0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Первая паровая машина в мире

Паровые автомобили — что и как это было

Статья о паровых автомобилях: история создания, интересные модели и их описание, характеристики, фото. В конце статьи — видео про парковой трайк. Статья о паровых автомобилях: история создания, интересные модели и их описание, характеристики, фото. В конце статьи — видео про парковой трайк.

Эра бензиновых автомобилей, таких привычных и надежных, еще длится. Но автоконцерны с мировыми именами уже начинают производить экономичные и экологичные электромобили, которые рано или поздно вытеснят с рынка машины с ДВС.

Однако человечество за свою историю знало и иные источники энергии — например, паровые двигатели, которые применялись в некоторых типах машин.

Выгодный пар

Паровой автомобильный транспорт, в том числе грузовики и автобусы, сегодня вполне реально рассматривать как один из возможных путей решения проблемы очищения воздуха в городах. Загрязнение атмосферы городов выхлопными газами уже достигло пределов, угрожающих здоровью людей. А что может предложить паровая техника?

Во-первых, выхлоп самой паровой машины экологически чистый – это водяной пар. Под паровым котлом можно сжигать фактически любое углеводородное топливо. А выхлоп от котла будет гораздо чище, чем от ДВС, поскольку топливо сгорает в топке или горелке при значительно более низких давлениях, чем в цилиндрах ДВС. Ещё возможно добавить к горелке некий аналог каталитического нейтрализатора выхлопных газов, как у ДВС.

Во-вторых, котлостроение за 60 с лишним лет, после создания паросиловой установки грузовика НАМИ-012, ушло далеко вперёд. Создание в XXI столетии малогабаритного транспортного парового котла прямоточной конструкции, экономичного и с высокой степенью автоматизации работы – это объективная реальность. Кстати, такая задача была под силу ещё в докомпьютерную эпоху 1930-х гг. известным братьям Добл. Особенно, если разработку сегодня вести с использованием компьютерных систем автоматизированного проектирования (САПР) для трёхмерного моделирования, расчётов и оптимизации.

В-третьих, ДВС нашего времени более компактны, чем ряд автомобильных паровых моторов прошлого, и вполне возможна конверсия их в современные паровые моторы. У них будут все достоинства паровых поршневых машин: плавность хода, практическая бесшумность при работе, большой крутящий момент на валу, отсутствие коробки передач, сложной трансмиссии, стартера, глушителя. Отпадает потребность и в смазочном масле: вполне сгодится вода!

В-четвёртых, опасность размораживания паросиловой установки в зимний период возможно свести на нет за счёт герметичной системы парообразования и применения незамерзающих жидкостей, способных эксплуатироваться длительное время без утечек.

В-пятых, многим специалистам может показаться, что запуск парового грузовика или автобуса будет более продолжительным, чем у обычного транспорта с ДВС. Однако уже к началу 1970-х были отработаны конструкции паровых моторов, способных переходить от холодного состояния до момента трогания с места транспортного средства всего за 30–35 с.

Задавая вопросы

Джеймс Уатт починил университетскую модель двигателя. Он в первый раз видел двигатель Ньюкомена и изучил его с большим интересом. Почему он такой неэффективный? Почему движение сопровождается такой тряской? Почему он потребляет столько угля?

Двигатель Ньюкомена был одноцилиндровым. Внутри цилиндра двигался поршень, соединенный с балансиром, который приводил в движение насос. Пар из котла попадал в цилиндр снизу и заставлял подниматься поршень, а тот, в свою очередь,— балансир. Затем в цилиндр подавалась холодная вода — пар конденсировался,давление, падало, и поршень опускался. Каждый раз, когда внутрь поступает холодная вода, пар конденсируется, и топливо, затраченное на то, чтобы произвести этот пар, пропадает напрасно. Для очередного подъема поршня нужен новый пар — значит, нужно снова нагревать котел, расходуя дополнительное топливо.

Интересные паровые машины всех времен

Все мировые концерны готовятся начать массовое производство электромобилей, которые должны заменить вонючие авто с двигателями внутреннего сгорания.

Но кроме электро и бензо двигателя, человечество знает паровые двигатели и знает их уже несколько веков.

Об этих незаслуженно забытых помощниках человека мы сегодня и поговорим.

Первый паровой двигатель

19 век? А может в 18 веке был создан первый паровой двигатель? Не гадай, не угадаешь. В первом века до нашей эры, т.е. более 2 тысяч лет назад греческим инженером Героном Александрийским был создан первый в истории человечества паровой двигатель.

Двигатель представлял собой шар, который вращался вокруг своей оси под действием выходящего из него пара. Правда, древние греки с трудом понимали суть процесса, поэтому развитие этой технологии замерло на почти на 1500 лет…

Паровая игрушка императора

Фердинанд Вербст, член иезуитской общины в Китае, построил первый автомобиль на паровом ходу около 1672 года как игрушку для китайского императора. Автомобиль был небольшого размера и не мог везти водителя или пассажира, но, возможно, он был первым работающим паровым транспортом («автомобиль»). Но это был первый паромобиль в истории человечества, пускай и игрушечный.

Проект Ньютона

Известные ученые также рассматривали идею «оседлать» силу пара и создать самодвижущийся экипаж. Одним из известных таких проектов был проект экипажа Исаака Ньютона. Экипаж представлял из себя телегу, оснащённую паровым котлом с соплом, через которое с помощью клапана машинист мог стравливать пар, тем самым разгоняя телегу. Но великий ученый так и не реализовал свой проект, паромобиль Ньютона остался на бумаге.

Томас Ньюкмен и его машина по откачиванию грунтовых вод

Первым устройством, примененным на практике, стал двигатель Ньюкмена. Британец Томас Ньюкмен сконструировал паровой двигатель, который был похож на современные двигатели. Цилиндр и поршень, который двигался в нем под воздействием парового давления. Пар вырабатывался в котле огромного размера, что и не позволило использовать данную машину иным образом, как машину для откачивания грунтовых вод.

Джеймс Уатт

Шотландец Джеймс Уатт взялся усовершенствовать машину Ньюксмена. Он заметил, что для сокращения потребления угля необходимо постоянно поддерживать в цилиндре высокую температуру, а также приладил к машине конденсатор, где собирался отработанный пар, который впоследствии превращался в воду и при помощи помпы вновь направлялся в котел. Все это позволило бы поставить двигатель на раму и создать первый паромобиль, но Уатт считал опасным такой вид транспорта и не стал заниматься дальнейшей разработкой. Более того, конструктор получил патент на свою машину, что стало препятствием для других конструкторов в работе над первым паромобилем.

Еще не автомобиль, но уже телега

Создателем первого самодвижущегося транспортного средства стал француз Николя-Жозеф Кюньо. В 1769 году изобретатель создал трехколесную повозку – «малую телегу Кюньо», которую также называли «Фардье». По задумке автора, это странное транспортное средство должно было использоваться для перевозки пушек. Еще не автомобиль, но уже самоходная телега.

Только телега Кюньо обладала массой недостатков. Вес двигателя составлял около тонны, поэтому телегой с трудом управляли два человека. Еще одним недостатком малой телеги Кюньо оказался низкий запас хода — всего один километр. Дозаправка в виде воды в котле, разведение костра на дороге, куда переносился котел, были слишком долгой и сложной процедурой. Скорость тоже желала быть лучше, всего-навсего 4 км/час.

Но у телеги были и достоинства. Грузоподъёмность составила две тонны, что крайне понравилось генералам французского штаба, которые выделили Кюнью 20 тысяч франков для дальнейшей работы над телегой.

Полученные средства конструктор применил с пользой и вторая версия телеги уже передвигалась со скоростью до 5-7 километров в час, а установленная под котлом топка позволила поддерживать температуру на ходу, а не останавливаться каждый 15 минут для разжигания костра.

Этот зародыш будущего автомобиля совершил первое в истории ДТП. У телеги заклинило колесо и она протаранила стену дома.

Несмотря на успехи Кюньо, работы были приостановлены по банальной причине: закончились деньги. Но на радость нам телега французского конструктора сохранилась до сих пор и мы можем увидеть ее воочию.

Паровой велосипед Роупера

Изобретатели находились в состоянии постоянного поиска. Если Кюньо двигался по пути создания автомобиля, то американец Сильвестр Говард Роупер взялся создавать будущий мотоцикл. Правильнее было бы сказать паровой велосипед.

Роупер разместил паровой двигатель под сиденьем, выход пара осуществлялся прямо за седлом. Управление скоростью осуществлялось при помощи ручки на руле. Поворачивая ее от себя, водитель увеличивал скорость, поворачивая в обратном направлении, осуществлялось торможение.

Поездки Роупера на первом байке вызывали шок и возмущение окружающих, ну совсем как мы сейчас возмущаемся шумными мотоциклам. На Роупера даже пожаловались в полицию. Изобретателя спасло от тюрьмы и штрафа лишь отсутствие закона, который бы запрещал ездить на правом велосипеде.

И совсем, как современные байкеры, Роупер, гоняя на своем паровом байке, разбился.

Паровая амфибия

Oruktor Amphibolos, первая машина-амфибия была разработана в 1804 году американским изобретателем Оливером Эвансом. На корпусе в форме лодки были установлены 4 колеса и гребное колесо на корме. Это была машина-гигант: девять метров длина и вес в 15 тонн.

Омнибус Enterprise

Недостатком всех первых паровых машин было малая грузоподъемность и низкая скорость. Лошадиные повозки (омнибусы) были быстрее самой быстрой паровой машины. Инженеры вступили в борьбу с лошадиными силами.

Первую машину на восемь человек сконструировал Ричард Тревитик. Но машина Ричарда не заинтересовала инвесторов. Через тридцать лет Вальтер Хэнкок принял эстафету и создал первый паровой омнибус, получивший название Enterprise. Тонна воды, двухцилиндровый двигатель, скорость 32 километра в час и запас хода до 32 километров. Это даже позволило использовать Enterpriseкак коммерческий транспорт. И это уже был успех изобретателей — по улицам поехал первый автобус.

Первая машина

Первая паровая машина, которая была похожа не на тележку с кастрюлей, а на обычный автомобиль, была сконструирована братьями Абнером и Джоном Доблов. Машина Доблов имела уже многие знакомые нам узлы, но об позже.

Еще будучи студентов Абнер приступил в 1910 году к разработке паровых машин в собственной мастерской. Что удалось братьям, так это снизить объем воды. Как ты помнишь, в Enterprise использовалось тонна воды. Модель Доблов на 90 литрах имела запас хода до полутора тысяч километров. Свои машины братья-изобретатели оснастили автоматической системой зажигания. Это сегодня мы поворотом ключа высекаем искру в двигателе. Система зажигания Доблов впрыскивала керосин в карбюратор, где он воспламенялся и подавался в камеру под бойлером. Необходимое давление водяного пара создавалось за рекордные по тем временам 90 секунд. 1,5 минуты и можно трогаться. Ты скажешь долго, но паровые машины других конструкторов трогались через 10 и даже 30 минут.

Выставленный образец машины Долбов на выставке в Нью-Йорке вызвал фурор. Только в течение выставки братья собрали заказов на 5500 автомобилей. Но тут началась Первая мировая война , вызывавшая кризис и нехватку металла в стране, и о производстве пришлось на время забыть.

После войны Доблы представили на мнение публики новую усовершенствованную модель парового автомобиля. Необходимое давление в бойлере достигалось через 23 секунды, скорость 160 километров в час, а за 10 секунд автомобиль разгонялся до 120 километров в час. Единственным, наверное, недостатком автомобиля была его цена. Нереальные для тех времен 18 тысяч долларов. Величайший паромобиль в истории человечества был выпущен в количестве всего 50 экземпляров.

Быстрее пара

Опять братья-изобретатели, на это раз братья Стенли, взялись за создание болида на кипящей воде. Их гоночная машина была готова к заезду в 1906 году. На флоридском пляже машина разогналась до 205,4 километра в час. На тот момент это был абсолютный рекорд, даже для авто с бензиновым двигателем. Вот вам и кастрюля на колесах.

Братьев только остановила травма одного из них, полученная в результате аварии на пароболиде. Рекорд скорости машины братьев Стенли был непревзойденным более века.

Inspiration

Следующий рекорд скорости был установлен 26 августа 2009 года на автомобиле Inspiration. Болид, больше похожий на истребитель, приводился в движение двумя турбинами, которые вращались благодаря пару, подаваемому под давлением в 40 бар из двенадцати высокоэффективных бойлеров. Под капотом этого аппарата спрятано 360 лошадиных сил, что позволяло разгоняться до 225 километров час.

ПароРоссия

Паровые автомобили, конечно, не могли пройти мимо России. Первой работающей на угле и воде отечественной моделью в 1830 году мог бы стать «Быстрокат» Казимира Янкевича. По расчетам конструктора эта паромашина могла разгоняться до скорости 32 километров в час. Но машина так и осталась на бумаге.

Первую паромашину создал талантливый русский крестьянин Федор Блинов. В 1879 году он получил патент «на особого устройства вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным и проселочным дорогам». Позже этот вагон превратилсь в гусеничный паровой трактор, который Блинов научил еще и поворачивать из-за разницы в крутящем моменте на каждой из гусениц. Но детище изобретателя не оценили, лишь выдали небольшую премию.

Первый российские паромобили стали выпускать на московском заводу «Дукс». Те кто, коллекционирует ретро-модели знает эту изящную машину «Локомобиль».

«Автомобили совершенно не шумят, чего до сих пор нельзя сказать про бензиновые. Даже электромобили, приводимые в движение электричеством, этой силой будущего, шумят (скорее, жужжат) более, чем паромобили «Дукс». Весь его механизм настолько прост и компактен, что помещается под сиденьем и не требует для своего размещения никаких выступающих частей, как, например, нос у бензомобилей, не имеет перемены передач, электрических батарей, магнето, легко ломающихся свечей, одним словом, всего того, что бывает причиной большинства поломок и хлопот у бензиновых автомобилей», – писал в начале прошлого века журнал «Автомобиль».

Быстро развивающиеся двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, поставили точку в развитии паромобилей. Изобретатели пытались возродить эту технологию, но их идеи не находили поддержки.

Ошибка

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.

Краткая история паровых машин

Пожалуй, рискованно утверждать, что великая промышленная революция началась с чайника. Очень уж трудно поставить рядом грандиозные перемены, сотрясавшие Европу, и… чайник. Но, говорят, что такое сопоставление правомерно. Как утверждает легенда, за кипящим чайником пристально наблюдал английский мальчик Джеймс Уатт. Став взрослым, он «научил» микроскопические пузырьки, заставлявшие дребезжать крышку чайника, выполнять полезную работу. Неукротимая энергия этих пузырьков перевернула судьбы десятков тысяч людей. XIX век стал веком пара.

Вздрагивание крышки выдало страсти, бушевавшие в чайнике. Но даже зная о могучей силе кипящей воды (а вопреки легенде эта сила была известна и до Уатта), не сразу удалось обуздать ее. И все же в XIX веке энергия пара была наконец направлена по нужному руслу.

Но прежде чем рассказать, как все произошло, надо разобраться в сложнейшем взаимодействии человеческого общества, переживавшего в ту пору великую промышленную революцию.

Попытка разыскать пружину, двигавшую винтиками и колесиками великого промышленного переворота, грозит увести нас в сторону. Но отступление лишь кажущееся. Как справедливо отметил известный английский ученый Джон Бернал, «там, где XVIIIвек нашел ключ к производству, XIX веку суждено было дать ключ к средствам связи».

Причины промышленной революции XVIII века

Сначала о ключе к производству. Его надо искать прежде всего в изменениях, которые переживало общество. Под лупой истории они отчетливо видны; освободившись от феодальных отношений, купцы и ремесленники спешат расправить плечи. Купцы понимают, что не стоит держать деньги в кубышках и сундуках. Деньги должны делать деньги. И они охотно вкладывают капитал в производство.

Заработали станки на заводах. Промышленность стала выпускать больше продукции. Энергичнее пошла торговля. Моряки расстались с парусами. Лавина изобретений сметала старое, ветхозаветное, преображая все вокруг: прядильная машина, ткацкий станок, газовое освещение, вагранка для выплавки чугуна…

Оснащенные новой техникой, все больше тканей ткут английские ткачи. Моряки королевского флота открыли их продукции обширные рынки сбыта. Англия становится фабрикой мира и владычицей морей, а восемнадцатый век — веком великой промышленной революции.

Переворот в промышленности, бурное развитее торговли усилили потребность в известиях. Купцам и фабрикантам хотелось получать сообщения со всех концов света и как можно скорее. Отсюда разительные перемены облика почты. Русские тройки с лихими ямщиками, английские дилижансы, французские омнибусы поскакали прямехонько в архив, освобождая дорогу шипящим, грохочущим, а иногда даже взрывающимся экипажам.

Фабрику пара подарил миру врач Дени Папен

Но паровым экипажам пришлось выдержать жесточайшую битву, чтобы завоевать место под солнцем. Добрая милая почта, более чем кто-либо, заинтересованная в утверждении владычества пара, оказалась в стане противников паровых карет. Вместо помощи почтовики принялись совать палки в колеса паровым экипажам. Воцарение пара на почтовых трактах стало одной из драматичнейших страниц истории транспорта, столь необходимого связистам.

Краткая история паровой машины

Фабрику пара подарил миру врач и сын врача француз Дени Папен. Высокое давление, под которым готовился пар в «Папеновом котле», грозило взрывами. Чтобы избежать опасности, Папен сконструировал остроумный предохранительный клапан. Двести пятьдесят лет применяется этот клапан в технике.

Через пятнадцать лет после Папена англичанин Томас Севери сделал следующий шаг. Он запатентовал устройство «для подъема воды и приведения в движение разного рода мельниц силой огня». И наконец, третий изобретатель — английский кузнецТомас Ньюкомен — соединил паровой котел с паровым насосом. Фыркая и ухая, пароатмосферная машина Ньюкомена принялась откачивать воду из шахт.

Победа? Увы, весьма сомнительная. На пользу делу шел один-единственный процент энергии. Остальные 99 процентов вылетали в трубу.

Георг Стефенсон, конструктор паровоза „Ракета”, отважно вступил в жаркую схватку о кооностью.

Паровая машина была дьявольски расточительна, но исполинская сила жаркого, обжигающего пара поначалу позволяла не задумываться об экономических расчетах.

Следующие страницы истории покорения пара написали люди, никогда не видевшие друг друга, — русский механик Иван Ползунов и англичанин Джеймс Уатт (тот самый Уатт, который якобы еще ребенком наблюдал за чайником). Судьба Ползунова сложилась трагично. Он умер в бедности совсем молодым. Англичанину повезло. Несколькими годами позднее он создал экономичную паровую машину, названную Марксом «универсальным паровым двигателем».

Паровые двигатели и транспорт

Паровые двигатели даже не успели выйти из колыбели, а техника уже предъявила на них спрос. В тот год, когда Уатт взял свой патент, французский инженер Никола Жозеф Кюньо предложил артиллеристам проект паровой телеги для перевозки пушек и снарядов.

Артиллерия на паровом ходу! Артиллерия без овса и фуражиров! Как можно этим не заинтересоваться? Казна поспешила выделить средства. И телега, обещавшая приумножить военную силу Франции, построена.

Смешной, неуклюжий, с тремя колесами на деревянной раме и вынесенным вперед горшком котла, первый в мире паровой автомобиль въехал в историю. Извергая клубы пара, с грохотом покатился он по парижским мостовым, вызывая восторги любопытных. Время от времени экипаж останавливался. Котел накапливал запас пара, а затем, словно ощутив прилив сил, трогался дальше.

Большетрубые, неуклюжие паровозы своими пронзительными гудками нарушили тишину XIX века.

Первый рейс произвел впечатление на современников.

«Несколько времени назад, — писал автор «Тайных мемуаров» Бошомон, — много говорилось об огневой машине для перевозки пушек. Теперь эту машину усовершенствовали так, что в прошлый вторник она везла во дворе арсенала пушечный лафетсо скоростью лье с четвертью в час. Повозка может взбираться на гору и преодолевать препятствия на ухабистых дорогах».

И все же от беды уберечься не удалось. С грохотом, потрясшим Париж, взорвался паровой котел, соскочив со своего «ухвата». Полиция тотчас же арестовала испытателей за нарушение общественного спокойствия…

Паровые поезда

Деревянные рельсы и конная тяга, металлические рельсы и паровая тяга. Проекты разного рода дорог и локомотивов возникали в начале XIX века один за другим. Экипажи были разные, но часто их роднила необычная общность — ноги. Изобретателям казалось, что без ног колеса забуксуют и локомотив не сдвинется с места.

Впрочем, ногами увлекались недолго. Они уступили место зубчатым колесам, а затем поезда отлично покатили и по гладким рельсам. Для этого, как установили в 1813 году Блеккет и Хендлей, оказалось достаточным, чтобы паровоз обладал большим весом.

Очень скоро почтовые вагоны приобрели права гражданства.

Создание паровых самодвижущихся экипажей не обошлось без забавных парадоксов. Стоило Вильяму Мердоку, одному из ближайших помощников Уатта, увлечься самодвижущимся экипажем, как Уатт запротестовал:

— Я придерживаюсь иного мнения о паровой повозке, и мне не осталось ничего иного, как пресечь эти бесплодные попытки.

Но, несмотря на свой авторитет, остановить увлечений помощников Уатт не смог. К Мердоку примкнул другой сотрудник Уатта — Ричард Третевик. Судьба Третевика весьма типична. Сконструированный им паровой автомобиль взорвался. Не удались и другие изобретения. Не понятый современниками, Третевик умер и был похоронен на кладбище нищих.

Война конных экипажей и паровых машин

И все же первые паровые дилижансы запыхтели на дорогах Англии. Но вместо могущественного союзника владельцы конных почтовых карет увидели в них заклятого врага. Они объявили паровым экипажам непримиримую войну. Битва конных и паровых дилижансов, запылавшая в Англии, — одна из бесславнейших страниц истории транспорта и мировой почты.

Владельцы конных карет заявляли, что паровые дилижансы портят дороги, науськивали на самоходные кареты население, добились повышения на них налогов. Кондукторам паровых дилижансов приходилось разбирать завалы на дорогах, ускорять ход, спасаясь от града гнилых яблок и тухлых яиц.

Советский Союз—великая железнодорожная держава. Железные дороги прорезали огромную территорию. Поезда — сегодня главное средстве перевозки писем и почтовых посыпок.

Журналисты пугали обывателей пожарами, дымом, душившим людей и растения, громовыми взрывами котлов и опасностью гибели под колесами. И наконец, противники паровых дилижансов лишили их главного преимущества — превосходства в скорости. «Закон о дорожных локомотивах», проведенный в парламенте извозопромышленниками, ограничивал скорость паровых карет шестнадцатью километрами в час. Невероятно, но факт; пожалуй, как никогда в мировой истории, почта вредила сама себе.

Ограничения паровозу

Трудно паровому автомобилю. Не легче и паровозу. В апреле 1825 года предстал он перед судьями: специальная комиссия парламента решала — быть или не быть первой английскойжелезной дороге Один против многих. Умный против невежд – так выглядела схватка, в которую ринулся Георг Стефенсон. Парламентарии настроены недружелюбие:

—На поворотах паровозы и вагоны сойдут с рельсов…

—Животные — коровы, лошади, свиньи — испугаются огнедышащей топки.

—Скорость двадцать миль в час? Это же чересчур стремительно!

Подводя итоги дискуссии, председатель комиссии заявил:

—Предложенный вниманию достопочтенных джентльменов план бесспорно является самой абсурдной схемой, когда-либо возникавшей в уме человека!

Судьба изобретателя паревоза Фультона была трагической. В будущность его изобретения не поверил даже Наполеон.

Большинством в один голос комиссия отклонила проект Стефенсона. Но жизнь оказалась упрямее твердолобых консерваторов. В октябре 1829 года близ Ливерпуля состоялась знаменитая битва локомотивов. «Новинка», «Несравненный», «Настойчивый» и «Ракета» вступили в схватку за право работать на первой железной дороге. Скромная «Ракета» конструкции Георга Стефенсона пришла к финишу первой.

«Ракета» окончательно утвердила паровоз в гражданских правах. Очень скоро потомки этого огнедышащего мустанга с длинной и тонкой, как дымящаяся сигарета, трубой, повели составы, в которых появились и почтовые вагоны.

Но эстафетный принцип сохранился. Если раньше перепрягали лошадей, теперь стали перепрягать паровозы. Всего лишь на 100—120 километров уходил от своего постоянного «места жительства» паровоз, а затем со встречным составом возвращался обратно.

Однако, сохранившись на суше, эстафетный принцип оказался совершенно ненужным на море, где паровым машинам пришлось ожесточенно сражаться с парусами.

Паровые установки для выработки электро- и тепловой энергии

Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель поршневого типа, а когда были изобретены паровые турбины, подобные двигатели часто стали называть турбомашинами.

Дешевые виды местного твердого топлива из биомассы (дрова, древесные пеллеты, брикеты, щепа, опилки) используются для генерации электроэнергии или когенерации, для чего разработаны несколько технологий. Основные:

  • газификация — получение низкокалорийного горючего (генераторного) газа с его последующим использованием в газопоршневом двигателе, приводящем в действие электрогенератор;
  • сжигание твердого топлива в паровом котле и использование полученного пара для работы паровой турбины;
  • сжигание твердого топлива в паровом котле и использование пара для работы поршневого парового двигателя (классической паровой машины или парового поршневого двигателя).


Паровой двигатель Spilling


Газовый детандер Spilling

Главным достоинством современных паровых поршневых двигателей (машин) по сравнению с маломощными (особенно одноступенчатыми) паровыми турбинами является меньший удельный расход пара при равных параметрах давления и температуры пара на входе и выходе и при одинаковой мощности паровой машины и паровой турбины. К плюсам классических паровых машин также надо отнести, по сути, постоянный удельный расход пара при изменении нагрузки в широких пределах (в отличие от двигателей внутреннего сгорания — ДВС) при постоянной частоте вращения (работе на синхронный электрогенератор).

А теперь сравним паропоршневые установки (ППУ) с газопоршневыми (ГПУ). Для работы ГПУ в качестве топлива используется не только природный газ, но и с недавнего времени биогаз и генераторный газ, полученный в результате газификации биомассы. При работе классического поршневого двигателя на генераторном газе мощность двигателя падает до 60%. Но если сравнивать с классической паровой машиной, для работы которой используется водяной пар, то, согласно термодинамическому циклу Карно, его экономичность выше за счет того, что температура продуктов сгорания в ГПУ выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов парового котла. Однако при работе ГПУ горючий газ высокой температуры необходимо охлаждать перед подачей в цилиндр газопоршневого двигателя, а это приводит к сбросу во внешнюю среду около 20% теплоты сгорания твердого топлива и делает ГПУ неконкурентоспособным классической паровой машине. Принципиальным отличием паропоршневых двигателей от газопоршневых является наличие у первых накопителя энергии — парогенератора (парового котла), который играет роль пароводяного аккумулятора. Большое значение имеет и стабильность рабочего тела (пара). Отсюда следует, что кратковременные остановки котла не приведут к немедленной остановке самой паровой машины. Чего не скажешь о газопоршневом двигателе, в котором при загрузке газогенератора топливом возможно изменение состава газа, а это может привести к остановке двигателя. Существенное преимущество паровых двигателей заключается также в том, что для работы специализированных паровых котлов можно использовать биомассу (щепу или дрова) естественной влажности, а для газогенераторных установок влажность сырья, как правило, не должна превышать 20%. К тому же ГПУ требует более тщательного ухода, в отличие от паропоршневого двигателя. Преимуществами ППУ перед ГПУ и ДВС являются высокая выносливость и долговечность, простота обслуживания и ремонта и возможность работы, по сути, на любом виде дешевого местного твердого топлива. Последнее условие важно, потому что обеспечивает возможность широкого использования топливных ресурсов на местах и независимость от привозного топлива (к примеру, от топлива так называемого северного завоза в России).

Выше мы сравнивали паровые машины с газопоршневыми двигателями, которые работают на газифицированной биомассе. Понятно, что при работе ГПУ на природном газе при генерации только электроэнергии их преимущество неоспоримо. Однако при когенерации расклад не в пользу ГПУ; утилизировать тепловую энергию выхлопных газов значительно сложнее, чем тепловую энергию выхлопа паровой машины, т. к. коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара в теплообменнике в десятки раз выше коэффициента выхлопного газа ГПУ. Паровая машина экологичнее за счет меньшего объема выбросов NO и CO. Работающие паровые двигатели замкнутого цикла менее шумные, чем ГПУ и ДВС. Паровая машина вполне может конкурировать и с паровой турбиной мощностью 1000-2500 л. с. Конечно, по размерам и весу паровые машины больше в сравнении и превосходят паровые турбины, но за счет меньшей частоты вращения вала ППУ нет необходимости устанавливать редуктор. Ведутся и разработки компактных поршневых паровых двигателей. Например, компания из США Cyclone Power Technologies Inc. разработала паропоршневой двигатель со звездообразным расположением цилиндров мощностью 75 кВт, КПД 31,5% — по аналогии с бензиновыми авиационными моторами, которые используются до сих пор на труженике советской и российской авиации — знаменитом биплане Ан-2.

Использование паровых машин

За рубежом в малой энергетике (мини-ТЭС) вместо малых паровых турбин успешно используются паровые машины, или, как сегодня принято говорить, паропоршневые (паровые) моторы или двигатели. Основной отличительный признак паропоршневых моторов от паровых машин — иной тип парораспределения. Паропоршневые моторы предназначены для работы с однократным расширением пара: пар из котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому как поступает топливно-воздушная смесь в цилиндры ДВС. А в классических паровых машинах пар проходит через все цилиндры последовательно и расширяется многократно.

Мировую известность получили немецкие паровые моторы фирмы Spilling. Это одноступенчатые поршневые паровые машины противодавленческого типа с системой золотникового расширения пара, отличающиеся от других современных паровых машин, которые работают по многоступенчатому принципу. К сожалению, у модельного ряда паровых машин Spilling очень узкий диапазон мощности: от 100 кВт до 1,2 мВт. Но ресурс у них довольно большой, и в последние годы компания-производитель предлагает их на российском рынке для установки на мини-ТЭС, работающих на биотопливе, на производствах, где есть возможность и необходимость редуцирования пара с расходом от 2,5 т/ч и на установках для утилизации отходов (ТБО, ТКО и др.). Компания Spilling поставляет паропоршневой двигатель в сборе с электрогенератором как готовый к работе агрегат с системой управления, автоматизации и программным обеспечением. Такой двигатель может также работать на природном газе либо биогазе в качестве детандера. Стоимость 1 кВт установочной электрической мощности при расчетах можно принять от 1500 евро FCA. Основные технические данные паропоршневых двигателей Spilling: электрическая мощность 100-1200 кВт; частота вращения — 750, 900 и 1000 об/мин; давление пара на входе — 4-60 бар, на выхлопе — 0,2-15 бар; температура насыщения пара — до 480°С. Для многих двигателей Spilling в качестве топлива используют биомассу, в первую очередь древесную. Например, на одном из деревообрабатывающих предприятий в Африке установлен трехцилиндровый одноступенчатый паропоршневой двигатель Spilling электрической мощностью 437 кВт с давлением пара на входе 9 бар и на выхлопе 0,5 бар. Отходящий пар используется для обеспечения работы сушильной камеры. После ввода в эксплуатацию этого двигателя предприятие обеспечило себя дешевой электро- и тепловой энергией и, что особенно важно, обрело независимость от поставок электроэнергии из общей сети.

В числе других европейских производителей паропоршневых двигателей можно назвать чешскую компанию Tenza s. a., которая предлагает паровые двигатели мощностью от 10 до 120 кВт, и шведскую компанию Energiprojekt i Sverige AB, которая производит паровые двигатели мощностью от 500 до 1000 кВт с давлением пара на входе 30-60 бар и с заявленным КПД 25-30% (машины работают по термодинамическому циклу Ренкина с регенерацией и полезным использованием теплоты конденсации пара). Австрийская компания Foerdertechnik GmbH производит когенерационные паровые машины электрической мощностью 150 и 300 кВт и тепловой — 110 и 220 кВт соответственно, в топках паровых котлов которых можно сжигать биомассу, в частности щепу. Максимальная температура пара — 350°С, давление — 32 бар, паропроизводительность 200 кг/ч. Но стоимость этих машин, конечно, очень высокая — 280 тыс. и 480 тыс. евро. При такой стоимости эти «золотые» машины можно использовать только в некоторых европейских странах (Австрии, ФРГ и др.), где реализуются масштабные программы поддержки и субсидий ВИЭ и гарантируется оплата генерируемой электроэнергии по «зеленому» тарифу в течение продолжительного времени (до 20 лет). Поскольку в России о таких тепличных условиях можно только мечтать, то ориентироваться нужно в первую очередь на отечественных и азиатских (КНР, Тайвань, Вьетнам и др.) производителей и разработчиков оборудования. В мире производят сегодня и так называемые паровинтовые машины, которые в большей степени можно отнести к категории турбин, только ротор у этих машин не с лопатками, как у классических турбин, а в виде винта Архимеда — в основном цилиндрической или конусно-винтовой формы.

Первый отечественный паропоршневой мотор был спроектирован в Московском авиационном институте (МАИ) в 1936 году и предназначался для силовой установки экспериментального самолета. Двигатель работал на перегретом паре с давлением 6 МПа и температурой 380°С и на оборотах до 1800 об/мин.

В современной России нужно выделить научную группу «Промтеплоэнергетика» МАИ, которая предлагает довольно оригинальное решение вопроса экономически целесообразного применения паропоршневых машин в малой и децентрализованной энергетике России. Разработчики предлагают создавать паропоршневые двигатели на базе серийно выпускаемых дизельных поршневых двигателей. В конструкции ДВС сохраняется почти весь механизм газораспределения, который в ППУ становится механизмом парораспределения, также сохраняется кривошипно-шатунный механизм. Подобный подход обеспечивает низкую стоимость парового двигателя, в отличие от зарубежных аналогов, благодаря тому, что в производстве используются серийные автомобильные двигатели и запчасти к ним. Кстати, понятие «паропоршневые двигатели» впервые было введено в 2003 году именно научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ.

Где использовать паровые машины эффективно?

В качестве объектов, энергетическую эффективность которых можно повысить при использовании современных паровых машин, могут выступать:

  • промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами (паровая машина для привода электрогенератора);
  • паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину целесообразно устанавливать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если электрическая мощность последних до 1,2 МВт и они изготовлены в одноступенчатом варианте или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
  • технологические производственные установки на предприятиях, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии подобными установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности — печи для варки стекла, на цементных, консервных и маслоэкстракционных, ликероводочных заводах и во многих других отраслях промышленности). Использование для этого технологии ORC (органического цикла Ренкина) — более дорогое решение, учитывая и то, что модули ORC в России не производятся.

Технологические решения для мини-ТЭС — конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ — с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация на мини-ТЭЦ, в т. ч. создаваемых на базе котельных с паровыми котлами) либо так называемая тригенерация (см. рис. 1), т. е. выработка одновременно трех видов энергии (электрической, тепловой и холодильной). В качестве холодопроизводящего оборудования при тригенерации на паросиловых мини-ТЭС используются абсорбционные холодильные машины, для работы которых вполне достаточно отработавшего в паровом двигателе водяного пара. Такой вариант значительно экономичнее, чем выработка холода с помощью электрических кондиционеров.

В качестве заключения

Паропоршневые мини-ТЭЦ, работающие на биомассе, энергоэффективнее паротурбинных, газопоршневых (при работе на генераторном газе, полученном путем газификации биомассы) и дизельных. В паропоршневых мини-ТЭЦ удельный расход пара на выработку электроэнергии в 1,3-1,5 раза меньше, чем в паротурбинных мини-ТЭЦ, особенно при мощности 1200-1500 кВт. Современные паровые поршневые машины вполне могут использоваться в децентрализованной энергетике России. Применяя местные альтернативные виды топлива, в основном древесную биомассу, можно успешно заменить во многих регионах дизель-генераторы паровыми машинами (паропоршневыми установками) и дополнительно получать тепловую энергию, в результате отказаться от северных завозов угля и дизтоплива. Применение ППУ может способствовать энергосбережению при эксплуатации технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ, Германия,
s.perederi@eko-pellethandel.de

В статье использованы некоторые материалы научной группы «Промтеплоэнергетика» МАИ и кафедры «Атомная и тепловая энергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого

Автомобили с двигателем внутреннего сгорания

В 1960 году Этьен Ленуар создал первый двигатель внутреннего сгорания. Его изобретение дало сильнейший толчок автомобилестроению. ДВС обладали высокими мощностными характеристиками, а также их запас хода выгодно отличался от любых аналогов.

Официально создателем первого автомобиля, оснащенного бензиновым двигателем, является Карл Бенц. Агрегат получил название Motorwagen, он был создан в 1885 году. Запатентовали машину только к концу 1886. Это была трехколесная самоходная тележка. Она получила мотор объемом 0,9 литра, мощность мотора была всего 0,9 лошадиных сил. Агрегат весил около 100 килограммов.

Позже моторы подверглись доработке, и их мощность поднялась до 3 л.с. Финальной версией был двигатель объемом 1990 куб. см, его оснастили вертикальным цилиндром, а также реализовали двухклапанный механизм газораспределения. Шасси было очень простым — сварная конструкция из стальных труб. О подвеске говорить и не стоит: спереди простая вилка, сзади ось и два колеса. Сцепления также не было, коробка передач отсутствовала. Автомобиль оснащали ленточным тормозом, который взаимодействовал со шкивом ременной передачи.

Motorwagen — первый запатентованный автомобиль в мире. Назвать его машиной сложно, скорее, это самоходная повозка.

1889 год порадовал всех новым серийным автомобилем. Готлиб Даймлер и господин Майбах наладили производство первой 4-х экипажной повозки. Ее максимальная скорость составляла 16 км/ч. Она также имела внушительный запас хода. Автомобиль представили на Парижской выставке машиностроения.

Господа Даймлер и Бенц создали новую компанию по производству автомобилей, она была названа «Мерседес», в честь дочери Готлиба Даймлера. Первым автомобилем был Merсedes 35hp, его выпуск начался в 1901 году. Мощностные показатели заложены в названии. Планировалось, что машина станет гоночной, но вскоре было решено использовать ее как массовое транспортное средство. Всех поразила максимальная скорость — авто разгонялось до 75 километров в час, а расход топлива был 20 литров на 100 км. Силовая установка была довольно инновационной: 4-х цилиндровый агрегат объемом 5,9 литра. Двигатель имел 8 клапанов, расположенных с боку, их привод осуществлялся с помощью внешнего распредвала. Также автомобиль оснастили 4-х ступенчатой механической коробкой передач. Технические характеристики машины представлены ниже:

Двигатель Mercedes-Benz 35HP 5.9
Типбензиновый
Рабочий объем, куб.см5910
Число и расположение цилиндроврядный, 4-х цилиндровый
Мощность, л.с. при об/мин60 /
Трансмиссия Mercedes-Benz 35HP 5.9
ТипМКПП
Механическая4-ступенчатая
Кузов Mercedes-Benz 35HP 5.9
Количество дверей (мест)(2)
Подвеска Mercedes-Benz 35HP 5.9
Подвескана полуэллиптических рессорах
Тормоза Mercedes-Benz 35HP 5.9
Тормозабарабанные на задних колесах и на трансмиссии
Эксплуатационные показатели Mercedes-Benz 35HP 5.9
Максимальная скорость, км/ч90 (-)

Автомобили с ДВС

По сравнению с паро- и электромобилями бензиновые экипажи были самыми сложными по устройству. Двигатель имел хитрый газораспределительный механизм, высокоточные системы питания и зажигания. Важным минусом была сложность с запуском бензинового мотора, особенно до изобретения электростартера, ведь не каждый водитель был готов всякий раз крутить пусковую рукоятку и настраивать манетки карбюратора и зажигания.

Недостатки бензиновых автомобилей начала ХХ ст.:

  • необходимость высокотехнологичного производства;
  • низкая надежность по причине сложности устройства;
  • сложности с запуском
  • узкий рабочий диапазон оборотов двигателя – необходимость сложной многоступенчатой трансмиссии;
  • дороговизна бензина

Серийные двигатели внутреннего сгорания в начале ХХ века не были образцом надежности. Во всяком случае, электромобили в этом плане были лучше.

А в пользу “бензомобилей” тогда говорили:

  • легкость и компактность двигателя;
  • высокая автономность хода;
  • короткое время подготовки к поездке включая заправку топливом.

Одной из последних капель, перевесивших чашу весов в пользу бензиновых машин стало налаживание их массового производства в Америке (Ford T) и Европе (Renault нескольких моделей), что привело к снижению цен на машины с ДВС.

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector