирати.

Це власне циліндр. Виготовляється з барила 1/2". Двома стяжними гайками він кріпиться всередині трійника 3/4". З одного зі сторін, з максимальним ущільненням, наглухо кріпиться штуцер.

Тепер маховик. Маховик виготовляється з млинця для гантелі. В центральний отвірвставляється стопка з шайб, а центр шайб поміщається маленький циліндр з ремкомплекту для роликових ковзанів. Все кріпиться на герметиці. Для тримача водила ідеально підійшла вішалка для меблів та картин. Схожа на замкову щілину. Все збирається у тій послідовності, що на фото. Гвинт та гайка - М8.

Маховиків у нас у конструкції – два. Між ними має бути жорсткий зв'язок. Цей зв'язок забезпечується стяжною гайкою. Усі різьбові з'єднання закріплюються лаком для нігтів.

Ці два маховики здаються однаковими, однак один буде з'єднаний з поршнем, а інший із клапаном золотника. Відповідно водило, у вигляді гвинта М3, кріпиться на різних відстанях від центру. Для поршня водило знаходиться далі від центру, для клапана - ближче до центру.

Тепер робимо привід клапана та поршня. Для клапана ідеально підійшла сполучна пластина для меблів.

Для поршня як важіль використовується накладка віконного замка. Підійшла як рідна. Вічна слава тому, хто винайшов метричну систему.

Приводи у зборі.

Все встановлюється на двигун. Різьбові з'єднання закріплюються лаком. Це привід поршня.

Привід клапана. Зверніть увагу, положення водила поршня та клапана відрізняються на 90 градусів. Залежно від того в яку сторону водило клапана випереджає водило поршня, залежатиме в яку сторону обертатиметься маховик.

Тепер лишилося приєднати трубки. Це силіконові шланги для акваріума. Усі шланги необхідно закріпити дротом чи хомутами.

Слід зазначити, що тут не передбачений запобіжний клапан. Тому слід дотримуватися максимальної обережності.

Вуаль. Заливаємо воду. Підпалюємо. Чекаємо, коли закипить вода. Під час розігріву клапан повинен бути закритий.

Весь процес складання та результат на відео.