Historia silnika parowego
Pierwszym zarejestrowanym prymitywnym silnikiem parowym był eolipil , o którym wspomniał Witruwiusz między 30 a 15 rokiem pne, opisany przez Heron z Aleksandrii w rzymskim Egipcie z I wieku . Później eksperymentowano lub proponowano kilka urządzeń parowych, takich jak podnośnik parowy Taqi al-Din , turbina parowa w XVI-wiecznym Egipcie osmańskim i pompa parowa Thomasa Savery'ego w XVII-wiecznej Anglii. w 1712 r. Silnik atmosferyczny Thomasa Newcomena stał się pierwszym silnikiem, który odniósł sukces komercyjny, wykorzystując zasadę tłoka i cylindra, który był podstawowym typem silnika parowego używanego do początku XX wieku. Maszyna parowa służyła do wypompowywania wody z kopalń węgla.
Podczas rewolucji przemysłowej silniki parowe zaczęły zastępować energię wodną i wiatrową, a ostatecznie stały się dominującym źródłem energii pod koniec XIX wieku i pozostały nim do wczesnych dziesięcioleci XX wieku, kiedy wydajniejsza turbina parowa i wewnętrzne spalanie silnik spowodował szybką wymianę silników parowych. Turbina parowa stała się najpowszechniejszą metodą napędzania generatorów energii elektrycznej. Prowadzone są badania nad praktycznymi możliwościami ożywienia tłokowego silnika parowego jako podstawy nowej fali zaawansowana technologia parowa .
Prekursory
Wczesne zastosowania mocy pary
Najwcześniejszy znany prymitywny silnik parowy i reakcyjna turbina parowa , aeolipile , został opisany przez matematyka i inżyniera imieniem Heron z Aleksandrii w rzymskim Egipcie w I wieku , jak zapisano w jego rękopisie Spiritalia seu Pneumatica . O tym samym urządzeniu wspominał także Witruwiusz w De Architectura około 100 lat wcześniej. Para wyrzucana stycznie z dysz powodowała obracanie się kuli. Jego sprawność cieplna była niska. Sugeruje to, że zamiana ciśnienia pary na ruch mechaniczny była znana w rzymskim Egipcie w I wieku. Heron opracował również maszynę, która wykorzystywała powietrze ogrzane w ogniu ołtarza do wyparcia pewnej ilości wody z zamkniętego naczynia. Ciężar wody został stworzony do ciągnięcia ukrytej liny do obsługi drzwi świątyni. Niektórzy historycy połączyli te dwa wynalazki, twierdząc błędnie, że aeolipil był zdolny do pożytecznej pracy. [ potrzebne źródło ]
Według Williama z Malmesbury , w 1125 roku Reims było domem dla kościoła, który miał organy zasilane powietrzem uciekającym ze sprężania „podgrzaną wodą”, najwyraźniej zaprojektowanym i zbudowanym przez profesora Gerbertusa.
Wśród dokumentów Leonarda da Vinci datowanych na koniec XV wieku znajduje się projekt armaty parowej zwanej Architonnerre , która działa na zasadzie nagłego napływu gorącej wody do zamkniętej, rozpalonej do czerwoności armaty.
Podstawowa turbina parowa została opisana w 1551 roku przez Taqi al-Dina , filozofa , astronoma i inżyniera żyjącego w XVI-wiecznym Egipcie osmańskim , który opisał metodę obracania rożna za pomocą strumienia pary poruszającego się na obrotowych łopatkach wokół obrzeży koło. Podobne urządzenie do obracania rożna zostało później opisane przez Johna Wilkinsa w 1648 r. Urządzenia te nazywano wówczas „młynami”, ale obecnie są znane jako podnośniki parowe . Inną podobną prymitywną turbinę parową przedstawił włoski inżynier Giovanni Branca w 1629 r. do obracania cylindrycznego urządzenia wychwytowego , które na przemian podnosiło i upuszczało parę tłuczków pracujących w moździerzach. Przepływ pary w tych wczesnych turbinach parowych nie był jednak skoncentrowany i większość jego energii była rozpraszana we wszystkich kierunkach. Doprowadziłoby to do wielkich strat energii, dlatego nigdy nie rozważano ich poważnie do użytku przemysłowego.
W 1605 roku francuski matematyk Florence Rivault w swoim traktacie o artylerii napisał o swoim odkryciu, że woda uwięziona w bombie i podgrzana spowoduje wybuch pocisków.
W 1606 roku Hiszpan Jerónimo de Ayanz y Beaumont zademonstrował i otrzymał patent na parową pompę wodną. Pompa została z powodzeniem wykorzystana do odwodnienia zalanych kopalni Guadalcanal w Hiszpanii .
Rozwój komercyjnej maszyny parowej
„Odkrycia, które zebrane przez Thomasa Newcomena w 1712 r. Doprowadziły do powstania silnika parowego, to:”
- Pojęcie próżni (tj. obniżenie ciśnienia poniżej otoczenia)
- Pojęcie ciśnienia
- Techniki tworzenia próżni
- Środek do wytwarzania pary
- Tłok i cylinder
W 1643 r. Evangelista Torricelli przeprowadził eksperymenty na pompach wodnych ssących, aby sprawdzić ich granice, które wynosiły około 32 stóp. (Ciśnienie atmosferyczne wynosi 32,9 stopy lub 10,03 metra. Prężność pary wodnej obniża teoretyczną wysokość podnoszenia). Opracował eksperyment z użyciem rurki wypełnionej rtęcią i odwróconej w misce z rtęcią (barometrem) i zaobserwował pustą przestrzeń nad kolumną rtęci rtęć, która według jego teorii nie zawierała nic, to znaczy próżni.
Pod wpływem Torricellego Otto von Guericke wynalazł pompę próżniową, modyfikując pompę powietrza używaną do zwiększania ciśnienia w wiatrówce . Guericke zorganizował demonstrację w 1654 roku w Magdeburgu w Niemczech, gdzie był burmistrzem. Dopasowano do siebie dwie miedziane półkule i wypompowano powietrze. Ciężary przymocowane do półkul nie mogły ich rozdzielić, dopóki zawór powietrza nie został otwarty. Eksperyment powtórzono w 1656 r. przy użyciu dwóch zaprzęgów po 8 koni, które nie mogły rozdzielić półkul magdeburskich .
Gaspar Schott jako pierwszy opisał eksperyment na półkuli w swojej Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).
Po przeczytaniu książki Schotta Robert Boyle zbudował ulepszoną pompę próżniową i przeprowadził powiązane eksperymenty.
Denis Papin zainteresował się wykorzystaniem próżni do generowania siły napędowej podczas pracy z Christiaanem Huygensem i Gottfriedem Leibnizem w Paryżu w 1663 r. Papin pracował dla Roberta Boyle'a od 1676 do 1679 r., Publikując relację ze swojej pracy w Continuation of New Experiments (1680) i przedstawił prezentację Towarzystwu Królewskiemu w 1689 r. Od 1690 r. Papin zaczął eksperymentować z tłokiem do wytwarzania energii za pomocą pary, budując modele silników parowych. Eksperymentował z atmosferycznymi i ciśnieniowymi silnikami parowymi, publikując swoje wyniki w 1707 roku.
W 1663 roku Edward Somerset, 2. markiz Worcester opublikował książkę zawierającą 100 wynalazków, w których opisano metodę podnoszenia wody między piętrami na zasadzie podobnej do zasady działania ekspresu do kawy . Jego system był pierwszym, który oddzielił kocioł (podgrzaną lufę armaty) od działania pompującego. Wodę wpuszczano do wzmocnionej beczki z cysterny, a następnie otwierano zawór, aby wpuszczać parę z oddzielnego kotła. Ciśnienie wytworzone nad powierzchnią wody, napędzające ją w górę rury. Zainstalował swoje urządzenie parowe na ścianie Wielkiej Wieży w zamku Raglan dostarczać wodę przez wieżę. Rowki w ścianie, w której zainstalowano silnik, można było zobaczyć jeszcze w XIX wieku. Jednak nikt nie był gotów zaryzykować pieniędzy za tak rewolucyjną koncepcję, a bez sponsorów maszyna pozostała nierozwinięta.
Samuel Morland , matematyk i wynalazca, który pracował nad pompami, zostawił notatki w biurze Vauxhall Ordinance Office na temat projektu pompy parowej, który przeczytał Thomas Savery . W 1698 roku Savery zbudował pompę parową o nazwie „Przyjaciel górnika”. Wykorzystywał zarówno próżnię, jak i ciśnienie. Były one używane do obsługi o niskiej mocy przez wiele lat.
Thomas Newcomen był kupcem, który zajmował się wyrobami żeliwnymi. Silnik Newcomena został oparty na konstrukcji tłoka i cylindra zaproponowanej przez Papina. W silniku Newcomena para skrapla się przez wodę rozpylaną wewnątrz cylindra, powodując, że ciśnienie atmosferyczne porusza tłok. Pierwszy silnik Newcomena zainstalowany do pompowania w kopalni w 1712 roku w zamku Dudley w Staffordshire.
Cylindry
Denis Papin (22 sierpnia 1647 - ok. 1712 ) był francuskim fizykiem, matematykiem i wynalazcą, najbardziej znanym z pionierskiego wynalazku warnika parowego , prekursora szybkowaru. W połowie lat siedemdziesiątych XVII wieku Papin współpracował z holenderskim fizykiem Christiaanem Huygensem nad silnikiem, który usuwał powietrze z cylindra poprzez wybuch prochu strzelniczego w środku tego. Zdając sobie sprawę z niekompletności próżni wytwarzanej w ten sposób i po przeprowadzce do Anglii w 1680 r., Papin wymyślił wersję tego samego cylindra, który uzyskiwał pełniejszą próżnię z wrzącej wody, a następnie umożliwiał skraplanie się pary; w ten sposób mógł podnosić ciężary, mocując koniec tłoka do liny przechodzącej przez koło pasowe. Jako model demonstracyjny system działał, ale aby powtórzyć proces, trzeba było rozebrać i ponownie złożyć całą aparaturę. Papin szybko zauważył, że aby wykonać cykl automatyczny, para musiałaby być wytwarzana oddzielnie w kotle; jednak nie posunął się dalej z projektem. Papin zaprojektował także łódź wiosłową napędzaną odrzutowcem grającym na kole młyńskim w połączeniu koncepcji Taqi al Din i Savery'ego, a także przypisuje mu się szereg znaczących urządzeń, takich jak zawór bezpieczeństwa . Lata badań Papina nad problemami wykorzystania pary odegrały kluczową rolę w opracowaniu pierwszych udanych silników przemysłowych, które wkrótce nastąpiły po jego śmierci.
Oszczędna pompa parowa
Pierwszym silnikiem parowym, który został zastosowany w przemyśle, był „wóz strażacki” lub „przyjaciel górnika”, zaprojektowany przez Thomasa Savery'ego w 1698 r. Była to beztłokowa pompa parowa, podobna do tej opracowanej przez Worcester. Savery wniósł dwa kluczowe wkłady, które znacznie poprawiły praktyczność projektu. Po pierwsze, aby umożliwić umieszczenie dopływu wody pod silnikiem, użył skondensowanej pary do wytworzenia częściowego podciśnienia w zbiorniku pompującym (na przykładzie beczki Worcester) i za jej pomocą podciągnął wodę do góry. Po drugie, aby szybko schłodzić parę i wytworzyć próżnię, puścił zimną wodę przez zbiornik.
Operacja wymagała kilku zaworów; na początku cyklu, gdy zbiornik był pusty, otwierał się zawór w celu wpuszczenia pary. Zawór ten byłby zamknięty w celu uszczelnienia zbiornika, a zawór wody chłodzącej byłby otwarty w celu skroplenia pary i wytworzenia częściowej próżni. Zawór zasilający zostałby wówczas otwarty, wciągając wodę w górę do zbiornika; typowy silnik mógł ciągnąć wodę do 20 stóp. Zostało to następnie zamknięte, a zawór pary ponownie się otworzył, zwiększając ciśnienie nad wodą i pompując ją w górę, jak w projekcie Worcester. Ten cykl zasadniczo podwoił odległość, na jaką można pompować wodę przy dowolnym ciśnieniu pary, a przykłady produkcyjne podniosły wodę o około 40 stóp.
Silnik Savery'ego rozwiązał problem, który dopiero niedawno stał się poważny; podnoszenie wody z kopalni w południowej Anglii, gdy osiągnęły większe głębokości. Silnik Savery'ego był nieco mniej wydajny niż silnik Newcomena, ale zostało to zrekompensowane faktem, że oddzielna pompa używana przez silnik Newcomena była nieefektywna, dając obu silnikom mniej więcej taką samą wydajność 6 milionów stóp funtów na buszel węgla (mniej niż 1 %). Silnik Savery'ego nie był również bardzo bezpieczny, ponieważ część jego cyklu wymagała pary pod ciśnieniem dostarczanej przez kocioł, a biorąc pod uwagę technologię z tamtego okresu, zbiornik ciśnieniowy nie mógł być wystarczająco silny, więc był podatny na eksplozję. Eksplozja jednej z jego pomp w Broad Waters (koło Wednesbury ), około 1705 roku, prawdopodobnie oznacza koniec prób wykorzystania jego wynalazku.
Silnik Savery był tańszy niż silnik Newcomena i był produkowany w mniejszych rozmiarach. Niektórzy konstruktorzy produkowali ulepszone wersje silnika Savery aż do końca XVIII wieku. Bento de Moura Portugal , FRS , wprowadził genialne ulepszenie konstrukcji Savery'ego „aby uczynić ją zdolną do samodzielnej pracy”, jak opisał John Smeaton w Philosophical Transactions opublikowanym w 1751 roku.
Atmosferyczne silniki kondensacyjne
Silnik „atmosferyczny” Newcomena
, że to Thomas Newcomen ze swoją „ maszyną atmosferyczną ” z 1712 roku połączył większość podstawowych elementów stworzonych przez Papina w celu opracowania pierwszego praktycznego silnika parowego, na który mógłby istnieć popyt komercyjny. Przyjęło to kształt tłokowego silnika belki zainstalowanego na poziomie powierzchni, napędzającego szereg pomp na jednym końcu belki. Silnik, przymocowany łańcuchami z drugiego końca belki, działał na zasadzie atmosfery lub próżni.
Projekt Newcomena wykorzystywał niektóre elementy wcześniejszych koncepcji. Podobnie jak projekt Savery, silnik Newcomena wykorzystywał parę chłodzoną wodą do wytworzenia próżni. Jednak w przeciwieństwie do pompy Savery'ego, Newcomen użył próżni do ciągnięcia tłoka zamiast bezpośredniego ciągnięcia wody. Górny koniec cylindra był otwarty na ciśnienie atmosferyczne, a gdy powstała próżnia, ciśnienie atmosferyczne nad tłokiem wepchnęło go do cylindra. Tłok był smarowany i uszczelniany strużką wody z tej samej cysterny, która dostarczała wodę chłodzącą. Ponadto, aby poprawić efekt chłodzenia, rozpylał wodę bezpośrednio do cylindra.
Tłok był przymocowany łańcuchem do dużej obrotowej belki. Kiedy tłok ciągnął belkę, druga strona belki była ciągnięta do góry. Ten koniec był przymocowany do pręta, który ciągnął za szereg konwencjonalnych uchwytów pomp w kopalni. Pod koniec tego suwu zasilania zawór pary został ponownie otwarty, a ciężar prętów pompy pociągnął belkę w dół, unosząc tłok i ponownie zasysając parę do cylindra.
Użycie tłoka i belki umożliwiło silnikowi Newcomen napędzanie pomp na różnych poziomach w całej kopalni, a także wyeliminowało potrzebę stosowania pary pod wysokim ciśnieniem. Cały system został odizolowany od pojedynczego budynku na powierzchni. Chociaż silniki te były nieefektywne i wyjątkowo ciężkie dla węgla (w porównaniu z późniejszymi silnikami), podnosiły znacznie większe ilości wody i z większych głębokości niż było to wcześniej możliwe. Do 1735 roku w Anglii zainstalowano ponad 100 silników Newcomen, a szacuje się, że do 1800 roku działało ich aż 2000 (w tym wersje Watt).
John Smeaton dokonał wielu ulepszeń w silniku Newcomen, zwłaszcza uszczelek, i ulepszając je, był w stanie prawie potroić ich wydajność. Wolał też używać kół zamiast belek do przenoszenia mocy z cylindra, dzięki czemu jego silniki były bardziej zwarte. Smeaton jako pierwszy opracował rygorystyczną teorię konstrukcji silnika parowego. Pracował wstecz od zamierzonej roli, aby obliczyć ilość mocy która byłaby potrzebna do wykonania zadania, rozmiar i prędkość cylindra, który by to zapewnił, rozmiar kotła potrzebnego do jego zasilania oraz ilość paliwa, które by zużył. Zostały one opracowane empirycznie po przestudiowaniu dziesiątek silników Newcomen w Kornwalii i Newcastle oraz zbudowaniu własnego eksperymentalnego silnika w swoim domu w Austhorpe w 1770 r. Zanim silnik Watta został wprowadzony zaledwie kilka lat później, Smeaton zbudował dziesiątki coraz większe silniki w zakresie 100 KM.
Oddzielny kondensator Watta
Pracując na Uniwersytecie w Glasgow jako wytwórca instrumentów i mechanik w 1759 roku, James Watt został wprowadzony w moc pary przez profesora Johna Robisona . Zafascynowany Watt zaczął czytać wszystko, co mógł na ten temat, i niezależnie opracował koncepcję ciepła utajonego , niedawno opublikowaną przez Josepha Blacka na tym samym uniwersytecie. Kiedy Watt dowiedział się, że uniwersytet posiada mały działający model silnika Newcomena, nalegał, aby zwrócił go z Londynu gdzie był bezskutecznie naprawiany. Watt naprawił maszynę, ale stwierdził, że prawie nie działa, nawet po pełnej naprawie.
Po pracy nad projektem Watt doszedł do wniosku, że 80% pary zużywanej przez silnik zostało zmarnowane. Zamiast zapewniać siłę napędową, był używany do ogrzewania cylindra. W konstrukcji Newcomena każdy skok mocy rozpoczynał się od strumienia zimnej wody, która nie tylko skrapla parę, ale także chłodzi ścianki cylindra. Ciepło to musiało zostać wymienione, zanim cylinder ponownie przyjmie parę. W silniku Newcomena ciepło było dostarczane tylko przez parę, więc kiedy zawór pary został ponownie otwarty, zdecydowana większość skraplała się na zimnych ścianach, gdy tylko została dopuszczona do cylindra. Zajęło dużo czasu i pary, zanim cylinder ponownie się nagrzał i para zaczęła go wypełniać.
Watt rozwiązał problem rozbryzgów wody, usuwając zimną wodę do innego cylindra, umieszczonego obok cylindra mocy. Po zakończeniu suwu indukcyjnego otwierano zawór między nimi, a para, która dostała się do cylindra, skraplałaby się w tym zimnym cylindrze. Stworzyłoby to próżnię, która wciągnęłaby więcej pary do cylindra i tak dalej, aż para zostałaby w większości skondensowana. Zawór został następnie zamknięty, a główny cylinder działał dalej, tak jak w konwencjonalnym silniku Newcomen. Ponieważ cylinder napędowy pozostawał przez cały czas w temperaturze roboczej, system był gotowy do kolejnego skoku, gdy tylko tłok został odciągnięty z powrotem do góry. Utrzymanie temperatury stanowił płaszcz wokół cylindra, do którego wprowadzano parę. Watt wyprodukował działający model w 1765 roku.
Przekonany, że był to wielki postęp, Watt zawarł partnerstwa, aby zapewnić kapitał wysokiego ryzyka podczas pracy nad projektem. Niezadowolony z tego pojedynczego ulepszenia, Watt niestrudzenie pracował nad serią innych ulepszeń praktycznie każdej części silnika. Watt jeszcze bardziej udoskonalił system, dodając małą pompę próżniową do wyciągania pary z cylindra do skraplacza, co jeszcze bardziej skróciło czas cyklu. Bardziej radykalną zmianą w stosunku do projektu Newcomen było zamknięcie górnej części cylindra i wprowadzenie pary o niskim ciśnieniu nad tłok. Teraz moc nie wynikała z różnicy ciśnienia atmosferycznego i próżni, ale z ciśnienia pary i próżni, o nieco wyższej wartości. Podczas suwu powrotnego w górę para na górze była przenoszona rurą na spód tłoka, gotowa do skroplenia do suwu w dół. Uszczelnienie tłoka na a Silnik Newcomena uzyskano dzięki utrzymywaniu niewielkiej ilości wody na jego górnej stronie. Nie było to już możliwe w silniku Watta ze względu na obecność pary. Watt poświęcił sporo wysiłku, aby znaleźć działającą pieczęć, uzyskaną ostatecznie za pomocą mieszanki łoju i oleju. Tłoczysko przeszło również przez dławik w górnej pokrywie cylindra.
Problem z uszczelnieniem tłoka wynikał z braku możliwości wyprodukowania wystarczająco okrągłego cylindra. Watt próbował wywiercić cylindry z żeliwa, ale były zbyt okrągłe. Watt został zmuszony do użycia młotkowanego żelaznego cylindra. Poniższy cytat pochodzi z Roe (1916):
„Kiedy [John] Smeaton po raz pierwszy zobaczył silnik, zgłosił Towarzystwu Inżynierów, że„ nie istniały ani narzędzia, ani robotnicy, którzy mogliby wyprodukować tak złożoną maszynę z wystarczającą precyzją ””
Watt ostatecznie uznał projekt za wystarczająco dobry, aby wypuścić go w 1774 roku, a silnik Watta został wypuszczony na rynek. Ponieważ części projektu można było łatwo dopasować do istniejących silników Newcomen, nie było potrzeby budowania całkowicie nowego silnika w kopalniach. Zamiast tego Watt i jego partner biznesowy Matthew Boulton udzielili licencji na ulepszenia operatorom silników, pobierając od nich część pieniędzy, które zaoszczędziliby na obniżonych kosztach paliwa. Projekt odniósł ogromny sukces, a Boulton and Watt została utworzona w celu uzyskania licencji na projekt i pomocy nowym producentom w budowie silników. Obaj później otworzyli Soho Foundry do produkcji własnych silników.
W 1774 roku John Wilkinson wynalazł wytaczarkę z wałem utrzymującym narzędzie wytaczarskie wspartym na obu końcach, przechodzącym przez cylinder, w przeciwieństwie do używanych wówczas wytaczarek wspornikowych. Dzięki tej maszynie był w stanie z powodzeniem wywiercić cylinder Boultona i Watta w 1776 roku.
Watt nigdy nie przestawał ulepszać swoich projektów. To jeszcze bardziej poprawiło szybkość cyklu operacyjnego, wprowadziło regulatory, automatyczne zawory, tłoki dwustronnego działania, różne obrotowe przystawki odbioru mocy i wiele innych ulepszeń. Technologia Watta umożliwiła szerokie komercyjne wykorzystanie stacjonarnych silników parowych.
Humphrey Gainsborough wyprodukował model kondensacyjnego silnika parowego w latach sześćdziesiątych XVIII wieku, który pokazał Richardowi Lovellowi Edgeworthowi , członkowi Lunar Society . Gainsborough uważał, że Watt wykorzystał swoje pomysły na wynalazek; jednak James Watt nie był członkiem Lunar Society w tym okresie, a jego liczne relacje wyjaśniające następstwo procesów myślowych prowadzących do ostatecznego projektu miałyby tendencję do zadawania kłam tej historii.
Moc była nadal ograniczona przez niskie ciśnienie, przemieszczenie cylindra, szybkość spalania i parowania oraz pojemność skraplacza. Maksymalna teoretyczna wydajność była ograniczona przez stosunkowo niską różnicę temperatur po obu stronach tłoka; oznaczało to, że aby silnik Watta zapewniał użyteczną moc, pierwsze silniki produkcyjne musiały być bardzo duże, a zatem były drogie w budowie i instalacji.
Silniki dwustronnego działania i rotacyjne firmy Watt
Watt opracował silnik dwustronnego działania, w którym para napędzała tłok w obu kierunkach, zwiększając w ten sposób prędkość i wydajność silnika. Zasada dwustronnego działania również znacznie zwiększyła moc wyjściową silnika o danej wielkości fizycznej.
Firma Boulton & Watt rozwinęła silnik tłokowy do typu obrotowego . W przeciwieństwie do silnika Newcomena, silnik Watta mógł działać na tyle płynnie, że można go było podłączyć do wału napędowego - za pośrednictwem przekładni słonecznej i planetarnej - w celu zapewnienia mocy obrotowej wraz z cylindrami kondensacyjnymi dwustronnego działania. Najwcześniejszy egzemplarz został zbudowany jako demonstrator i został zainstalowany w fabryce Boultona do obróbki maszyn do docierania (polerowania) guzików lub podobnych. Z tego powodu był zawsze znany jako Lap Engine . We wczesnych silnikach parowych tłok jest zwykle połączony prętem z wyważoną belką, a nie bezpośrednio z kołem zamachowym, dlatego silniki te są znane jako silniki belkowe .
Wczesne silniki parowe nie zapewniały wystarczającej stałej prędkości dla krytycznych operacji, takich jak przędzenie bawełny. Aby kontrolować prędkość, silnik służył do pompowania wody do koła wodnego, które napędzało maszynerię.
Silniki wysokociśnieniowe
W miarę postępu XVIII wieku wzywano do wyższych ciśnień; Watt zdecydowanie się temu sprzeciwiał, który wykorzystał monopol, jaki dał mu jego patent, aby uniemożliwić innym budowanie silników wysokociśnieniowych i używanie ich w pojazdach. Nie ufał ówczesnej technologii kotłów, ich konstrukcji i wytrzymałości użytych materiałów.
Ważnymi zaletami silników wysokociśnieniowych były:
- Mogłyby być znacznie mniejsze niż poprzednio dla danej mocy wyjściowej. Istniał zatem potencjał do opracowania silników parowych, które byłyby małe i wystarczająco mocne, aby napędzać siebie i inne obiekty. W rezultacie energia parowa do transportu stała się teraz praktyczna w postaci statków i pojazdów lądowych, co zrewolucjonizowało biznes towarowy, podróże, strategię wojskową i zasadniczo każdy aspekt społeczeństwa.
- Ze względu na mniejszy rozmiar były znacznie tańsze.
- Nie wymagały znacznych ilości wody chłodzącej skraplacz potrzebnej w silnikach atmosferycznych.
- Można je zaprojektować do pracy z wyższymi prędkościami, co czyni je bardziej odpowiednimi do napędzania maszyn.
Wadami były:
- W zakresie niskiego ciśnienia były mniej wydajne niż silniki kondensacyjne, zwłaszcza jeśli para nie była ekspansywnie wykorzystywana.
- Byli bardziej podatni na wybuchy kotłów.
Główną różnicą między działaniem wysokociśnieniowych i niskociśnieniowych silników parowych jest źródło siły poruszającej tłok. W silnikach Newcomen i Watt to kondensacja pary powoduje większość różnicy ciśnień, powodując ciśnienie atmosferyczne (Newcomen) i parę niskociśnieniową, rzadko przekraczającą 7 psi ciśnienie w kotle, plus podciśnienie w skraplaczu (Watt), aby przesunąć tłok. W silniku wysokociśnieniowym większość różnicy ciśnień jest wytwarzana przez parę wysokociśnieniową z kotła; strona niskiego ciśnienia tłoka może znajdować się pod ciśnieniem atmosferycznym lub być połączona z ciśnieniem skraplacza. Diagram wskaźników Newcomena , prawie wszystkie poniżej linii atmosferycznej, odrodziłyby się prawie 200 lat później, gdy cylinder niskiego ciśnienia silników potrójnego rozprężania dostarczałby około 20% mocy silnika, ponownie prawie całkowicie poniżej linii atmosferycznej.
Pierwszym znanym orędownikiem „silnej pary” był Jacob Leupold w swoim planie silnika, który pojawił się w dziełach encyklopedycznych z ok. 1725 . W ciągu stulecia pojawiły się również różne projekty łodzi i pojazdów napędzanych parą, z których jednym z najbardziej obiecujących była konstrukcja Nicolasa-Josepha Cugnota , który zademonstrował swój „fardier” (wagon parowy) w 1769 r. Podczas gdy ciśnienie robocze stosowane w tym pojeździe wynosi nieznany, mały rozmiar kotła dawał niewystarczającą szybkość produkcji pary, aby fardier mógł przejść więcej niż kilkaset metrów na raz, zanim musiał się zatrzymać, aby podnieść parę. Zaproponowano inne projekty i modele, ale jak z Model Williama Murdocha z 1784 roku, wiele zostało zablokowanych przez Boultona i Watta.
Nie dotyczyło to Stanów Zjednoczonych, aw 1788 r. Parowiec zbudowany przez Johna Fitcha działał w regularnych usługach handlowych wzdłuż rzeki Delaware między Filadelfią w Pensylwanii a Burlington w stanie New Jersey, przewożąc aż 30 pasażerów. Ta łódź mogła zazwyczaj osiągać prędkość od 7 do 8 mil na godzinę i przebyć ponad 2000 mil (3200 km) podczas krótkiego okresu eksploatacji. Parowiec Fitch nie odniósł sukcesu komercyjnego, ponieważ trasa ta była odpowiednio pokonywana przez stosunkowo dobre drogi wagonowe. W 1802 roku William Symington zbudował praktyczny parowiec, a w 1807 roku Robert Fulton użył silnika parowego Watta do napędzania pierwszego parowca , który odniósł sukces komercyjny . [ potrzebne źródło ]
Oliver Evans opowiadał się za „silną parą”, którą stosował w silnikach łodzi i do zastosowań stacjonarnych. Był pionierem kotłów cylindrycznych; jednak kotły Evansa doznały kilku poważnych eksplozji kotłów, co zwykle potęgowało skrupuły Watta. Założył firmę Pittsburgh Steam Engine Company w 1811 roku w Pittsburghu w Pensylwanii. Firma wprowadziła wysokociśnieniowe silniki parowe do handlu łodziami rzecznymi w zlewni Mississippi .
Pierwszy wysokociśnieniowy silnik parowy został wynaleziony w 1800 roku przez Richarda Trevithicka .
Znaczenie podnoszenia pary pod ciśnieniem (z termodynamiki punktu widzenia) jest to, że osiąga on wyższą temperaturę. Tak więc każdy silnik wykorzystujący parę wysokociśnieniową pracuje przy wyższej temperaturze i różnicy ciśnień niż jest to możliwe w przypadku niskociśnieniowego silnika próżniowego. W ten sposób silnik wysokociśnieniowy stał się podstawą większości dalszego rozwoju technologii pary tłokowej. Mimo to około roku 1800 „wysokie ciśnienie” wynosiło coś, co dziś można by uznać za bardzo niskie ciśnienie, tj. 40-50 psi (276-345 kPa). , napędzany wyłącznie ekspansywną siłą pary, a kiedy ta para wykonała pracę, była zwykle usuwana pod ciśnieniem wyższym niż atmosferyczne. Podmuch pary odprowadzanej do komina można wykorzystać do wytworzenia ciągu indukowanego przez ruszt paleniskowy, a tym samym zwiększenia szybkości spalania, a tym samym wytworzenia większej ilości ciepła w mniejszym piecu, kosztem wytworzenia przeciwciśnienia po stronie wylotowej komina. tłok.
21 lutego 1804 r. W hucie żelaza Penydarren w Merthyr Tydfil w południowej Walii zademonstrowano pierwszą samobieżną kolejową lokomotywę parową lub lokomotywę parową, zbudowaną przez Richarda Trevithicka .
Kornwalijski silnik i mieszanie
Około 1811 roku Richard Trevithick musiał zaktualizować silnik pompujący Watta, aby dostosować go do jednego ze swoich nowych dużych cylindrycznych kotłów kornwalijskich . Kiedy Trevithick wyjechał do Ameryki Południowej w 1816 roku, jego ulepszenia kontynuował William Sims. Równolegle Arthur Woolf opracował silnik złożony z dwoma cylindrami, dzięki czemu para rozprężała się w cylindrze wysokociśnieniowym, zanim została uwolniona do cylindra niskociśnieniowego. Wydajność została dodatkowo poprawiona przez Samuela Groase'a, który zaizolował kocioł, silnik i rury.
Ciśnienie pary nad tłokiem wzrosło ostatecznie do 40 psi (0,28 MPa ) lub nawet 50 psi (0,34 MPa ) i teraz zapewniało znaczną część mocy do suwu w dół; jednocześnie poprawiono kondensację. To znacznie podniosło wydajność i dalsze silniki pompujące w systemie kornwalijskim (często znane jako silniki kornwalijskie ) były budowane jako nowe przez cały XIX wiek. Starsze silniki Watt zostały zaktualizowane, aby były zgodne.
Rozpowszechnianie tych kornwalijskich ulepszeń było powolne w obszarach produkcji tekstyliów, gdzie węgiel był tani, ze względu na wyższe koszty kapitałowe silników i większe ich zużycie. Zmiana rozpoczęła się dopiero w latach trzydziestych XIX wieku, zwykle poprzez dodanie kolejnego (wysokociśnieniowego) cylindra.
Innym ograniczeniem wczesnych silników parowych była zmienność prędkości, co czyniło je nieodpowiednimi do wielu zastosowań tekstylnych, zwłaszcza przędzenia. Aby uzyskać stałe prędkości, wczesne młyny tekstylne napędzane parą wykorzystywały silnik parowy do pompowania wody do koła wodnego, które napędzało maszynerię.
Wiele z tych silników było dostarczanych na całym świecie i zapewniały niezawodną i wydajną pracę przez wiele lat przy znacznie zmniejszonym zużyciu węgla. Niektóre z nich były bardzo duże, a typ budowano aż do lat 90. XIX wieku.
Silnik Corlissa
.jpg)
Silnik parowy Corlissa (opatentowany w 1849 r.) został nazwany największym ulepszeniem od czasów Jamesa Watta. Silnik Corlissa miał znacznie lepszą kontrolę prędkości i lepszą wydajność, dzięki czemu nadawał się do wszelkiego rodzaju zastosowań przemysłowych, w tym do przędzenia.
Corliss zastosował oddzielne porty do dostarczania i odprowadzania pary, co zapobiegało chłodzeniu kanału wylotowego używanego przez gorącą parę. Corliss zastosował również częściowo obracające się zawory, które zapewniały szybkie działanie, pomagając zmniejszyć straty ciśnienia. Same zawory były również źródłem zmniejszonego tarcia, zwłaszcza w porównaniu z zaworem suwakowym, który zwykle zużywał 10% mocy silnika.
Corliss użył automatycznego odcięcia zmiennej. Przekładnia zaworowa sterowała prędkością silnika za pomocą regulatora do zmiany czasu odcięcia. Było to częściowo odpowiedzialne za poprawę wydajności oprócz lepszej kontroli prędkości.
Szybkoobrotowy silnik parowy Portera-Allena
.jpg)
Silnik Porter-Allen, wprowadzony w 1862 roku, wykorzystywał zaawansowany mechanizm przekładni zaworowej opracowany dla Portera przez Allena, mechanika o wyjątkowych zdolnościach, i był początkowo ogólnie znany jako silnik Allena. Wysokoobrotowy silnik był precyzyjną, dobrze wyważoną maszyną, co było możliwe dzięki postępowi w obrabiarkach i technologii produkcji.
Silnik o dużej prędkości pracował z prędkością tłoka od trzech do pięciu razy większą niż zwykłe silniki. Miał również niską zmienność prędkości. Silnik wysokoobrotowy był szeroko stosowany w tartakach do napędzania pił tarczowych. Później był używany do wytwarzania energii elektrycznej.
Silnik miał kilka zalet. W niektórych przypadkach może być bezpośrednio sprzężony. Gdyby zastosowano koła zębate lub pasy i bębny, mogłyby one mieć znacznie mniejsze rozmiary. Sam silnik był również mały jak na ilość mocy, którą rozwijał.
Porter znacznie ulepszył regulator fly-ball, zmniejszając obracający się ciężar i dodając ciężar wokół wału. To znacznie poprawiło kontrolę prędkości. Gubernator Portera stał się wiodącym typem do 1880 roku. [ potrzebne źródło ]
Sprawność silnika Porter-Allen była dobra, ale nie dorównywała silnikowi Corlissa.
Silnik Uniflow (lub unaflow).
Silnik uniflow był najbardziej wydajnym typem silnika wysokociśnieniowego. Został wynaleziony w 1911 roku i był używany na statkach, ale został wyparty przez turbiny parowe , a później morskie silniki wysokoprężne .
Bibliografia
- Gurr, Duncan; Polowanie, Julian (1998). Młyny bawełniane w Oldham . Edukacja i rozrywka w Oldham. ISBN 0-902809-46-6 . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 18.07.2011 . Źródło 2009-02-04 .
- Roberts, AS (1921). „Lista silników Arthura Roberta” . Czarna księga Arthura Robertsa . Jeden facet z Barlick-Book Transcription. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2011-07-23 . Źródło 2009-01-11 .
- Curtis, HP (1921). „Słowniczek terminów tekstylnych” . Czarna księga Arthura Robertsa . Manchester: Marsden & Company, Ltd. 1921. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 06.10.2011 . Źródło 2009-01-11 .
- Nasmith, Józef (1894). Najnowsza budowa i inżynieria przędzalni bawełny . John Heywood, Deansgate, Manchester, przedruk Elibron Classics. ISBN 1-4021-4558-6 . Źródło 2009-01-11 .
- Wzgórza, Richard Leslie (1993). Moc z pary: historia stacjonarnego silnika parowego . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. P. 244. ISBN 0-521-45834-X . Źródło 10 stycznia 2009 .
- Taylor, "J.¨ (1827). "Thomas Tredgold". Silnik parowy . Patrz Thomas Tredgold
Dalsza lektura
- Stuart, Robert, opisowa historia silnika parowego , Londyn: J. Knight i H. Lacey, 1824.
- Gascoigne, Bamber (2001). „Historia Steama” . HistoriaŚwiat . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 8 stycznia 2019 r . Źródło 16 listopada 2009 .
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
