450. 2. Развитие теплоэнергетики и тепловых машин

2.1 Паровая машина и принцип ее действия

Паровая машина тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, зависимости давления p от объёма V полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями p 1 и p 2. а также объёмами V 1 и V 2.

Работа паровой машины двойного действия: моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём Ve. определяемый точкой 1 начала или предварения впуска объём конца впуска или наполнения Е. определяемый точкой 2 отсечки наполнения объём предварения выпуска или конца расширения Va. определяемый точкой 3 предварения выпуска объём сжатия V c. определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами. Устройство паровой машины на рис.1.

Рисунок 1 — Устройство паровой машины

Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину дроссельное регулирование, показано на рисунке , или момент отсечки наполнения количественное регулирование .

2.2 История развития тепловых машин

В решении задачи перехода к теплоэнергетике выделено три этапа развития:

а двигатель неотделим от потребителя развиваемой им работы

б двигатель конструктивно обособился от машины потребителя энергии, но еще не стал вполне самостоятельным

в двигатель стал самостоятельным, универсальным.

Ранний тепловой двигатель, конструктивно слитый с агрегатом потребителем производимой им механической работы, возник в качестве решения наиболее острой технической задачи конца XVII в. задачи о рудничном водоподъеме. Одной из таких попыток была попытка Вустера. получившего в 1660 г. патент на паровой водоподъемник и в 1663 г. давшего его описание. По этому описанию установка Вустера вычерчивалась многими исследователями. Лучшее решение той же задачи было дано англичанином шахтовладелецем Томасом Севери. В 1698 г. он получил патент №356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня. ». Севери первым отделил рабочее тело водяной пар от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар, который поломали в котле, через кран выпускал в сосуд с водой, и пар вытеснял воду в напорную верхнюю трубу Приложение 3 . Впоследствии машина Севери была усовершенствована в 1715 г. французским физиком Дезагюлье. предложившим охлаждать пар в сосуде путем впрыскивания в него воды. Это существенно увеличило частоту рабочих циклов, улучшение работы насосов, повышение их экономичности. Так, Дезагюлье явился изобретателем смесительной конденсации, правда осуществлявшейся пока не в отдельном конденсаторе, а непосредственно в полости двигателя, служившего одновременно и потребителем механической работы. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду. Машины Севери оказались очень надежными и долговечными.

Французский ученый Дени Папен начал с попыток изобретения универсального двигателя, способного производить механическую работу подъема груза. Он обратился к имевшейся повсюду «громадной силе» атмосферного давления и построил цилиндр Приложение 4 , в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя . Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания. Как физик Папен понял и оценил энергетические свойства водяного пара, но как техник не смог реализовать их в конструкции двигателя.

Следующий важный шаг по пути создания тепловых двигателей совершил английский изобретатель, кузнец по профессии Томас Ньюкомен. Выполняя заказы на детали для машины Севери, он пришел к мысли, что ее производительность и экономичность можно повысить, разделив функции насоса и двигателя т. е. использовав в машине Севери идею Папена, взяв цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле Приложение 5 . Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех — пятиэтажный дом и, исключительно «прожорлива»: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.

Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Последующие изобретатели внесли много усовершенствований в насос Ньюкомена, но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Заслуга Ньюкомена была в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы.

Идею создания теплового двигателя, свободного от гидравлического колеса, со всею определенностью высказал и осуществил русский механик Иван Иванович Ползунов. который построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, а благодаря работе пара в цилиндрах. Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро- и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Изобретательность Ползунова не может не вызвать восхищения, он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие органы его машины передавали движение валу отбора мощности. Это качество придавало машине Ползунова свойство универсальности. Машина Ползунова была изготовлена в декабре 1765 г. Приложение 6 , а в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно. Как и всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла, но без изобретателя устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г. а затем была разобрана. На судьбе изобретения И.И.Ползунова сказались условия феодально-крепостнической России, еще не готовой для перехода к крупному машинному производству.

1. ГОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Комментарии | PDF 258 K | стр. 206-207

Аннотация учебного пособия по дисциплине Теплотехника . Теоретический курс нацелен на изучение фундаментальных законов природы, процессов теплообмена, протекающих в технологическом и теплоэнергическом оборудовании, с целью разработки мероприятий по защите от опасных производственных факторов внедрения энергосберегающих технологий в промышленности строительстве и коммунально-бытовой сфере. Данное издание предназначено для студентов специальностей теплогазоснабжение и вентиляция , городское строительство и хозяйство , промышленное и гражданское строительство , строительство уникальных зданий , водоснабжение и водоотведение по направлению подготовки строительство 270800.62 , технологические машины и комплексы предприятий строительных материалов 151000.62 , машины и аппараты пищевых производств 260601.65 горные машины и оборудование 150402.65 очной и заочной форм обучения.

В настоящее время для снабжения теплом народного хозяйства затрачивается примерно треть всех используемых в стране топливно-энергетических ресурсов, в связи с чем одной из важнейших задач социально-экономического развития страны является энергосбережение 3 . Поэтому проблема оптимального использования теплоты во всех отраслях и сферах народного хозяйства, в том числе в строительной индустрии, строительстве и коммунальном хозяйстве имеет первостепенное значение.

Вопросами промышленного использования тепловой энергии в различных технологических процессах и в теплоэнергетике, разработкой наиболее экономичных и эффективных теплоэнергетических и теплоиспользующих агрегатов и энергосберегающих технологий занимается обширная область науки и техники теплотехника.

Теоретическую базу теплотехники составляют две важные теоретические дисциплины техническая термодинамика и теплопередача теория теплообмена . Техническая термодинамика 4 изучает закономерности взаимного превращения тепла в работу, взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, протекающими в тепловых двигателях и теплотехническом оборудовании, физические свойства и термодинамические процессы, протекающие в газах и парах. Вторым теоретическим разделом теплотехники является теплопередача 5 , изучающая процессы распространения тепла в твёрдых, жидких и газообразных телах, основы расчёта теплообменных и теплоиспользующих установок.

Задача изучения дисциплины обеспечить теоретическую и практическую подготовку студентов в изучении термодинамических и теплообменных процессов, с целью разработки энергосберегающих технологий, а также технических решений по безопасному функционированию теплоэнергетического и технологического оборудования и объектов коммунально-бытовой сферы.

Авторами настоятельно рекомендуется изучение дисциплины Теплотехника по настоящему изданию совместно с методическими указаниями по выполнению расчетно-графических заданий 2, 4, 5 .

Пристатейные списки литературы

1. Семиненко А.С. Теплотехника Электронный ресурс : конспект лекций / А.С. Семиненко, А.И. Алифанова // Электрон. текстовые дан. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. 1 эл. опт. диск CD + RW .

2. Ильина Т.Н. Примеры расчетов тепло- и массообменных процессов: учебное пособие / Т.Н. Ильина, А.С. Семиненко, В.М. Киреев. Белгород: изд-во БГТУ, 2011. 142 с.

3. Минко В.А. Комплексное проектирование установок центрального водяного отопления зданий жилищно-гражданского назначения: учеб. пособие / В.А. Минко, Б.Ф. Подпоринов, А.С. Семиненко. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. 184 с.

4. Подпоринов Б.Ф. Техническая термодинамика: методические указания / Б.Ф. Подпоринов, А.С. Семиненко // Электрон. текстовые дан. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. 1 эл. опт. диск CD-ROM .

5. Подпоринов Б.Ф. Тепломассообмен методические указания / Б.Ф. Подпоринов, А.С. Семиненко // Электрон. текстовые дан. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. 1 эл. опт. диск CD-RW .

Библиографическая ссылка

Семиненко А.С. Алифанова А.И. ТЕПЛОТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕСУРС: КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 3 С. 206-207

Код для вставки на сайт или в блог

Комментарии запрещены.

Реклама