Silnik parowy - Steam engine

Model silnika belkowego z równoległym połączeniem Jamesa Watta do podwójnego działania.
Parowóz z NRD . Silnik tej klasy był budowany w latach 1942-1950 i eksploatowany do 1988 roku.
Silnik do orki parowej firmy Kemna

Silnik parowy jest silnik cieplny , który wykonuje prace mechaniczne przy użyciu pary wodnej jako jego ciecz robocza . Silnik parowy wykorzystuje siłę wytwarzaną przez ciśnienie pary, aby popychać tłok tam iz powrotem wewnątrz cylindra. Ta siła pchająca może zostać przekształcona za pomocą korbowodu i koła zamachowego w siłę obrotową do pracy . Termin „silnik parowy” jest ogólnie stosowany tylko do silników tłokowych, jak właśnie opisano, a nie do turbiny parowej . Silniki parowe to silniki spalinowe , w których płyn roboczy jest oddzielany od produktów spalania. Idealny cykl termodynamiczny używany do analizy tego procesu nazywa się cyklem Rankine'a . W powszechnym użyciu termin maszyna parowa może odnosić się do kompletnych instalacji parowych (w tym kotłów itp.), takich jak lokomotywy parowe i silniki przenośne , lub może odnosić się do samego mechanizmu tłokowego lub turbinowego, jak w przypadku silnika belkowego i stacjonarnej pary silnik .

Chociaż urządzenia napędzane parą były znane już jako aeolipile w pierwszym wieku naszej ery, z kilkoma innymi zastosowaniami odnotowanymi w XVI i XVII wieku, Thomas Savery jest uważany za wynalazcę pierwszego komercyjnego urządzenia zasilanego parą, pompy parowej które wykorzystywały ciśnienie pary działającej bezpośrednio na wodę. Pierwszy komercyjny silnik, który mógł przenosić ciągłą moc do maszyny, został opracowany w 1712 roku przez Thomasa Newcomena . James Watt dokonał krytycznej poprawy, usuwając zużytą parę do oddzielnego naczynia w celu kondensacji, znacznie poprawiając ilość pracy uzyskanej na jednostkę zużytego paliwa. W XIX wieku stacjonarne maszyny parowe napędzały fabryki rewolucji przemysłowej . Silniki parowe zastąpiły żagle statkom na parowcach wiosłowych , a lokomotywy parowe eksploatowane na kolei.

Tłokowe silniki parowe tłokowe były dominującym źródłem energii aż do początku XX wieku, kiedy postęp w konstrukcji silników elektrycznych i spalinowych spowodował stopniowe zastępowanie silników parowych w zastosowaniach komercyjnych. Turbiny parowe zastąpiły silniki tłokowe w wytwarzaniu energii ze względu na niższy koszt, wyższą prędkość roboczą i wyższą sprawność.

Historia

Wczesne eksperymenty

Pierwszym odnotowanym prymitywnym „silnikiem” napędzanym parą był aeolipile opisany przez Hero z Aleksandrii , greckiego matematyka i inżyniera w rzymskim Egipcie w pierwszym wieku naszej ery. W następnych stuleciach nieliczne znane „silniki” napędzane parą były, podobnie jak aeolipile, zasadniczo urządzeniami eksperymentalnymi używanymi przez wynalazców do wykazywania właściwości pary. Podstawowe urządzenie z turbiną parową zostało opisane przez Taqi al-Din w Osmańskim Egipcie w 1551 r. i przez Giovanniego Brancę we Włoszech w 1629 r. Hiszpański wynalazca Jerónimo de Ayanz y Beaumont otrzymał patenty w 1606 r. osuszanie zalanych kopalń. Denis Papin , hugenot , wykonał pożyteczną pracę przy warniku parowym w 1679 roku, a po raz pierwszy użył tłoka do podnoszenia ciężarów w 1690 roku.

Silniki pompujące

Pierwszym komercyjnym urządzeniem napędzanym parą była pompa wodna, opracowana w 1698 roku przez Thomasa Savery'ego . Wykorzystał kondensującą parę do wytworzenia próżni, która podniosła wodę od dołu, a następnie użyła ciśnienia pary, aby podnieść ją wyżej. Małe silniki były skuteczne, ale większe modele były problematyczne. Miały bardzo ograniczoną wysokość podnoszenia i były podatne na wybuchy kotła . Silnik Savery był używany w kopalniach, przepompowniach i dostarczaniu wody do kół wodnych napędzających maszyny włókiennicze. Silnik Savery był tani. Bento de Moura Portugalia wprowadził ulepszenie konstrukcji Savery, „aby uczynić ją zdolną do samodzielnego działania”, jak opisał John Smeaton w Philosophical Transactions opublikowanym w 1751 roku. Produkowano ją do końca XVIII wieku. Co najmniej jeden silnik był jeszcze znany z 1820 roku.

Silniki parowe tłokowe

Lokomotywa parowa Jacoba Leupolda , 1720

Pierwszym komercyjnie udanym silnikiem, który mógł przenosić ciągłą moc do maszyny, był silnik atmosferyczny , wynaleziony przez Thomasa Newcomena około 1712 roku. Udoskonalono go na pompie parowej Savery'ego, wykorzystując tłok, jak zaproponował Papin. Silnik Newcomena był stosunkowo nieefektywny i służył głównie do pompowania wody. Działało poprzez wytworzenie częściowej próżni poprzez kondensację pary pod tłokiem w cylindrze. Wykorzystywany był do osuszania wyrobisk górniczych na głębokościach pierwotnie niepraktycznych przy użyciu tradycyjnych środków oraz do dostarczania wody wielokrotnego użytku do napędzania kół wodnych w fabrykach położonych z dala od odpowiedniej „głowicy”. Woda, która przepłynęła przez koło, była pompowana do zbiornika magazynowego nad kołem. W 1780 James Pickard opatentował zastosowanie koła zamachowego i wału korbowego, aby zapewnić ruch obrotowy z ulepszonego silnika Newcomen.

W 1720 roku Jacob Leupold opisał dwucylindrową wysokociśnieniową maszynę parową. Wynalazek został opublikowany w jego głównym dziele „Theatri Machinarum Hydraulicarum”. Silnik wykorzystywał dwa ciężkie tłoki, aby zapewnić ruch pompie wodnej. Każdy tłok został podniesiony przez ciśnienie pary i wrócił do swojego pierwotnego położenia grawitacyjnie. Dwa tłoki dzieliły wspólny czterodrogowy zawór obrotowy podłączony bezpośrednio do kotła parowego.

Wczesny silnik pompujący Watt

Kolejnym ważnym krokiem było opracowanie przez Jamesa Watta (1763-1775) ulepszonej wersji silnika Newcomena z oddzielnym kondensatorem . Wczesne silniki Boultona i Watta zużywały o połowę mniej węgla niż ulepszona wersja Newcomena Johna Smeatona . Wczesne silniki Newcomena i Watta były „atmosferyczne”. Były zasilane ciśnieniem powietrza, które wpychało tłok w podciśnienie wytworzone przez kondensującą parę, zamiast ciśnienia rozprężającej się pary. Cylindry silnika musiały być duże, ponieważ jedyną użyteczną siłą działającą na nie było ciśnienie atmosferyczne .

Watt dalej rozwijał swój silnik, modyfikując go, aby zapewnić ruch obrotowy odpowiedni do napędzania maszyn. Umożliwiło to lokalizację fabryk z dala od rzek i przyspieszyło tempo rewolucji przemysłowej.

Silniki wysokociśnieniowe

Znaczenie wysokiego ciśnienia wraz z rzeczywistą wartością powyżej otoczenia zależy od epoki, w której termin ten był używany. W przypadku wczesnego użycia termin Van Reimsdijk odnosi się do pary znajdującej się pod wystarczająco wysokim ciśnieniem, aby mogła zostać wyrzucona do atmosfery bez polegania na próżni umożliwiającej jej wykonywanie użytecznej pracy. Ewing 1894 , s. 22 stwierdza, że ​​silniki kondensacyjne Watta były wówczas znane jako niskociśnieniowe w porównaniu z wysokociśnieniowymi, niekondensacyjnymi silnikami z tego samego okresu.

Patent Watta uniemożliwił innym wytwarzanie silników wysokociśnieniowych i mieszanych. Wkrótce po wygaśnięciu patentu Watta w 1800 roku, Richard Trevithick i oddzielnie Oliver Evans w 1801 roku wprowadzili silniki wykorzystujące parę pod wysokim ciśnieniem; Trevithick uzyskał patent na silnik wysokociśnieniowy w 1802 roku, a wcześniej Evans wykonał kilka działających modeli. Były one znacznie mocniejsze dla danego rozmiaru cylindra niż poprzednie silniki i mogły być wystarczająco małe do zastosowań transportowych. Następnie rozwój technologiczny i ulepszenia technik wytwarzania (częściowo spowodowane przyjęciem silnika parowego jako źródła zasilania) zaowocowały zaprojektowaniem bardziej wydajnych silników, które mogą być mniejsze, szybsze lub mocniejsze, w zależności od zamierzonego zastosowania.

Silnik Cornish został opracowany przez Trevithick i innych w 1810 roku. Był to silnik o cyklu złożonym, który ekspansywnie wykorzystywał parę pod wysokim ciśnieniem, a następnie skraplał parę pod niskim ciśnieniem, dzięki czemu był stosunkowo wydajny. Silnik Cornish miał nieregularny ruch i moment obrotowy podczas cyklu, ograniczając go głównie do pompowania. Silniki z Kornwalii były używane w kopalniach i do zaopatrzenia w wodę do końca XIX wieku.

Poziomy silnik stacjonarny

Pierwsi konstruktorzy stacjonarnych silników parowych uważali, że poziome cylindry będą podlegać nadmiernemu zużyciu. Ich silniki zostały więc ustawione z osią tłoka w pozycji pionowej. Z czasem popularność zyskała aranżacja pozioma, pozwalająca na montowanie kompaktowych, ale mocnych silników na mniejszych przestrzeniach.

Szczytem silnika poziomego był silnik parowy Corliss , opatentowany w 1849 roku, który był czterozaworowym silnikiem przeciwprądowym z oddzielnymi zaworami wlotowymi i wylotowymi pary oraz automatycznym zmiennym odcięciem pary. Kiedy Corliss otrzymał Medal Rumforda , komisja stwierdziła, że ​​„żaden wynalazek od czasów Watta nie poprawił tak wydajności silnika parowego”. Oprócz zużywania 30% mniej pary, zapewnia bardziej równomierną prędkość dzięki zmiennemu odcięciu pary, dzięki czemu doskonale nadaje się do produkcji, zwłaszcza przędzenia bawełny.

Pojazdy drogowe

Lokomotywa parowa z Anglii

Pierwsze eksperymentalne poruszające się po drogach pojazdy parowe zbudowano pod koniec XVIII wieku, ale dopiero po tym, jak Richard Trevithick , około 1800 roku, opracował zastosowanie pary pod wysokim ciśnieniem, mobilne silniki parowe stały się praktyczną propozycją. Pierwsza połowa XIX wieku przyniosła wielki postęp w projektowaniu pojazdów parowych, a do lat 50. XIX wieku opłacało się produkować je na zasadach komercyjnych. Postęp ten został zahamowany przez przepisy, które ograniczały lub zakazywały używania pojazdów napędzanych parą na drogach. Udoskonalenia w technologii pojazdów trwały od lat 60. XIX wieku do lat 20. XX wieku. Pojazdy drogowe parowe były używane do wielu zastosowań. W XX wieku szybki rozwój technologii silników spalinowych doprowadził do upadku silnika parowego jako źródła napędu pojazdów na zasadach komercyjnych, a stosunkowo niewiele pozostało w użyciu poza II wojną światową . Wiele z tych pojazdów zostało nabytych przez entuzjastów do konserwacji, a liczne przykłady nadal istnieją. W latach 60. problemy z zanieczyszczeniem powietrza w Kalifornii spowodowały krótki okres zainteresowania rozwojem i badaniem pojazdów napędzanych parą jako możliwym sposobem zmniejszenia zanieczyszczenia. Poza zainteresowaniem entuzjastów pary, okazjonalną repliką pojazdu i eksperymentalną technologią, obecnie żadne pojazdy parowe nie są produkowane.

Silniki morskie

Morski silnik parowy o potrójnym rozprężeniu na holowniku oceanicznym Hercules z 1907 r

Pod koniec XIX wieku silniki zespolone weszły do ​​powszechnego użytku. Silniki złożone odprowadzały parę do kolejno większych cylindrów, aby pomieścić większe objętości przy obniżonym ciśnieniu, co zapewnia lepszą wydajność. Etapy te nazwano rozprężaniem, przy czym powszechne były silniki z podwójnym i potrójnym rozprężaniem, zwłaszcza w żegludze, gdzie wydajność była ważna dla zmniejszenia masy przewożonego węgla. Silniki parowe pozostawały dominującym źródłem energii aż do początku XX wieku, kiedy postępy w konstrukcji turbiny parowej , silników elektrycznych i silników spalinowych stopniowo doprowadziły do ​​zastąpienia tłokowych (tłokowych) silników parowych, z żeglugą w XX wieku polegając na turbinie parowej.

Lokomotywy parowe

Wraz z postępem rozwoju maszyn parowych w XVIII wieku podejmowano różne próby zastosowania ich w ruchu drogowym i kolejowym. W 1784 roku, William Murdoch , o szkocki wynalazca zbudował model drogowego parowóz. Wczesny działający model lokomotywy parowej został zaprojektowany i skonstruowany przez pioniera parowca Johna Fitcha w Stanach Zjednoczonych prawdopodobnie w latach 80. lub 90. XVIII wieku. Jego lokomotywa parowa wykorzystywała koła z wewnętrznymi ostrzami prowadzone przez szyny lub tory.

Union Pacific 844 a "FEF-3" 4-8-4 "Northern" lokomotywa parowa

Pierwsza działająca lokomotywa parowa na pełną skalę została zbudowana przez Richarda Trevithick w Wielkiej Brytanii, a 21 lutego 1804 r. odbyła się pierwsza na świecie podróż kolejowa, gdy nienazwany parowóz Trevithick ciągnął pociąg wzdłuż tramwaju z Pen-y-darren huta żelaza, niedaleko Merthyr Tydfil do Abercynon w południowej Walii . Projekt zawierał szereg ważnych innowacji, w tym zastosowanie pary pod wysokim ciśnieniem, co zmniejszyło masę silnika i zwiększyło jego wydajność. Trevithick odwiedził okolice Newcastle później w 1804 roku, a koleje górnicze w północno-wschodniej Anglii stały się wiodącym ośrodkiem eksperymentowania i rozwoju lokomotyw parowych.

Trevithick kontynuował swoje własne eksperymenty, używając trzech lokomotyw, kończąc w 1808 r. w Catch Me Who Can. Zaledwie cztery lata później udana dwucylindrowa lokomotywa Salamanca autorstwa Matthew Murraya została wykorzystana przez szynę zębatą o poręczach krawędziowych w Middleton Railway . W 1825 roku George Stephenson zbudował lokomotywę dla kolei Stockton and Darlington Railway . Była to pierwsza publiczna kolej parowa na świecie, a następnie w 1829 roku zbudował The Rocket, który został wprowadzony i wygrał Rainhill Trials . Kolej Liverpool and Manchester Railway została otwarta w 1830 r. i korzystała wyłącznie z energii parowej zarówno dla pociągów pasażerskich, jak i towarowych.

Lokomotywy parowe były produkowane do końca XX wieku w miejscach takich jak Chiny i byłe Niemcy Wschodnie (gdzie produkowano DR Class 52.80 ).

Turbiny parowe

Ostatnią ważną ewolucją konstrukcji silnika parowego było zastosowanie turbin parowych, które rozpoczęły się pod koniec XIX wieku. Turbiny parowe są na ogół bardziej wydajne niż silniki parowe z tłokami tłokowymi (dla mocy powyżej kilkuset koni mechanicznych), mają mniej części ruchomych i zapewniają moc obrotową bezpośrednio zamiast za pośrednictwem układu korbowodów lub podobnych środków. Turbiny parowe praktycznie zastąpiły silniki tłokowe w elektrowniach na początku XX wieku, gdzie zaletą była ich sprawność, wyższa prędkość odpowiednia do pracy generatora oraz płynność obrotów. Obecnie większość energii elektrycznej dostarczają turbiny parowe. W Stanach Zjednoczonych 90% energii elektrycznej wytwarzane jest w ten sposób przy wykorzystaniu różnych źródeł ciepła. Turbiny parowe były szeroko stosowane do napędu dużych statków przez większą część XX wieku.

Obecny rozwój

Chociaż silnik parowy tłokowy nie jest już szeroko stosowany komercyjnie, różne firmy badają lub wykorzystują potencjał silnika jako alternatywy dla silników spalinowych. Firma Energiprojekt AB w Szwecji poczyniła postępy w wykorzystaniu nowoczesnych materiałów do wykorzystania mocy pary. Sprawność silnika parowego Energiprojekt osiąga około 27-30% w silnikach wysokociśnieniowych. Jest to jednostopniowy, 5-cylindrowy silnik (bez mieszanki) z parą przegrzaną i zużywa około. 4 kg (8,8 funta) pary na kWh.

Podzespoły i akcesoria silników parowych

Istnieją dwa podstawowe elementy instalacji parowej: kocioł lub wytwornica pary oraz „jednostka silnikowa”, nazywana „silnikiem parowym”. Parowozy stacjonarne w budynkach stałych mogą mieć kocioł i silnik w osobnych budynkach w pewnej odległości od siebie. Do użytku przenośnego lub mobilnego, takiego jak lokomotywy parowe , oba są montowane razem.

Powszechnie stosowany silnik tłokowy składał się zazwyczaj z żeliwnego cylindra, tłoka, korbowodu i belki lub korby i koła zamachowego oraz różnych połączeń. Para była naprzemiennie dostarczana i odprowadzana przez jeden lub więcej zaworów. Kontrola prędkości była albo automatyczna, za pomocą regulatora, albo przez zawór ręczny. Odlew cylindra zawierał porty doprowadzające i odprowadzające parę.

Silniki wyposażone w skraplacz są osobnym typem niż te, które wydmuchują do atmosfery.

Często obecne są inne składniki; pompy (takie jak wtryskiwacz ) do dostarczania wody do kotła podczas pracy, skraplacze do recyrkulacji wody i odzyskiwania utajonego ciepła parowania oraz przegrzewacze do podnoszenia temperatury pary powyżej jej punktu nasycenia pary oraz różne mechanizmy zwiększające projekt do palenisk. Gdy używany jest węgiel, można zastosować łańcuchowy lub śrubowy mechanizm doładowania i jego silnik napędowy lub silnik, aby przenieść paliwo z zasobnika (bunkra) do paleniska.

Źródło ciepła

Ciepło potrzebne do zagotowania wody i podniesienia temperatury pary może pochodzić z różnych źródeł, najczęściej ze spalania materiałów palnych przy odpowiednim dopływie powietrza w zamkniętej przestrzeni (np. komora spalania , palenisko , piec ). W przypadku modeli lub zabawkowych parowozów oraz kilku pełnowymiarowych obudów źródłem ciepła może być grzałka elektryczna .

Kotły

Kocioł przemysłowy do stacjonarnej maszyny parowej

Kotły to zbiorniki ciśnieniowe, które zawierają wodę do przegotowania i są wyposażone w funkcje, które przenoszą ciepło do wody tak skutecznie, jak to możliwe.

Dwa najpopularniejsze typy to:

Kocioł wodnorurkowy
Woda przepływa przez rurki otoczone gorącym gazem.
Kocioł płomieniówkowy
Gorący gaz jest przepuszczany przez rurki zanurzone w wodzie, ta sama woda krąży również w płaszczu wodnym otaczającym palenisko, a w wysokowydajnych kotłach lokomotyw przechodzi również przez rurki w samym palenisku (syfony termiczne i cyrkulatory bezpieczeństwa).

Kotły płomieniówkowe były głównym typem stosowanym do wytwarzania pary pod wysokim ciśnieniem (typowa praktyka parowozów), ale zostały one w dużej mierze wyparte przez bardziej ekonomiczne kotły wodnorurowe pod koniec XIX wieku do napędu statków i dużych zastosowań stacjonarnych.

Wiele kotłów podnosi temperaturę pary po opuszczeniu tej części kotła, w której ma ona kontakt z wodą. Znany jako przegrzanie , zamienia „ parę mokrą ” w „ parę przegrzaną ”. Pozwala uniknąć kondensacji pary w cylindrach silnika i zapewnia znacznie wyższą wydajność .

Jednostki silnikowe

W silniku parowym tłok lub turbina parowa lub inne podobne urządzenie do wykonywania pracy mechanicznej pobiera dopływ pary o wysokim ciśnieniu i temperaturze i oddaje dopływ pary o niższym ciśnieniu i temperaturze, wykorzystując tyle różnicy w parze energia, jak to możliwe, aby wykonać pracę mechaniczną.

Te „jednostki silnikowe” są często nazywane „silnikami parowymi” same w sobie. Silniki wykorzystujące sprężone powietrze lub inne gazy różnią się od silników parowych tylko szczegółami, które zależą od rodzaju gazu, chociaż sprężone powietrze jest stosowane w silnikach parowych bez zmian.

Zimny ​​zlew

Podobnie jak w przypadku wszystkich silników cieplnych, większość energii pierwotnej musi być emitowana jako ciepło odpadowe w stosunkowo niskiej temperaturze.

Najprostszym zlewozmywakiem jest odprowadzenie pary do otoczenia. Jest to często stosowane w lokomotywach parowych, aby uniknąć ciężaru i objętości skraplaczy. Część uwolnionej pary jest odprowadzana do komina, aby zwiększyć ciągłość ognia, co znacznie zwiększa moc silnika, ale zmniejsza wydajność.

Czasami ciepło odpadowe z silnika samo w sobie jest przydatne iw takich przypadkach można uzyskać bardzo wysoką ogólną sprawność.

Silniki parowe w elektrowniach stacjonarnych wykorzystują skraplacze powierzchniowe jako pochłaniacz zimna. Skraplacze są chłodzone przepływem wody z oceanów, rzek, jezior, a często także przez wieże chłodnicze, które odparowują wodę w celu usunięcia energii chłodzącej. Powstała skroplona gorąca woda ( kondensat ) jest następnie pompowana z powrotem do ciśnienia i przesyłana z powrotem do kotła. Sucha wieża chłodnicza jest podobna do chłodnicy samochodowej i jest stosowana w miejscach, w których woda jest kosztowna. Ciepło odpadowe może być również wyrzucane przez wyparne (mokre) wieże chłodnicze, które wykorzystują wtórny zewnętrzny obieg wody, który odparowuje część przepływu do powietrza.

Łodzie rzeczne początkowo wykorzystywały skraplacz strumieniowy, w którym zimna woda z rzeki jest wtryskiwana do pary wylotowej z silnika. Mieszanka wody chłodzącej i kondensatu. Chociaż stosowano to również na statkach morskich, generalnie już po kilku dniach pracy kocioł pokrył się osadzającą się solą, zmniejszając wydajność i zwiększając ryzyko wybuchu kotła. Od około 1834 roku stosowanie kondensatorów powierzchniowych na statkach wyeliminowało zanieczyszczenie kotłów i poprawiło sprawność silników.

Woda odparowana nie może być wykorzystana do dalszych celów (innych niż gdzieś deszcz), natomiast woda rzeczna może być ponownie wykorzystana. We wszystkich przypadkach woda zasilająca kocioł parowy, która musi być utrzymywana w czystości, jest oddzielona od wody chłodzącej lub powietrza.

Iniektora stosuje się strumień pary do siły wody do kotła. Wtryskiwacze są nieefektywne, ale na tyle proste, że nadają się do stosowania w lokomotywach.

Pompa wodna

Większość silników parowych posiada środki do dostarczania wody kotłowej pod ciśnieniem, dzięki czemu mogą pracować w sposób ciągły. Kotły użytkowe i przemysłowe powszechnie wykorzystują wielostopniowe pompy odśrodkowe ; jednak używane są inne typy. Innym sposobem dostarczania wody zasilającej kocioł o niższym ciśnieniu jest inżektor , który wykorzystuje strumień pary zwykle dostarczany z kotła. Wtryskiwacze stały się popularne w latach 50. XIX wieku, ale nie są już powszechnie stosowane, z wyjątkiem zastosowań takich jak lokomotywy parowe. To właśnie ciśnienie wody krążącej w kotle parowym pozwala na podniesienie temperatury wody znacznie powyżej 100 ° C (212 ° F) temperatury wrzenia wody przy jednym ciśnieniu atmosferycznym, a tym samym zwiększenie wydajności cykl parowy.

Monitorowanie i kontrolowanie

Instrument wskaźnikowy Richarda z 1875 roku. Patrz: Schemat wskaźnika (poniżej)

Ze względów bezpieczeństwa prawie wszystkie parowozy wyposażone są w mechanizmy do monitorowania kotła, takie jak manometr i wziernik do monitorowania poziomu wody.

Wiele silników stacjonarnych i mobilnych jest również wyposażonych w regulator, który reguluje prędkość silnika bez konieczności ingerencji człowieka.

Najbardziej przydatnym instrumentem do analizy osiągów maszyn parowych jest wskaźnik maszyn parowych. Wczesne wersje były używane w 1851 roku, ale najbardziej udany wskaźnik został opracowany dla wynalazcy i producenta silników wysokoobrotowych Charlesa Portera przez Charlesa Richarda i wystawiony na wystawie w Londynie w 1862 roku. Wskaźnik silnika parowego śledzi na papierze ciśnienie w cylindrze przez cały cykl, który może być używany do wykrywania różnych problemów i obliczania rozwiniętej mocy. Był rutynowo używany przez inżynierów, mechaników i inspektorów ubezpieczeniowych. Wskaźnik silnika może być również stosowany w silnikach spalinowych. Zobacz obraz diagramu wskaźników poniżej (w sekcji Typy jednostek silnikowych ).

Gubernator

Regulator odśrodkowy został zaadoptowany przez Jamesa Watta do użytku w silniku parowym w 1788 roku po tym, jak partner Watta, Boulton, zobaczył jeden na wyposażeniu młyna, który Boulton & Watt budował. Regulator nie mógł w rzeczywistości utrzymać zadanej prędkości, ponieważ w odpowiedzi na zmiany obciążenia przyjmowałby nową stałą prędkość. Regulator był w stanie poradzić sobie z mniejszymi zmianami, takimi jak te spowodowane zmiennym obciążeniem cieplnym kotła. Ponadto występowała tendencja do oscylacji przy każdej zmianie prędkości. W konsekwencji silniki wyposażone tylko w ten regulator nie nadawały się do operacji wymagających stałej prędkości, takich jak przędzenie bawełny. Z biegiem czasu regulator został ulepszony i w połączeniu ze zmiennym odcięciem pary, pod koniec XIX wieku osiągnięto dobrą kontrolę prędkości w odpowiedzi na zmiany obciążenia.

Konfiguracja silnika

Prosty silnik

W prostym silniku lub „pojedynczym silniku rozprężnym” ładunek pary przechodzi przez cały proces rozprężania w pojedynczym cylindrze, chociaż prosty silnik może mieć jeden lub więcej pojedynczych cylindrów. Następnie jest odprowadzany bezpośrednio do atmosfery lub do skraplacza. Gdy para rozpręża się przechodząc przez silnik wysokociśnieniowy, jej temperatura spada, ponieważ do systemu nie jest dodawane ciepło; jest to znane jako ekspansja adiabatyczna i powoduje, że para wchodzi do cylindra w wysokiej temperaturze i wychodzi w niższej temperaturze. Powoduje to cykl nagrzewania i schładzania cylindra przy każdym skoku, co jest źródłem nieefektywności.

Dominującą utratą sprawności w tłokowych silnikach parowych jest kondensacja i ponowne odparowanie cylindra. Cylinder parowy i sąsiednie metalowe części/porty działają w temperaturze mniej więcej w połowie między temperaturą nasycenia wlotu pary a temperaturą nasycenia odpowiadającą ciśnieniu wylotu. Ponieważ do cylindra roboczego wpuszczana jest para o wysokim ciśnieniu, znaczna część pary o wysokiej temperaturze skrapla się w postaci kropelek wody na powierzchniach metalowych, co znacznie zmniejsza ilość pary dostępnej do ekspansywnej pracy. Kiedy rozprężająca się para osiąga niskie ciśnienie (szczególnie podczas suwu wydechu), wcześniej osadzone krople wody, które właśnie utworzyły się w cylindrze/portach, teraz odparowują (ponowne parowanie) i ta para przestaje działać w cylindrze.

Istnieją praktyczne ograniczenia współczynnika rozszerzalności cylindra silnika parowego, ponieważ zwiększenie powierzchni cylindra ma tendencję do pogłębiania problemów związanych z kondensacją i ponownym parowaniem cylindra. Neguje to teoretyczne zalety związane z wysokim stopniem rozszerzalności w pojedynczym cylindrze.

Silniki złożone

Metoda zmniejszenia wielkości strat energii na bardzo długim cylindrze została wynaleziona w 1804 roku przez brytyjskiego inżyniera Arthura Woolfa , który opatentował swój wysokociśnieniowy silnik mieszany Woolf w 1805 roku. wysokiego ciśnienia (HP) cylindra , a następnie wchodzi do jednego lub więcej kolejnych niższym ciśnieniem (LP) cylindrów . Całkowite rozprężanie pary zachodzi teraz w wielu cylindrach, przy czym ogólny spadek temperatury w każdym cylindrze jest znacznie zmniejszony. Poprzez rozprężanie pary etapami w mniejszym zakresie temperatur (w każdym cylindrze) problem wydajności skraplania i ponownego parowania (opisany powyżej) jest zmniejszony. Zmniejsza to wielkość nagrzewania i chłodzenia cylindrów, zwiększając wydajność silnika. Stopniując ekspansję w wielu cylindrach, można zmniejszyć zmiany momentu obrotowego. Uzyskanie równej pracy z cylindra o niższym ciśnieniu wymaga większej objętości cylindra, ponieważ ta para zajmuje większą objętość. Dlatego otwór, a w rzadkich przypadkach skok, jest zwiększony w cylindrach niskociśnieniowych, co skutkuje większymi cylindrami.

Silniki o podwójnym rozprężeniu (zwykle znane jako złożone ) rozprężały parę w dwóch etapach. Pary mogą być zduplikowane lub praca dużego cylindra niskociśnieniowego może zostać podzielona z jednym cylindrem wysokociśnieniowym wydmuchującym na jeden lub drugi, co daje układ trzycylindrowy, w którym średnica cylindra i tłoka jest w przybliżeniu taka sama, dzięki czemu ruch posuwisto-zwrotny masy łatwiejsze do zrównoważenia.

Związki dwucylindrowe można ułożyć jako:

  • Mieszanki krzyżowe : Cylindry są obok siebie.
  • Mieszanki tandemowe : Cylindry są od końca do końca, napędzając wspólny korbowód
  • Mieszanki kątowe : Cylindry są ułożone w kształcie litery V (zwykle pod kątem 90 °) i napędzają wspólną korbę.

W przypadku związków dwucylindrowych stosowanych w kolejnictwie, tłoki są połączone z korbami, tak jak w przypadku dwucylindrowych prostych, przesuniętych w fazie o 90° ( ćwiartki ). Gdy podwójna grupa rozprężna jest podwojona, tworząc mieszankę czterocylindrową, poszczególne tłoki w grupie są zwykle wyważone pod kątem 180°, a grupy są ustawione względem siebie pod kątem 90°. W jednym przypadku (pierwszy typ mieszanki Vauclain ) tłoki pracowały w tej samej fazie napędzając wspólną wodzik i korbę, ponownie ustawione pod kątem 90° jak w przypadku silnika dwucylindrowego. W układzie trzycylindrowym korby LP były ustawione na 90 °, a HP jeden na 135 ° do pozostałych dwóch, lub w niektórych przypadkach wszystkie trzy korby były ustawione na 120 °.

Stosowanie mieszanek było powszechne dla jednostek przemysłowych, dla silników drogowych i prawie uniwersalne dla silników okrętowych po 1880 roku; nie była powszechnie popularna w lokomotywach kolejowych, gdzie często była postrzegana jako skomplikowana. Wynika to częściowo z trudnych warunków pracy kolei i ograniczonej przestrzeni zapewnianej przez skrajnię ładunkową (szczególnie w Wielkiej Brytanii, gdzie mieszanie nigdy nie było powszechne i nie było stosowane po 1930 r.). Jednak, choć nigdy w większości, był popularny w wielu innych krajach.

Silniki z wielokrotnym rozprężaniem

Animacja uproszczonego silnika z trzema rozszerzeniami. Para o wysokim ciśnieniu (kolor czerwony) wchodzi z kotła i przechodzi przez silnik, odchodząc jako para o niskim ciśnieniu (kolor niebieski), zwykle do skraplacza.

Jest to logiczne rozszerzenie silnika złożonego (opisanego powyżej) w celu podzielenia rozszerzenia na jeszcze więcej etapów w celu zwiększenia wydajności. Rezultatem jest silnik o wielu rozszerzeniach . Takie silniki wykorzystują trzy lub cztery stopnie rozprężania i są znane odpowiednio jako silniki z potrójnym i poczwórnym rozprężaniem . Silniki te wykorzystują szereg cylindrów o stopniowo rosnącej średnicy. Te cylindry są zaprojektowane tak, aby podzielić pracę na równe części dla każdego etapu ekspansji. Podobnie jak w przypadku silnika z podwójnym rozprężaniem, jeśli przestrzeń jest na wagę złota, do etapu niskiego ciśnienia można użyć dwóch mniejszych cylindrów. Silniki z wielokrotnym rozprężaniem zazwyczaj miały cylindry ułożone rzędowo, ale stosowano różne inne formacje. Pod koniec XIX wieku „system” równoważący Yarrow-Schlick-Tweedy był używany w niektórych morskich silnikach z potrójnym rozprężaniem . Silniki YST podzieliły niskociśnieniowe etapy rozprężania między dwa cylindry, po jednym na każdym końcu silnika. Pozwoliło to na lepsze wyważenie wału korbowego, co dało gładszy, szybciej reagujący silnik, który pracował z mniejszymi wibracjami. To sprawiło, że czterocylindrowy silnik o potrójnym rozprężeniu stał się popularny wśród dużych statków pasażerskich (takich jak klasa olimpijska ), ale ostatecznie został zastąpiony przez praktycznie bezwibracyjny silnik turbinowy . Należy jednak zauważyć, że silniki parowe z potrójnym silnikiem tłokowym były używane do napędzania statków Liberty z okresu II wojny światowej , zdecydowanie największej liczby identycznych statków, jakie kiedykolwiek zbudowano. W Stanach Zjednoczonych zbudowano ponad 2700 statków według brytyjskiego oryginalnego projektu.

Obraz w tej sekcji przedstawia animację silnika z potrójnym rozszerzeniem. Para przepływa przez silnik od lewej do prawej. Skrzynia zaworowa każdego z cylindrów znajduje się po lewej stronie odpowiedniego cylindra.

Silniki parowe na lądzie mogły odprowadzać parę do atmosfery, ponieważ woda zasilająca była zwykle łatwo dostępna. Przed i podczas I wojny światowej silnik rozprężny dominował w zastosowaniach morskich, gdzie duża prędkość statku nie była konieczna. Została jednak zastąpiona przez brytyjski wynalazek turbiny parowej, w której wymagana była prędkość, na przykład w okrętach wojennych, takich jak pancerniki drednoty i liniowce oceaniczne . HMS  Dreadnought z 1905 roku był pierwszym dużym okrętem wojennym, który zastąpił sprawdzoną technologię silnika tłokowego nowatorską turbiną parową.

Rodzaje jednostek motorycznych

Tłok posuwisto-zwrotny

Silnik stacjonarny dwustronnego działania . Była to popularna lokomotywa z połowy XIX wieku. Zwróć uwagę na suwak ze spodem wklęsłym, prawie w kształcie litery „D”.
Schematyczny diagram wskaźnika przedstawiający cztery zdarzenia w skoku podwójnego tłoka. Patrz: Monitoring i kontrola (powyżej)

W większości silników tłokowych posuwisto-zwrotnych para zmienia kierunek przepływu przy każdym suwie (przeciwprąd), wchodząc i wychodząc z tego samego końca cylindra. Cały cykl silnika zajmuje jeden obrót korby i dwa suwy tłoka; cykl obejmuje również cztery zdarzenia – dopuszczenie, rozprężenie, wydech, sprężanie. Zdarzenia te są kontrolowane przez zawory często pracujące wewnątrz skrzyni parowej sąsiadującej z cylindrem; zawory rozprowadzają parę poprzez otwieranie i zamykanie portów pary komunikujących się z końcem(-ami) cylindra i są napędzane przez przekładnię zaworową , której jest wiele typów.

Najprostsze przekładnie zaworowe zapewniają zdarzenia o stałej długości podczas cyklu pracy silnika i często powodują, że silnik obraca się tylko w jednym kierunku. Wiele jednak ma mechanizm odwracający , który dodatkowo może zapewnić środki do oszczędzania pary, ponieważ prędkość i pęd są nabierane przez stopniowe „skrócenie granicy ” lub raczej skrócenie zdarzenia przyjęcia; to z kolei proporcjonalnie wydłuża okres ekspansji. Jednakże, ponieważ jeden i ten sam zawór zwykle steruje obydwoma przepływami pary, krótkie odcięcie przy dopływie niekorzystnie wpływa na okresy wydechu i sprężania, które najlepiej zawsze powinny być utrzymywane na stałym poziomie; jeśli wydech jest zbyt krótki, całość pary wydechowej nie może opróżnić cylindra, dławiąc go i powodując nadmierne sprężenie ( „odrzut” ).

W latach 40. i 50. XIX wieku starano się przezwyciężyć ten problem za pomocą różnych patentowych przekładni zaworowych z oddzielnym zaworem rozprężnym o zmiennym odcięciu umieszczonym z tyłu głównego suwaka; te ostatnie miały zwykle stałe lub ograniczone odcięcie. Połączona konfiguracja dała spore przybliżenie idealnych wydarzeń, kosztem zwiększonego tarcia i zużycia, a mechanizm był skomplikowany. Zazwyczaj rozwiązanie kompromisowe było dostarczenie okrążenie wydłużając tarcie powierzchni trzpienia w taki sposób, aby zachodzić na portu po stronie przyjmowania, z tym skutkiem, że strona wydechowa jest otwarty przez długi okres po odcięcia na dopuszczenie strona wystąpiła. To celowe został już ogólnie uznane za zadowalające dla większości zastosowań i umożliwia stosowanie prostszych Stephenson , Joy i Walschaerts ruchów. Corliss , a później zawory grzybkowe, miały oddzielne zawory wlotowe i wylotowe napędzane mechanizmami wyzwalającymi lub krzywkami wyprofilowanymi tak, aby dawać idealne zdarzenia; większość z tych przekładni nigdy nie odniosła sukcesu poza rynkiem stacjonarnym z powodu różnych innych problemów, w tym wycieków i bardziej delikatnych mechanizmów.

Kompresja

Zanim faza wydechu dobiegnie końca, strona wydechowa zaworu zamyka się, odcinając część pary wydechowej wewnątrz cylindra. To determinuje fazę sprężania, w której tworzy się poduszka pary, na którą działa tłok, podczas gdy jego prędkość gwałtownie spada; ponadto zapobiega szokowi ciśnieniowemu i temperaturowemu, który w przeciwnym razie byłby spowodowany nagłym dopływem pary pod wysokim ciśnieniem na początku następnego cyklu.

Ołów

Powyższe efekty są dodatkowo wzmacniane przez dostarczenie ołowiu : jak później odkryto w przypadku silnika spalinowego wewnętrznego spalania , od końca lat 30. XIX w. stwierdzono, że korzystne jest przyspieszenie fazy dopuszczenia, dając prowadzenie zaworu tak, że dopuszczenie następuje nieco przed końcem okresu dopuszczenia. suw wydechu w celu wypełnienia przestrzeni luzu obejmującej otwory i końce cylindra (nie będące częścią objętości omiatanej przez tłok), zanim para zacznie wywierać nacisk na tłok.

Silnik Uniflow (lub unaflow)

Schematyczna animacja jednoprzepływowego silnika parowego .
Te zawory grzybkowe są sterowane za pomocą obracającego się wałka rozrządu na górze. Wchodzi para pod wysokim ciśnieniem, kolor czerwony, a wyloty, kolor żółty.

Silniki Uniflow próbują zaradzić trudnościom wynikającym ze zwykłego cyklu przeciwprądowego, w którym podczas każdego suwu otwór i ściany cylindra będą chłodzone przez przechodzącą parę wylotową, podczas gdy cieplejsza wchodząca para wejściowa marnuje część swojej energii na przywrócenie pracy temperatura. Celem uniflow jest naprawa tej wady i poprawa wydajności poprzez zapewnienie dodatkowego otworu odsłoniętego przez tłok na końcu każdego suwu, dzięki czemu para przepływa tylko w jednym kierunku. Oznacza to, że silnik jednokierunkowy o prostym rozprężaniu zapewnia wydajność równą wydajności klasycznych układów złożonych z dodatkową zaletą doskonałej wydajności przy częściowym obciążeniu i porównywalnej wydajności z turbinami w przypadku mniejszych silników o mocy poniżej tysiąca koni mechanicznych. Jednak gradient rozszerzalności cieplnej silników jednokierunkowych wytwarzany wzdłuż ścianki cylindra stwarza praktyczne trudności.

Silniki turbinowe

Wirnik nowoczesnej turbiny parowej stosowanej w elektrowni

Turbina parowa składa się z jednego lub więcej wirników (tarcz obrotowych) osadzonych na wale napędowym, naprzemiennie z szeregiem stojanów (tarcz statycznych) przymocowanych do obudowy turbiny. Wirniki mają na zewnętrznej krawędzi układ łopatek przypominający śmigło. Para działa na te ostrza, wytwarzając ruch obrotowy. Stojan składa się z podobnej, ale stałej serii łopatek, które służą do przekierowania przepływu pary na następny stopień wirnika. Turbina parowa często wypływa do skraplacza powierzchniowego, który zapewnia podciśnienie. Stopnie turbiny parowej są zwykle ustawione tak, aby uzyskać maksymalną potencjalną pracę z określonej prędkości i ciśnienia pary, co daje początek serii stopni o zmiennej wielkości wysoko- i niskociśnieniowych. Turbiny są wydajne tylko wtedy, gdy obracają się ze stosunkowo dużą prędkością, dlatego są zwykle połączone z przekładniami redukcyjnymi, aby napędzać aplikacje o niższej prędkości, takie jak śruba napędowa statku. W zdecydowanej większości dużych elektrociepłowni turbiny są bezpośrednio połączone z generatorami bez przekładni redukcyjnej. Typowe prędkości to 3600 obrotów na minutę (RPM) w Stanach Zjednoczonych z mocą 60 Hz i 3000 obr./min w Europie i innych krajach z systemami zasilania elektrycznego o częstotliwości 50 Hz. W zastosowaniach energetyki jądrowej turbiny zwykle pracują z połową tych prędkości, 1800 obr./min i 1500 obr./min. Wirnik turbiny jest również zdolny do dostarczania mocy tylko podczas obracania się w jednym kierunku. Dlatego też zwykle wymagany jest stopień nawrotny lub przekładnia, gdy wymagana jest moc w przeciwnym kierunku.

Turbiny parowe zapewniają bezpośrednią siłę obrotową i dlatego nie wymagają mechanizmu łączącego, aby przekształcić ruch posuwisto-zwrotny w ruch obrotowy. W ten sposób wytwarzają płynniejsze siły obrotowe na wale wyjściowym. Przyczynia się to do mniejszych wymagań konserwacyjnych i mniejszego zużycia maszyn, które napędzają, niż porównywalny silnik tłokowy.

Głównym zastosowaniem turbin parowych jest wytwarzanie energii elektrycznej (w latach 90-tych około 90% światowej produkcji energii elektrycznej pochodziło z turbin parowych), jednak niedawne szerokie zastosowanie dużych turbozespołów gazowych i typowych elektrowni w cyklu skojarzonym spowodowało zmniejszenie ten odsetek do reżimu 80% dla turbin parowych. W produkcji energii elektrycznej wysoka prędkość obrotowa turbiny dobrze współgra z prędkością nowoczesnych generatorów elektrycznych, które zazwyczaj są bezpośrednio połączone z ich turbinami napędowymi. W służbie morskiej (po raz pierwszy na Turbinii ) turbiny parowe z przekładnią redukcyjną (chociaż Turbinia ma bezpośrednie turbiny ze śrubami napędowymi bez przekładni redukcyjnej) dominowały w napędzie dużych statków pod koniec XX wieku, będąc bardziej wydajnym (i wymagającym znacznie mniej konserwacji) niż silniki parowe tłokowe. W ostatnich dziesięcioleciach silniki wysokoprężne tłokowe i turbiny gazowe prawie całkowicie wyparły napęd parowy w zastosowaniach morskich.

Praktycznie wszystkie elektrownie jądrowe wytwarzają energię elektryczną poprzez podgrzewanie wody w celu dostarczenia pary napędzającej turbinę podłączoną do generatora elektrycznego . Statki i okręty podwodne o napędzie jądrowym albo wykorzystują turbinę parową bezpośrednio do głównego napędu, z generatorami dostarczającymi energię pomocniczą, albo wykorzystują przekładnię turboelektryczną , w której para napędza turbozespół z napędem zapewnianym przez silniki elektryczne. Wyprodukowano ograniczoną liczbę lokomotyw kolejowych z turbinami parowymi . Niektóre lokomotywy z napędem bezpośrednim bez kondensacji odniosły pewien sukces w przewozach długodystansowych w Szwecji i w ekspresowych pracach pasażerskich w Wielkiej Brytanii , ale nie powtórzono ich. Gdzie indziej, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, bardziej zaawansowane konstrukcje z przekładnią elektryczną były budowane eksperymentalnie, ale nie były odtwarzane. Stwierdzono, że turbiny parowe nie były idealnie przystosowane do środowiska kolejowego i lokomotywy te nie zdołały wyprzeć klasycznego zespołu parowo-zwrotnego w sposób, w jaki zrobiły to współczesne trakcje spalinowe i elektryczne.

Silniki parowe z cylindrem oscylacyjnym

Silnik parowy z cylindrem oscylacyjnym jest odmianą prostego silnika parowego rozprężnego, który nie wymaga zaworów do kierowania pary do i z cylindra. Zamiast zaworów cały cylinder kołysze się lub oscyluje tak, że jeden lub więcej otworów w cylindrze pokrywa się z otworami w nieruchomej powierzchni portu lub w uchwycie obrotowym ( czop ). Silniki te ze względu na swoją prostotę stosowane są głównie w zabawkach i modelach, ale znalazły również zastosowanie w pełnowymiarowych silnikach roboczych, głównie na statkach, gdzie ceni się ich kompaktowość.

Obrotowe silniki parowe

Możliwe jest zastosowanie mechanizmu opartego na beztłokowym silniku obrotowym, takim jak silnik Wankla, w miejsce cylindrów i przekładni zaworowej konwencjonalnego silnika parowego tłokowego. Wiele takich silników zostało zaprojektowanych od czasów Jamesa Watta do dnia dzisiejszego, ale stosunkowo niewiele zostało faktycznie zbudowanych, a jeszcze mniej trafiło do produkcji seryjnej; zobacz link na dole artykułu, aby uzyskać więcej informacji. Głównym problemem jest trudność w uszczelnieniu wirników, aby były paroszczelne w obliczu zużycia i rozszerzalności cieplnej ; wynikający z tego wyciek sprawił, że były one bardzo nieefektywne. Brak ekspansywnej pracy lub jakichkolwiek środków kontroli odcięcia jest również poważnym problemem wielu takich konstrukcji.

W latach czterdziestych XIX wieku stało się jasne, że koncepcja miała nieodłączne problemy, a silniki obrotowe były traktowane z pewną szyderstwem w prasie technicznej. Jednak pojawienie się elektryczności na scenie i oczywiste zalety napędzania dynama bezpośrednio z szybkoobrotowego silnika doprowadziły do ​​pewnego ożywienia zainteresowania w latach 80. i 90. XIX wieku, a kilka projektów odniosło pewien ograniczony sukces.

Z nielicznych projektów, które zostały wyprodukowane w ilościach, godne uwagi są projekty firmy Hult Brothers Rotary Steam Engine Company ze Sztokholmu w Szwecji oraz silnik kulisty z Beauchamp Tower . Silniki Tower były używane przez Great Eastern Railway do napędzania dynamów w swoich lokomotywach oraz przez Admiralicję do napędzania dynamów na pokładach statków Królewskiej Marynarki Wojennej . Zostały one ostatecznie zastąpione w tych niszowych zastosowaniach przez turbiny parowe.

Rysowanie linii kuli zawieszonej między dwoma słupkami tworzącymi oś poziomą.  Dwa prostopadłe ramiona strumieniowe na obwodzie wyrzucają parę, która została wytworzona przez gotowanie wody w zamkniętym naczyniu pod dwoma pionowymi wspornikami, które są puste i pozwalają parze przepływać do wnętrza kuli.
An aeolipile obraca się z powodu ucieczki z pary ramion. Nie wykorzystano tego w praktyce.

Typ rakiety

Aeolipile oznacza zastosowanie pary przez zasady rakiet reakcji , chociaż nie do bezpośredniego napędu.

W bardziej nowoczesnych czasach użycie pary w rakietach jest ograniczone – szczególnie w samochodach rakietowych. Rakieta parowa działa poprzez napełnienie naczynia ciśnieniowego gorącą wodą pod wysokim ciśnieniem i otwarcie zaworu prowadzącego do odpowiedniej dyszy. Spadek ciśnienia powoduje natychmiastowe zagotowanie części wody, a para wypływa przez dyszę, tworząc siłę napędową.

Powóz Ferdynanda Verbiest był napędzany przez aeolipile w 1679 roku.

Bezpieczeństwo

Silniki parowe posiadają kotły i inne elementy będące zbiornikami ciśnieniowymi, które zawierają dużą ilość energii potencjalnej. Ucieczki pary i wybuchy kotłów (zazwyczaj BLEVE ) mogą i w przeszłości powodowały ogromne straty w ludziach. Chociaż w różnych krajach mogą istnieć różnice w normach, w celu zapewnienia bezpieczeństwa stosuje się rygorystyczne przepisy prawne, testy, szkolenia, dbałość o produkcję, obsługę i certyfikację.

Tryby awarii mogą obejmować:

  • nadciśnienie kotła
  • niewystarczająca ilość wody w kotle powodująca przegrzanie i awarię naczynia
  • nagromadzenie osadu i kamienia, które powodują lokalne gorące punkty, szczególnie w łodziach rzecznych używających brudnej wody zasilającej
  • awaria zbiornika ciśnieniowego kotła spowodowana nieodpowiednią budową lub konserwacją.
  • wydostawanie się pary z rurociągów/kotła powodujące oparzenia

Silniki parowe często posiadają dwa niezależne mechanizmy zapewniające, że ciśnienie w kotle nie wzrośnie zbyt wysoko; jeden może być regulowany przez użytkownika, drugi jest zwykle zaprojektowany jako ostateczny zabezpieczenie przed awariami. Takie zawory bezpieczeństwa tradycyjnie wykorzystywały prostą dźwignię do unieruchomienia zaworu czopowego w górnej części kotła. Jeden koniec dźwigni niósł ciężar lub sprężynę, która utrzymywała zawór przed ciśnieniem pary. Wczesne zawory mogły być regulowane przez kierowców silników, co prowadziło do wielu wypadków, gdy kierowca przykręcał zawór, aby umożliwić większe ciśnienie pary i większą moc z silnika. Nowszy typ zaworu bezpieczeństwa wykorzystuje regulowany zawór sprężynowy, który jest zablokowany tak, że operatorzy nie mogą manipulować przy jego regulacji, chyba że plomba zostanie nielegalnie zerwana. Taki układ jest znacznie bezpieczniejszy.

W górnej części paleniska kotła mogą znajdować się korki topikowe . Jeśli poziom wody opadnie tak, że temperatura czubka paleniska znacznie wzrośnie, ołów topi się, a para ulatnia się, ostrzegając operatorów, którzy mogą następnie ręcznie stłumić ogień. Z wyjątkiem najmniejszych kotłów ulatnianie się pary ma niewielki wpływ na tłumienie ognia. Korki mają również zbyt małą powierzchnię, aby znacznie obniżyć ciśnienie pary, obniżając ciśnienie w kotle. Gdyby były większe, ilość ulatniającej się pary sama w sobie zagrażałaby załodze.

Cykl parowy

Schemat blokowy czterech głównych urządzeń stosowanych w cyklu Rankine'a . 1). Pompa wody zasilającej 2). Kocioł lub generator pary 3). Turbina lub silnik 4). Skraplacz; gdzie Q = ciepło i W = praca. Większość ciepła jest odrzucana jako odpad.

Cykl Rankine'a jest podstawową termodynamiczną podstawą silnika parowego. Cykl jest układem komponentów, który jest zwykle używany do prostego wytwarzania energii i wykorzystuje przemianę fazową wody (wrząca para wytwarzająca wodę, kondensująca para wylotowa, wytwarzająca ciekłą wodę) w celu zapewnienia praktycznego systemu konwersji ciepła/mocy. Ciepło jest dostarczane zewnętrznie do zamkniętego obiegu, przy czym część dodanego ciepła jest przekształcana do pracy, a ciepło odpadowe jest usuwane w skraplaczu. Cykl Rankine'a jest stosowany praktycznie we wszystkich zastosowaniach związanych z wytwarzaniem energii parowej. W 1990, Obieg Rankine'a parowe generowane około 90% całej energii elektrycznej stosowane na całym świecie, w tym prawie wszystkich słonecznej , biomasy , węgla i jądrowych elektrowni . Jego nazwa pochodzi od Williama Johna Macquorna Rankine'a , szkockiego erudyta .

Cykl Rankine'a jest czasami określany jako praktyczny cykl Carnota, ponieważ gdy używana jest wydajna turbina, diagram TS zaczyna przypominać cykl Carnota. Główna różnica polega na tym, że dodawanie (w kotle) ​​i oddawanie ciepła (w skraplaczu) to procesy izobaryczne (stałe ciśnienie) w obiegu Rankine'a i izotermiczne (stała temperatura ) w teoretycznym obiegu Carnota. W tym cyklu pompa jest używana do sprężania płynu roboczego, który jest odbierany ze skraplacza jako ciecz, a nie jako gaz. Pompowanie płynu roboczego w postaci ciekłej podczas cyklu wymaga niewielkiej części energii do jego przetransportowania w porównaniu z energią potrzebną do sprężenia płynu roboczego w postaci gazowej w sprężarce (jak w cyklu Carnota ). Cykl tłokowej maszyny parowej różni się od turbiny z powodu kondensacji i ponownego parowania zachodzącego w cylindrze lub w kanałach wlotowych pary.

Płyn roboczy w cyklu Rankine'a może działać jako układ z zamkniętą pętlą, w którym płyn roboczy jest poddawany ciągłemu recyklingowi, lub może być układem z „otwartą pętlą”, w którym para wylotowa jest bezpośrednio uwalniana do atmosfery i oddzielnym źródłem wody zasilanie kotła jest dostarczane. Zwykle preferowanym płynem jest woda ze względu na jej korzystne właściwości, takie jak chemia nietoksyczna i niereaktywna, obfitość, niski koszt i właściwości termodynamiczne . Rtęć jest płynem roboczym w turbinie parowej rtęci . Węglowodory niskowrzące mogą być stosowane w cyklu binarnym .

Silnik parowy przyczynił się w dużym stopniu do rozwoju teorii termodynamicznej; jednak jedynymi zastosowaniami teorii naukowej, które wpłynęły na silnik parowy, były oryginalne koncepcje wykorzystania mocy pary i ciśnienia atmosferycznego oraz znajomość właściwości ciepła i pary. Eksperymentalne pomiary wykonane przez Watta na modelowym silniku parowym doprowadziły do ​​opracowania oddzielnego skraplacza. Watt niezależnie odkrył ciepło utajone , co zostało potwierdzone przez pierwotnego odkrywcę Josepha Blacka , który doradzał również Wattowi w procedurach eksperymentalnych. Watt był również świadomy zmiany temperatury wrzenia wody pod wpływem ciśnienia. Poza tym ulepszenia samego silnika miały bardziej mechaniczny charakter. Koncepcje termodynamiczne cyklu Rankine'a dały inżynierom wiedzę niezbędną do obliczenia sprawności, która pomogła w opracowaniu nowoczesnych kotłów wysokociśnieniowych i temperaturowych oraz turbiny parowej.

Efektywność

Sprawność cyklu silnika można obliczyć, dzieląc energię wyjściową pracy mechanicznej wytwarzanej przez silnik przez energię włożoną do silnika przez spalane paliwo.

Historyczną miarą sprawności energetycznej silnika parowego był jego „obowiązek”. Koncepcja cła została po raz pierwszy wprowadzona przez Watta w celu zilustrowania, o ile bardziej wydajne były jego silniki w porównaniu z wcześniejszymi konstrukcjami Newcomen . Obowiązkiem jest liczba stóp-funtów od pracy dostarczonych przez spalenie jednego buszel (94 funtów) węgla. Najlepsze przykłady projektów Newcomena miały obowiązek około 7 milionów, ale większość była bliższa 5 milionom. Oryginalne niskociśnieniowe konstrukcje Watta były w stanie zapewnić wydajność do 25 milionów, ale średnio około 17. Było to trzykrotne ulepszenie w stosunku do przeciętnego projektu Newcomen. Wczesne silniki Watt wyposażone w parę pod wysokim ciśnieniem poprawiły to do 65 milionów.

Żaden silnik cieplny nie może być bardziej wydajny niż cykl Carnota , w którym ciepło jest przenoszone ze zbiornika o wysokiej temperaturze do zbiornika o niskiej temperaturze, a sprawność zależy od różnicy temperatur. Aby uzyskać jak największą sprawność, silniki parowe powinny pracować przy najwyższej możliwej temperaturze pary ( para przegrzana ), a oddawać ciepło odpadowe przy możliwie najniższej temperaturze.

Wydajność cyklu Rankine'a jest zwykle ograniczona przez płyn roboczy. Bez ciśnienia osiągającego poziomy nadkrytyczne dla płynu roboczego, zakres temperatur, w którym może działać cykl, jest mały; w turbinach parowych temperatury na wejściu do turbiny wynoszą zazwyczaj 565°C ( granica pełzania stali nierdzewnej), a temperatury skraplacza wynoszą około 30°C. Daje to teoretyczną sprawność Carnota około 63% w porównaniu z rzeczywistą sprawnością 42% dla nowoczesnej elektrowni węglowej. Ta niska temperatura wejściowa turbiny (w porównaniu z turbiną gazową ) jest powodem, dla którego cykl Rankine'a jest często używany jako cykl dolny w elektrowniach z turbiną gazową o cyklu kombinowanym .

Jedną z głównych zalet cyklu Rankine'a nad innymi jest to, że podczas etapu sprężania do napędzania pompy potrzeba stosunkowo niewiele pracy, ponieważ płyn roboczy jest w tym momencie w fazie ciekłej. Poprzez kondensację płynu praca wymagana przez pompę zużywa tylko 1% do 3% mocy turbiny (lub silnika tłokowego) i przyczynia się do znacznie wyższej wydajności w rzeczywistym cyklu. Korzyści z tego są nieco tracone ze względu na niższą temperaturę dodawania ciepła. Na przykład turbiny gazowe mają temperaturę wlotową turbiny zbliżoną do 1500 °C. Niemniej jednak, sprawności rzeczywistych dużych obiegów parowych i dużych nowoczesnych turbin gazowych o prostym obiegu są dość dobrze dopasowane.

W praktyce, tłokowy cykl silnika parowego odprowadzający parę do atmosfery będzie zazwyczaj miał sprawność (łącznie z kotłem) w zakresie 1-10%, ale z dodatkiem skraplacza, zaworów Corliss, wielokrotnego rozprężania i wysokiego ciśnienia pary /temperaturę, może ulec znacznej poprawie, historycznie w przedziale 10–20%, a bardzo rzadko nieco wyższa.

Nowoczesna, duża elektrownia (produkująca kilkaset megawatów mocy elektrycznej) z dogrzewaniem pary , ekonomizerem itp. osiągnie sprawność w średnim zakresie 40%, przy czym najwydajniejsze jednostki osiągną sprawność cieplną do 50%.

Możliwe jest również wychwytywanie ciepła odpadowego za pomocą kogeneracji, w której ciepło odpadowe jest wykorzystywane do ogrzewania płynu roboczego o niższej temperaturze wrzenia lub jako źródło ciepła do sieci ciepłowniczej za pomocą nasyconej pary o niskim ciśnieniu.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki