Применение паровых турбин в наши дни: Паровая турбина — урок. Физика, 8 класс.

Развитие паровой техники

Развитие паровой техники

Возникновение и развитие паровой машины.

Силу пара знали еще в древности (Архимед, Герон Александрийский, Леонардо да Винчи). Герон более 2 тыс. лет назад изготавливал не только игрушки, приводимые в действие паром, но и создал паровую машину, открывавшую двери храма. Древние греки не использовали паровые двигатели только потому, что труд рабов был дешевле, у них не было стимула совершенствовать технику.

Только в 17 веке (1615 год) француз С. де Ко воспроизвел машину Герона: через герметичную крышку бака с водой выходила труба, бак ставили на огонь, вода закипала и пар поднимал воду в трубе, сколь бы она не была высока. Опыт наглядно демонстрировал силу пара.

В 1663 году была запатентована и заработала машина маркиза Уорчестера: машина имела паровой котел, от него шла труба к двум бакам с водой, при открытии крана на одной из труб вода из бака вытеснялась паром в водоподъемную трубу, в это время второй бак заполняли свежей порцией воды; кран на первой трубе закрывался, в котле поднималось давление, открывался второй кран и т. д.

Рабочий механизм усложнился — появились баки и краны, давшие возможность управлять уже самим рабочим органом. Рабочий механизм развивается и дальше, при неизменной схеме работы остальных частей, появляются элементы автоматического действия (клапаны) и новый принцип обработки изделия — воды (всасывание вместо нагнетания).

 

Рис. 1. Паровая водоподъемная машина Т. Сэвери.
1 — котел, 2 — бак с водой, 3 — приемная емкость, 4 — источник воды; А, Б — клапаны.

В 1698 году английский инженер Т.Сэвери получил патент на паровую водоподъемную машину (откачка воды из шахт), в которой, в отличие от машины Уорчестера, в водоподъемной трубе были установлены клапаны (рис. 1). Вентиль на паровом котле открывался, пар вытеснял воздух из 2, при этом клапан А открывался (клапан Б закрыт) и вода попадала в 3. Потом 2 охлаждался водой, в нем резко падало давление, образовывался вакуум, подсасывалась вода из 4 через клапан Б (А закрыт) и цикл повторялся. Модель машины с успехом демонстрировалась Королевскому обществу.

В 1705 году был выдан патент кузнецу и железоторговцу Т.Ньюкомену на водоподъемную машину, в которой впервые использовались цилиндры с поршнем (рис. 2).

Рис. 2. Паровая машина Ньюкомена.
1 — насос, 2 — источник воды, 3 — емкость, 4 — коромысло, 5 — рабочий цилиндр, 6 — емкость с водой, 7 — котел; A,B, — клапаны, C,D — краны.

Поршень насоса 1 под действием собственного веса опускался вниз, вода из цилиндра вытеснялась в емкость 3 (В открыт, А закрыт). В это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступившим из парового котла 7 (D открыт, С закрыт). Коромысло 4 наклонялось влево, толкало поршень насоса 1. Затем рабочий цилиндр охлаждался водой снаружи (после усовершенствования впрыскивал воду в цилиндр) пар в 5 конденсировался и давление падало ниже атмосферного. Впрыск воды из емкости 6, открывал кран С. В 5 образовывался вакуум и поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 1 поднимался, клапан А открывался, цилиндр насоса заполнялся водой из 2. Цикл повторялся. Машина поэтому называлась атмосферной.

Уже к 1770 году на севере Англии работало около 100 машин, а к 1780 году на Корнуэльских оловянных рудниках (юго-запад Англии) работало не менее 70 машин.

При работе машины требовалось открывать и закрывать краны, подающие в цилиндр то пар (D), то воду (С). Один из мальчиков, приставленных к такой машине, Гемфри Поттер, открыл эпоху автоматических машин: он связал краны с коромыслом веревкой и они стали сами открываться и закрываться…

Вытеснение человека из техники продолжалось и далее.

Рис. 3. Универсальная паровая машина Ползунова.
1 — двухцилиндровый двигатель, 2 — воздуходувные меха, 3 — аккумулятор давления, 4 — сжатый воздух, поступающий в плавильные печи по трубам.

В 1763 году И.И. Ползунов, после знакомства с работами Сэвери и Ньюкомена, разработал проект первой в мире универсальной паровой машины, мощность 1,8 л. с. (рис. 3). В отличие от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и использовалась поэтому для привода орудий прерывного действия (например, водооткачивающих насосов), машина Ползунова могла производить работу непрерывно, то есть была спроектирована как универсальная. Им были применены два цилиндра (би-система), поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение (в том числе в ДВС). Ползунов также разработал специальное автоматическое устройство, производящее распределение пара и воды (позиции 6,7 на рис. 4).

Рис. 4. Схема воздуходувной установки Ползунова.
1 — цилиндр, 2 — 3 — балансиры, 4 — 5 — малые полубалансиры, 6 — 7 — пароводораспределительный механизм, 8 — полубалансир, 9 — насос, 10 — воздухонагнетательные меха, 11 — коллектор, 12 — аккумулятор.

 

Джеймс Уатт открыл мастерскую по ремонту различных приборов, изучал свойства воды и водяного пара, определил опытным путем зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара. В 1764 году ему принесли для ремонта модель машины Ньюкомена. Внимательно изучив машину, он правильно определил большой ее недостаток: из-за впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины сильно охлаждался, а при подаче в него пара его необходимо было снова нагревать (большой расход тепла и топлива). Уатт сделал два важных усовершенствования:

·   конденсатор пара 5 (пар конденсировался не в цилиндре, а в конденсаторе),

·   паровая рубашка 2 вокруг цилиндра (рис. 5).

Это существенно повысило КПД машины.

Рис. 5. Схема машины Д.Уатта.
1, 2, 6, 8 — клапаны, 3 — насос, 4 — емкость с водой, 5 — конденсатор пара, 7 — паровая рубашка, 9 — котел.

 

Насосная паровая машина Уатта оказалась такой удачной, что если в 1778 году на Корнуэльском руднике было 70 машин Ньюкомена, то к 1790 году все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта (пат. 1769 года).

Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные двигатели для привода вращающихся станков.

Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 году. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, разработал центробежный регулятор и индикатор. Начал применяться давно известный кривошипно-шатунный механизм.

Через 20 лет усовершенствований Уатт избавился от холостого хода: закрыл цилиндр крышкой с сальником, теперь можно было подавать пар поочередно по обе стороны поршня — появилась машина непрерывного действия. В паровую рубашку подавался отработанный пар, создавалась теплозащитная оболочка. В конденсаторе пар отдавал тепло холодной воде, которая поступала в котел. Для управления подачей пара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов: он перемещался поршнем машины посредством специальных тяг. Центробежный регулятор был необходим для перемещения заслонки в паропроводе, это нужно для поддержания постоянной скорости машины (несмотря на изменение нагрузки и давление пара в котле).

Машины с паровыми двигателями (паромобили)

Продолжая дело своих предшественников, русские изобретатели поставили перед собой задачу соединения колесной тележки с механическим двигателем, то есть создание самодвижущегося экипажа для безрельсовой дороги. Так, на основе разработок паровых двигателей И.И.Ползунова, П.К.Фролова, Е.А. и М.Е.Черепановых в 1830 г. русский лафетный мастер К. Янкевич со своими двумя товарищами-механиками вплотную подошел к созданию колесного самоходного экипажа с паровым двигателем.

“Быстрокат”, так было названо это изобретение, должен был развивать скорость до 30 верст в час, иметь способность быстрого торможения, ускорения и замедления хода. Принципиальной особенностью быстроката являлся паровой котел, состоявший из 120 трубок и использовавший в качестве топлива древесный уголь (по замыслам изобретателей — сосновый). Предполагалось, что эта машина может быть использована как на летнем (колесном), так и на зимнем (с полозьями) ходах. В конструкции быстроката были предусмотрены также места для пассажиров и водителя, расположенные в крытой повозке, отапливаемой посредством системы тепловых трубок.

Конструктивная особенность быстроката Янкевича заключалась еще и в оригинальном оформлении связи между корпусом повозки и ее задней осью. Изобретатель отошел от общепринятого способа расположения оси под корпусом: он пропустил ось непосредственно через корпус, что сместило центр тяжести повозки и существенно повысило ее устойчивость против опрокидывания.  

Исследования в области развития парового двигателя проводились и в более поздний период, направлены они были главным образом на применение паровых котлов в транспорте, предназначенном для перевозки грузов. В монографии, изданной в Санкт-Петербурге в 1898 г. “О применении автомобилей в перевозке пассажиров и тяжестей”, говорится о том, что первые опыты использования паромобилей для перевозки грузов имели место в России еще в 1872 г., когда в Стрельце под Петербургом испытывался “сухопутный пароход”, доставленный из Шотландии. 16 (28) июля 1872 г. государственными органами была выдана первая лицензия петербургским механикам Орловскому и Кемпте на перевозку тяжестей посредством паромобиля, что подтверждается документом, хранящимся в Центральном государственном историческом архиве.

Однако работы русских техников по созданию колесного самохода с механическим двигателем показали, что громоздкие и тяжелые паровые установки не позволяют получить  компактную и простую машину. По-прежнему стояла задача создания легкого и мощного двигателя, который в конце XIX века стал необходим не только колесному транспорту, но и зарождавшемуся самолетостроению.

 

 

Паросиловая станция. Раньше всего (в конце XVIII века) были созданы паровые поршневые двигатели (паровые машины). Спустя примерно 100 лет появились паровые турбины. Как показывает название, работа этих двига­телей производится посредством пара. В огромном боль­шинстве случаев — это водяной пар, но возможны ма­шины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электриче­ских станциях и на больших кораблях. Поршневые дви­гатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и паро­ходы).

Для работы парового двигателя необходим ряд вспо­могательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паро­силовой станции все время циркулирует одна и та же вода.

Схема оборудования паросиловой станции

Она превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конден­сатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел. Итак, круговорот воды происходит по следующей схеме:

В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке цир­кулирует практически одна и та же вода (утечка пара не­велика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют. В следующих параграфах мы рассмотрим части пароси­ловой станции по отдельности.

Паровой котел. Он состоит из топки и собственно котла. Уголь или дрова сжигаются в топке на колоснико­вых решетках. Жидкое топливо сжигается в распыленном состоянии; распыление обычно производится с помощью пара в форсунках. Пар или сжатый воздух, вырываясь из узкого отверстия в трубке, засасывает жид­кое топливо и разбрызгивает его.

Схема устройства форсунки

Котел состоит из барабана и труб, через стенки которых теплота от горячих топочных газов передается воде. Иногда вода находится снаружи труб, а по трубам идут топочные газы (огнетрубный котел, дымогарные трубы). Иногда, наоборот, вода находится внутри труб, а горячие газы омы­вают их (водотрубный котел). Во многих паровых котлах пар подвергается перегреванию в особых

Схема устройства водотрубного котла: 1 — барабан котла, 2 — водотрубная часть, 3 — водомерное стекло, 4 — перегреватель, 5 — труба для подачи воды в котел, 6 — поддувало, 7 — предохрани­тельный клапан, 8 — заслонка в борове

змееви­ках, омываемых горячими газами. При этом он из насыщенного делается ненасыщенным. Этим достигается уменьшение конденсации пара (на стенках паропроводов и в турбине) и повышается КПД станции.

На котле имеются манометр для наблюдения за дав­лением пара и предохранительный клапан, выпускающий пар в случае, если давление его превысит допустимую величину. На днище барабана имеются приспособления для наблюдения за уровнем воды в котле (водомерное стекло). Если уровень воды опустится настолько, что пламя будет нагревать стенки котла в тех местах, где они не со­прикасаются с водой, то возможен взрыв котла.

Энергия горячих топочных газов передается воде в котле не целиком. Часть ее рассеивается в котельной, часть уносится с газами в дымовую трубу. Кроме того, значи­тельную потерю может дать неполное сгорание топлива. Признаком этого является черный дым из труб станции. Черный цвет придается дыму крупинками несгоревшего угля.

Паровая турбина. Из котла пар по паропроводу по­ступает в турбину или в поршневую машину. Рассмотрим сначала турбину (а). Турбина состоит из сталь­ного цилиндра, внутри которого находится вал ее с ук­репленными на нем рабочими колесами. На рабочих ко­лесах находятся особые изогнутые лопатки (б и с), где изображено одно из рабочих колес с соплом). Ме­жду рабочими колесами помещаются сопла или направляю­щие лопатки. Пар, вырываясь из промежутков между на­правляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя ра­боту. Причиной вращения колеса в паровой турбине яв­ляется реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе (а). Отметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широких пределах. Это затрудняет применение паро­вых турбин на транспорте, но очень удобно для враще­ния электрических генерато­ров.

Лопатки на рабо­чем колесе паровой турбины

а) Схема устройства паровой турбины,

б) Расположение на валу ее турбины лопаток: а — направляющих, b — рабочих

 

Весьма важной для элект­рических станций является возможность строить турби­ны на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности дру­гих типов тепловых двигате­лей. Это обусловлено равно­мерностью вращения вала турбины. При работе турби­ны отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.

Поршневая паровая машина. Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной в конце XVIII века, в основном сохранились до наших дней. В свое время паровая машина дала технике, до того почти не знав­шей машин-двигателей, новое мощное средство развития. В настоящее время она частично вытеснена другими ти­пами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, за­ставляющие иногда предпочесть ее турбине. Это — про­стота обращения с ней, возможность менять скорость и давать задний ход.

Устройство паровой машины показано на рисунке. Основная ее часть — чугунный цилиндр 1, в котором хо­дит поршень 2. Рядом с цилиндром расположен парорас­пределительный механизм. Он состоит из золотниковой коробки, имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3 сообщается с кон­денсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовую трубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. В коробке находится золотник 6, движимый специальным механизмом посредством тяги 7 так, что, когда поршень движется направо (рис. а), левая часть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая — через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, а отработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когда поршень дви­жется налево (рис. б), золотник передвигается так, что свежий пар входит в правую часть цилиндра, а отрабо­танный пар из левой части уходит в атмосферу. Пар подается в цилиндр не во все время хода поршня, а только в начале его. После этого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает подаваться в цилиндр) и работа производится расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии. На паровозах обычно установлены два цилиндра (иногда больше). Пар поступает сначала в один цилиндр, а затем во второй. Так как пар в первом цилиндре расширяется, то диаметр второго цилиндра значительно больше первого. На паровозах, как правило, ставятся огнетрубные котлы; имеется пароперегреватель.

Устройство цилиндра и золотниковой коробки паровой ма­шины а) Пар входит в цилиндр слева б) Пар входит в цилиндр справа

 

В конце IX и начале XX века строили паровозы, выпускающие пар в атмосферу. Впоследствии на паровозах ставили конден­саторы, и пар в них циркулировал так же, как и в паро­силовой станции.

Конденсатор. Как было указано ранее, после тур­бины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары долж­ны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота

испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть уст­роен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.

Отработанный пар проходит мимо труб, по которым протекает холодная вода. Пар конденсируется. Получившийся конденсат отсасыва­ется от конденсатора по трубе, показанной снизу. В кон­денсаторах давление пара обычно значительно ниже ат­мосферного (0,02—0,03 атм). Воду, получившуюся из пара (конденсат), и воздух, проникший вместе с ней, откачивают из конденсатора особым насосом.

 

Применение паровых турбин в наши дни

В   наши   дни   паровые   машины   широко   применяются   на   паровозах    и  в  отдельных   промышленных  установках.   Однако  на   крупнейших  фабриках  энергии  —  на  тепловых  электрических  станциях,   мощность  которых  составляет  многие  тысячи  киловатт,  —  в качестве  двигателей применяются не поршневые паровые машины, а паровые турбины.                          

В  паровой  турбине  используется  энергия  струи  пара,   который  действует не на поршень, заставляя его двигаться  взад и  вперед, а  на лопатки, вращающие вал двигателя.                                                     

Вырываясь   с   огромной   скоростью,   достигающей    скорости   распространения  звука  (свыше  300 метров  в секунду),   струя  пара  проходит  между   чередующимися  рядами  вращающихся   и  неподвижных   лопаток  такой турбины. Подвижные лопатки укреплены на дисках, насажанных на вал турбины.                                                      

Обтекание    лопаток    стремительной   струей    пара  заставляет  вращаться диск  и соответственно  вал турбины.                

Неподвижные   лопатки,   укрепленные   на  кожухе турбины, направляют струю пара  от одного  ряда  подвижных   дисковых  лопаток   к  другому.  Таким  образом,  пар,  проходя  через турбину,  отдает  свою  энергию  на  вращение  вала турбины.  В  современных  паровых  турбинах, совершая  много  тысяч   оборотов  в   минуту,  вал вращается  с  исключительной   плавностью.  Этого не  может  обеспечить  никакая  обычная  паровая машина,   в    которой   возвратно-поступательное движение   поршней   преобразуется   во  вращение маховика.

Изобретение   паровой  турбины   явилось  событием  исключительной  важности.  Оно  дало  новое,  чрезвычайно  плодотворное  направление развитию техники использования пара.

И  действительно,  если  требовалось увеличить мощность  паровой  машины,  увеличивали  ее  размеры.

В   некоторых   случаях  паровые   машины  достигали  непомерной  величины.  А   паровая  турбина   той   же  мощности   была  во   много  раз меньше.                                                                          

Быстроходность   паровой   турбины   позволяла сочетать  ее  с электрическими  генераторами, которые  при  высоких скоростях  вращения  можно  было  строить относительно не больших размеров.

Идея  создания  паровой  турбины увлекла  многих   русских  изобретателей.

На  Алтае, явившемся   колыбелью  ползуновского   парового  двигателя, на  Сузунском  заводе  в  начале   прошлого  века   работал  замечательный «огневых дел» мастер Поликарп Михайлович Залесов.

На протяжении ряда лет он, занимаясь паровыми машинами и исследуя работу пара, пришел к мысли построить паровой двигатель иного типа.

С 1806  по 1813  год Залесов  соорудил не  одну модель  паровой турбины на заводе, где он работал.

Материалы,  хранящиеся  в алтайских  архивах,   убедительно  подтверждают успех  талантливого русского  мастера, имя  которого, как  и десятки имен   других   талантливейших   русских  изобретателей,   было  длительное время предано забвению.

Строителем  турбин  был  и   другой  изобретатель,   Павел  Дмитриевич  Кузьминский (1849 — 1900).

Работая  в  области  судостроения  и воздухоплавания, П. Д. Кузьминский  пришел  к  выводу  о  нецелесообразности  использования  паровой машины поршневого типа в качестве судового двигателя.

Он   писал:   «Существующий   тип  паровых   машин,  при   которых нет возможности  получать  такие   огромные  скорости   вращения  движителя… должен  отойти…  На  место  него явится  тип быстро  вращающихся турбинных двигателей».

В  начале  девяностых  годов Кузьминский  построил  и  опробовал  судовую паровую турбину своей конструкции.

Она  имела   исключительно малый  удельный   вес  —   всего  лишь 15  килограммов  на   лошадиную  силу мощности.

Кузьминский   прекрасно   понимал   всю   трудность   технического творчества в условиях,  когда отечественные  открытия  предавались забвению.

С  волнением  писал он  о новых временах,  которые   должны  наступить, о временах  «…когда открытия  и изобретения  русского творческого  ума  и   настойчивого труда»  будут  находить   достойное   применение.

Основные  задачи  турбостроении в раннем  периоде   развития  этой техники   успешно   решали  шведский  инженер  Лаваль  и  английский  изобретатель  Парсонс;  с   их  именами связывается  создание   паровой  турбины.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1. Куприн Е., Рубец А. Российскому автомобильному транспорту — 100 лет // Автомобильный транспорт. 1996. № 10.

2. Гордиенко М.П., Смирнов Л.М. От повозки до автомобиля. Алма-Ата 1990

3. Мелещенко Ю. С. Техника и закономерности ее развития. Лениздат, 1970г.

4. Волков Г. Н. Истоки и горизонты прогресса. М.: Политиздат 1976 г.

5. http://www.trizminsk.org/e/21101200.htm#236

Новгородский государственный университет

Кафедра «Радиосистем»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Развитие паровой техники.

 

Реферат по дисциплине

«История науки и техники»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^{Преподаватель:}

Сочилин А. В.

“18“   октября 2004 г.

 

Студент Гр. 3011

Волков А. П.

“18“  октября 2004 г.

Содержание реферата:

1. Возникновение и развитие паровой машины: ……………………………1

А) Паровая водоподъёмная машина Т. Сэвери …………………………. – 

В) Универсальная паровая машина Ползунова …………………………. 3

Г) Паровая машина Д. Уатта ………………………………………………4

2. Машины с паровым двигателем (паромобили) …………………………. 5

3. Паросиловая станция и её составные части: ……………………………. 6

А) Паровой котел …………………………………………………………. 7

Б) Паровая турбина ……………………………………………………….. 8

В) Поршневая паровая машина ………………………………………….. 9

Г) Конденсатор …………………………………………………………… 10

4. Применение паровых турбин в наши дни ………………………………. –

5. Список использованной литературы ……………………………………. 12

Теги: Развитие паровой техники   Другое  Экономика отраслей

Просмотров: 22588
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Развитие паровой техники

Паровые турбины малой мощности в распределенных энергосистемах — Энергетика и промышленность России — № 11 (103) июнь 2008 года — WWW.

EPRUSSIA.RU



Паровые турбины малой мощности в распределенных энергосистемах — Энергетика и промышленность России — № 11 (103) июнь 2008 года — WWW.EPRUSSIA.RU — информационный портал энергетика

http://www.eprussia.ru/epr/103/7889.htm

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 11 (103) июнь 2008 года

Развитие распределенной энергетической системы, состоящей из множества преимущественно мелких источников, находящихся непосредственно у потребителей, обеспечивает дополнение и резервирование централизованных систем.

При этом потребитель, например промышленное предприятие, обладающий собственным источником энергии, во‑первых, получает ее по себе-стоимости, которая в разы ниже тарифов; во‑вторых, повышает надежность энергоснабжения; в‑третьих, может получать дополнительные выгоды от продажи энергии соседям; в‑четвертых, снижает пиковые нагрузки, что приводит к увеличению срока службы оборудования; в‑пятых, может максимально использовать дешевое местное топливо.

Что мешает?

Несмотря на все преимущества, сегодня имеется ряд препятствий на пути реализации данной схемы. Одно из них – это отсутствие четкого механизма, подкрепленного правовой базой, по которому бы происходило взаимодействие между централизованными и частными поставщиками электрической энергии. Второе препятствие – низкий технический уровень и отсутствие опыта по согласованию работы малых источников параллельно с сетью.

Наиболее крупной и проверенной на практике в России является энергосберегающая технология комбинированного производства энергии и тепла с использованием противодавленческих паровых турбин. В данном направлении российские ученые и конструкторы традиционно занимают ведущее место в мире. Эта технология заключается в том, что для утилизации потенциальной энергии предлагается понижать параметры пара до требуемых не посредством редуцирования с потерей энергии, а в процессе совершения им полезной работы. Для этого параллельно редукционному устройству устанавливается энергогенерирующий комплекс с паровой противодавленческой турбиной.

Пар на технологический процесс направляется через турбину, а работа, совершаемая в ней паром, используется для привода электрического генератора, насосов, вентиляторов и других устройств.

Сферы применения

Энергия, производимая комплексами, как правило, используется для собственных нужд предприятия, на котором она установлена. Такой способ применения позволяет значительно снизить затраты электроэнергии на привод устройств и повысить КПД использования пара.

В России уже имеются десятки тысяч источников водяного пара и постоянно строятся новые. Предназначенный для их реализации паротурбинный привод имеет существенное преимущество – это высокий ресурс. Для паровых турбин малой мощности, работающих обычно на средних и низких параметрах пара, 4 МПа и менее, он составляет 300 000‑350 000 часов. Кроме того, движущиеся части паровых турбин работают в менее агрессивной среде, в отличие от газовых турбин и ДВС, а это повышает их надежность и снимает необходимость постоянного технического обслуживания. Эти факторы существенно влияют на экономическую эффективность работы установки. Помимо сказанного, немаловажным является то, что паровой котел, работающий совместно с турбиной, может иметь топку на различных видах топлива: газе, мазуте, угле, древесине, торфе и т. д. Это, в свою очередь, позволяет создавать станции, использующие местные виды топлив, тем самым получая дополнительные экономические выгоды.

Паровые турбины малой мощности можно эффективно использовать как в уже существующих и вновь создаваемых котельных, так и на больших тепловых станциях, имеющих промышленный отбор пара, что значительно расширяет сферу их применения.

Опыт производства

В Свердловской области производством паровых турбомашин малой мощности занимается ООО «Электротехнический альянс». Данные турбомашины типа «ПТМ» разрабатываются и изготавливаются по конкретным параметрам заказчика, поэтому их применение максимально эффективно, кроме того, они имеют ряд преимуществ перед существующими аналогами. Основные из них – повышенный внутренний КПД (70 процентов), малая собственная длина, что позволяет разместить ее в действующей установке на существующем фундаменте взамен электропривода (или вместе с ним) и отсутствие редуктора (прямое сопряжение с приводимым механизмом), что повышает надежность работы и снижает уровень шума.

Отсутствие системы маслоснабжения обеспечивает пожаробезопасность турбины и позволяет эксплуатировать ее в помещении котельной в непосредственной близости с котлом. Наличием блоков регулирования как на паровпуске, так и в противодавлении исключает ее самопроизвольный разгон сверх допустимой скорости вращения вала. Немаловажным является и плавное регулирование скорости вращения вала от холостого хода до номинальной нагрузки турбоустановки, что позволяет использовать ее взамен частотно-регулируемого электропривода, и малое время, необходимое для перехода от выключенного состояния до принятия номинальной нагрузки. Время работы турбомашины до вывода из эксплуатации – не менее 40 лет. Средний срок окупаемости, которая обеспечивается за счет экономии на покупку электроэнергии, не превышает 2‑3 лет.

Подводя итог, еще раз отметим: самым эффективным и экономически оправданным на сегодняшний день является создание распределенной энергетической системы на базе уже существующих котельных, путем перевода их в режим мини-ТЭЦ с использованием паротурбинных энергетических установок. Но вместе с тем данные установки могут найти широкое применение и в отдаленных поселках при создании станций, использующих местные виды топлив. Дополнительные преимущества, такие, как когенерация тепла, повышение надежности, отсутствие сетевых издержек, уже сейчас делают распределенную генерацию выгодной во многих применениях. Справедливая рыночная оценка всех преимуществ – ключевой фактор для определения перспективности таких проектов.

Также читайте в номере № 11 (103) июнь 2008 года:

• Конференция по добыче нефти и газа

  Мероприятие: XII международная научно-практическая конференция «Повышение нефтегазоотдачи пластов и интенсификация добычи нефти и газа».

  Организатор: Общероссийская общественная организация «Российское общество инженеров нефти и газа». …

• «Атомэнергопром» и «Силовые машины» поставят оборудование для АЭС

  Генеральный директор ОАО «Силовые машины» Игорь Костин и директор ОАО «Атомэнергопром» Владимир Травин подписали договоры на поставку основного энергетического оборудования для оснащения строящихся Нововоронежской АЭС-2 и Ленинградско…

• Новгородское «Теплоэнерго» не в ладах с законом?

  МУП «Теплоэнерго» Новгородской области нарушило закон «О защите конкуренции». Об этом сообщили в управлении ФАС России по Новгородской области. Управление Федеральной антимонопольной службы по Новгородской области 22‑27 мая 2008 года по …

• Руководителя «Карелэнерго» отметили предприниматели

  Директор филиала ОАО «МРСК Северо-Запада» – «Карелэнерго» Ефим Ашкинезер получил благодарственное письмо от президента Союза промышленников и предпринимателей (работодателей) республики Юрия Пономарева.

  В письме отмечается, что «Карел…

• Чубайс предупреждает и рекомендует…

  Глава правления РАО «ЕЭС России» Анатолий Чубайс предупредил игроков рынка ценных бумаг о том, что после закрытия реестра энергохолдинга (6 июня 2008 года) могут появиться махинаторы, пытающиеся продать акции РАО «ЕЭС России». «Эти операции …



Смотрите и читайте нас в

Каталог «Энергетика РУ»

Компании

Новости

Статьи

Продукция

Полная версия сайта

Контакты

• — Выберите область поиска —
• — Выберите область поиска —
• Искать в новостях
• Икать в газете
• Искать в каталоге

‘

Развитие турбины Лаваля и ее значение.

Густав Лаваль

Развитие турбины Лаваля и ее значение

Как только в мастерских Лаваля были изготовлены первые турбины и произведено их испытание, доказавшее не только возможность, но и выгодность их практического применения, изобретатель, нисколько не сомневаясь в том, что вслед за тем на новые двигатели последует рыночный спрос, приступил к постройке небольшого специального паротурбинного завода.

Этот завод был построен и оборудован близ Стокгольма к концу 1892 года. По чертежам Лаваля он начал изготовлять первые турбины мощностью в десять и двадцать сил. Главным образом эти турбины предназначались для вращения динамомашин. В те времена еще только начиналось бурное распространение электрического освещения, и почти не существовало мощных электрических станций, которые могли бы удовлетворить запросы всех потребителей. Отдельные предприятия стремились к постройке собственных электростанций для освещения.

Современная турбина акционерного общества «Паровая турбина де Лаваля» мощностью в 30 000 киловатт

Двадцатисильные, а затем сорока- и шестидесятисильные турбины Лаваля как нельзя более отвечали запросу времени. Предприятия, имевшие паровые котельные установки, чрезвычайно охотно шли на постановку удобных, простых, не требующих специальных машинистов новых двигателей для освещения, и завод Лаваля работал очень хорошо.

Впрочем, питая глубокое отвращение к административному и финансовому делячеству, Лаваль неизменно шел по пути, указанному когда-то Ламмом, и сдавал все свои предприятия в руки акционерных обществ. Как только были закончены опытные работы с турбиной, производство их перешло к организованному Лавалем в 1893 году акционерному обществу «Паровая турбина де Лаваля», существующему и до сих пор.

Хотя первое пятилетие директором общества числился сам Лаваль, фактически оно находилось в руках шведских коммерсантов: коммерческого директора Карла Янсона и главного директора Гуго Мартина, бывших директоров «Сепаратора». Они быстро реализовали акции общества, выпущенные на общую сумму в 1200 тысяч крон, построили в том же Кюнгельсхольмене собственный завод и, руководясь опытом «Сепаратора», энергично принялись распространять и внедрять в промышленность соседних стран лавалевские турбины.

При главном заводе было организовано конструкторское бюро, которому удалось впоследствии построить даже пятисотсильную турбину. Однако уже и эта турбина оказалась более дорогой, чем многоступенчатая турбина, так называемая турбина «Лаваль-мультипль», сконструированная инженером Хедлундом в соответствии с теми принципами, которые ввели в турбостроение современники Лаваля, пошедшие по указанному им пути.

Помехой для дальнейшего развития собственно лавалевых турбин послужила дорогая, сложная, крайне неудобная передача, снижающая на валу рабочей машины скорость самой турбины. Турбины Лаваля даже по внешнему своему виду представляли собой уродливое сооружение: в них зубчатая передача своими размерами значительно превосходила размеры самой турбины, и этот придаточный подсобный механизм раз в пять по размеру был больше основной части машины — турбинного колеса.

Современная геликоидальная передача Лаваля для судовой турбины мощностью в 6 000 лош. сил

Геликоидальная передача, одно из смелых и очень интересных изобретений Лаваля, впоследствии явилась самостоятельным объектом производства акционерного общества «Паровая турбина де Лаваля», так как подобного рода передачи сделались необходимой частью судовых паровых турбин и решили вопрос о применении турбин в качестве судовых двигателей. Зубчатой передачей, как и многими другими отдельными частями лавалевой турбины, пользовались все остальные строители паровых турбин в тех случаях, когда исполнительные машины требовали резкого снижения числа оборотов турбины.

С появлением турбин Парсонаса, Рато, Целли и Кертиса область применения лавалевских турбин ограничилась областью машин, требующих для себя, как исполнительных механизмов, большого числа оборотов. Такими механизмами являются всякого рода центробежные машины, насосы, вентиляторы, которые и стали главных образом выпускаться обществом «Паровая турбина де Лаваля».

Во всех остальных областях своего применения турбина Лаваля должна была уступить место турбинам, сконструированным другими членами «кооперации современников», работавшими над разрешением проблемы: им удалось, распределяя давление пара на ряд ступеней, добиться снижения числа оборотов в самой турбине и тем самым, освободившись от неудобной передачи, перейти к соединению на одном валу турбины и генератора электрического тока.

Появление этих турбин стало возможным, разумеется, только после того, как Лавалем при конструировании своей турбины были разрешены основные вопросы турбостроения вообще, а именно: работа пара в расширяющемся сопле, проблема гибкого вала, диск равного сопротивления, шаровые подшипники, применение специальных материалов — никелевой стали для дисков и лопаток — и, наконец, зубчатая передача.

Гибкий вал Лаваля

Особенное значение получили в технической литературе вопросы о расширяющемся сопле Лаваля, гибкой оси его турбин и о форме дисков.

Целый ряд выдающихся теоретиков, вслед за опубликованием первых сведений о турбине Лаваля, в течение ближайших лет посвятил себя исследованию задач, практически разрешенных гениальным изобретателем. Так, теория расширяющегося сопла была дана в 1899 году знаменитым немецким ученым Цейнером. Сначала она не получила общего признания и даже вызвала много возражений со стороны авторитетных исследователей. Но после появления работ Лоренца, Бюхнера, Прандтля и особенно Стодола она сделалась общепризнанной и легла в основу теории паровых турбин.

Гибкий вал турбины Лаваля возбудил с самого своего первого появления чрезвычайный интерес широких технических кругов. Уже в 1894–1895 годах появились первые теоретические работы Феппля и Дункерлея, посвященные ему. А затем вопрос этот создал обширную литературу, систематизированную и самостоятельно обработанную профессором Цюрихского политехникума — Стодола. Эти исследования повели к созданию методов расчета турбинных валов, которые полностью применяются и в настоящее время.

Наконец общая теория прочности быстро вращающегося диска была установлена Грюблером. Она привела к разработке целого ряда методов расчета турбинных дисков, развитых и систематизированных тем же Стодола, и составляет в настоящее время одну из главных частей конструктивной теории паровой турбины.

Итак, оказавшись сама по себе вполне работоспособной, турбина Лаваля, возбудив к себе огромный интерес частностями своей конструкции, чрезвычайно облегчила вообще пути дальнейшего развития турбостроения.

Независимыми от работ Лаваля проходили лишь первоначальные работы английского инженера Чарльза Парсонса, одновременно с Лавалем построившего реактивную турбину, произведшую решительный сдвиг в деле применения паровых турбин на электрических станциях.

Идя от аналогии водяной и паровой турбины, Парсонс совершенно правильно предположил, что, распределением падения давления пара на ряд простых турбин, можно добиться того, что результат, получаемый в каждой из них, будет приблизительно одинаковым с результатом, получаемым в турбине, где работает несжимаемая жидкость, например, вода, и что таким образом ряд этих простых турбин даст требуемый коэффициент полезного действия, равный приблизительно коэффициенту полезного действия водяной турбины.

Именно это распределение давления пара на ряд простых турбин, помещенных на одном валу, Парсонс и считал своим изобретением. В 1884 году он сконструировал свою турбину. Она состояла из ряда венцов, лопаток особой конструкции, помещавшихся на одном валу. Между этими вращающимися с валом рабочими лопатками помещались такие же неподвижные лопатки, укрепленные в кожухе турбины, но загнутые в противоположную сторону. Эти так называемые реактивные лопатки и являются основным изобретением Парсонса. Реактивные лопатки представляли собой тот аппарат, в котором происходило превращение потенциальной энергии пара в кинетическую и превращение ее в механическую работу вала турбины. Парсонс придал своим лопаткам такую форму, что сечения междулопаточных каналов уменьшаются по направлению течения пара, и таким образом лопатки образуют как бы насаженные на вал сопла, из которых, расширяясь, истекал пар, реактивной силой своей, как в эолипиле Герона, приводящий во вращательное движение венцы лопаток и вал.

Парсонс и его реактивная турбина

Механическая работа получается в таких турбинах столько же за счет реактивного действия паровой струи, сколько и за счет активного ее действия, т. е. степень реактивности равна половине,

Помещенные между рабочими движущимися лопатками лопатки неподвижные служат для того, чтобы направлять пар на рабочие лопатки следующего венца.

Таково было в общих чертах устройство этой реактивной турбины, построенной одновременно и совершенно независимо от лавалевской активной турбины. Основным достоинством турбины Парсонса было распределение давления пара на ряд ступеней, снижавших число оборотов турбины: для турбин Парсонса не было никакой нужды применять передачу. В те времена еще мало что знали о работе динамомашин, и потому Парсонс, первые турбины которого имели около 17 тысяч оборотов в минуту, не сомневаясь в успехе, соединил вал турбины с валом динамомашины и создал турбогенератор.

Изобретение турбины и соединение ее на одном валу с генератором вызывали восхищение и при тогдашнем уровне знаний рассматривались как величайшее изобретение.

Обладая большими материальными средствами, терпением и единой целеустремленностью, вложив в дело огромный конструкторский талант, Парсонс в течение всей своей жизни занимался вопросом турбостроения и добился огромных результатов: его турбины получили широкое распространение в качестве стационарных и судовых двигателей и достигли в своем развитии высокой экономичности при огромных мощностях, дошедших до 50 тысяч киловатт, т.  е. до 66 тысяч лошадиных сил.

Хотя несомненно, что энергия, настойчивость и конструкторский талант Парсонса, как и некоторые черты его характера, имели огромное значение для успешного завершения его многолетней работы над созданием практически годной и выгодной турбины, все же решающую роль играли не личные достоинства изобретателя, а высокое развитие машиностроительной техники на родине Парсонса.

Если сепаратор Лаваля как нельзя более удовлетворял запросам шведской промышленности, чем и объясняется его успех, то состояние других отраслей промышленности на родине Лаваля, в особенности машиностроения, никак не могло способствовать успешному развитию и распространению изобретенной им турбины.

Не случайно, конечно, что с первого же момента своего появления турбины Лаваля возбудили к себе огромный интерес именно со стороны ученых и техников стран с высокоразвитой промышленностью и даже находили себе применение за пределами Швеции.

В совершенно других условиях проходила деятельность Парсонса, как равно и деятельность прямых продолжателей дела, начатого Лавалем, Кертиса, Рато и Целли.

Американский инженер и адвокат Чарльз-Гордон Кертис, занимаясь ведением патентных дел, пришел к мысли, изучив патенты Лаваля и Парсонса, что турбину Лаваля можно освободить от мешавшей ее развитию передачи, применив принцип ступеней, принятый Парсонсом, к активной турбине. В 1896 году он и взял патент на активную турбину со ступенями скорости и построил вслед затем турбину своей конструкции. Заброшенная таким образом Лавалем идея «скоростных серий», как называл он их в своих заметках, заново родилась на другом конце света и получила свое осуществление.

Кертис и его турбина со ступенями скорости

Кертис в своей турбине направил пар, отработавший в первом ряду лопаток, на второй ряд рабочих лопаток, сидящих на том же самом диске и таким образом, разлагая его энергию последовательно на два и на три ряда рабочих лопаток, создал ступени скорости. Ступени скорости понизили число оборотов турбины и сделали для турбины Лаваля ненужной зубчатую передачу.

Одновременно с Кертисом профессор Высшей политехнической школы в Париже, Огюст Рато, после многих теоретических расчетов и размышлений, разработал конструкцию активной турбины со ступенями давления, найденными Парсонсом. В 1900 году заводом Сотте — Гарле в Париже турбина Рато была построена. Цилиндр турбины был разделен на ряд камер специальными диафрагмами. В каждой камере помещалось одно рабочее колесо турбины, в лопатках которого пар и производил работу, заставляя вращаться колесо. Переходя из одной камеры в другую, пар расширялся в распределительных лопатках диафрагм, являвшихся своеобразными соплами Лаваля, и давление пара постепенно падало, так что в результате скорость вращения вала турбины снижалась до практически приемлемого числа оборотов и турбина не нуждалась в передаче.

Рато и его турбина со ступенями давления в 15 000 киловатт

Дальнейшие усовершенствования в турбину Рато внес швейцарский инженер Генрих Целли, сократив в ней число камер и тем самым сделав ее более удобной и менее громоздкой.

Целли и его турбина мощностью в 500 киловатт

С разрешением ряда основных вопросов турбостроения многочисленные предприятия, начавшие их производство, комбинируя отдельные достижения изобретателей, создали комбинированный тип турбины Рато — Целли с колесом Кертиса. Эти комбинированные турбины в настоящее время достигли огромных мощностей. Величайшая из турбинных установок в Чикаго на предприятиях «Гаммонд», построенная фирмой «Дженерал электрик компани», имеет мощность в 208 тысяч киловатт, или около 266 тысяч лош. сил.

Величайшая в мире паротурбинная установка в Чикаго мощностью в 208 000 киловатт

Клостерская идея Лаваля получила таким образом в руках пошедших по пути Лаваля современников исключительное развитие. Турбины не только создали турбогенераторы, — применение их в качестве судовых двигателей привело к созданию быстроходного флота; применение их в качестве стационарных двигателей привело к созданию теплосиловых установок, коэффициент полезного действия которых доходит до 85–90 процентов.

Эти теплосиловые установки, в основу которых кладется принцип использования отработавшего в турбине пара для других нужд производства, появились сравнительно недавно и стали возможны только после того, как техника перешла к использованию высоких давлений пара.

Замечательно, что и в этой области техники, стоящей сейчас в центре внимания научных технических кругов и мировой промышленности, первый шаг был сделан Лавалем.

Со щедростью и предвидением гения он извлекал из своего воображения, обогащенного знаниями, одну идею за другой и немедленно начинал их осуществление со свойственной ему решительностью и смелостью.

Не обладая единством своих устремлений, он оставлял их по большей части практически недоработанными, предоставляя другим вести дальнейшую черную, кропотливую работу с сопротивлением материалов, природы, среды, борьба с которыми требует людей другого характера, другого склада.

У Пьера Лаваля

У Пьера Лаваля Поведение и политические концепции Солженицына удивительно схожи с поведением и взглядами предателя французского народа Пьера Лаваля. Оба во имя «избавления» от существующего в государстве «зла» ратовали за поражение нации. И тот и другой — апологеты

Безлопастные турбины (1909–1910)

Безлопастные турбины (1909–1910) 22 марта 1909 года Дорогой полковник Астор, Я с радостью узнал из газет, что вы вернулись в город, и спешу сообщить вам, что моя паровая и газовая турбины, насос, водяная турбина, воздушный компрессор и пропеллер оказались очень удачными. По мнению

Безлопастные турбины (1909–1910)

Безлопастные турбины (1909–1910) 22 марта 1909 года Дорогой полковник Астор, я с радостью узнал из газет, что вы вернулись в город, и спешу сообщить вам, что моя паровая и газовая турбины, насос, водяная турбина, воздушный компрессор и пропеллер оказались очень удачными. По мнению

Значение Годара

Значение Годара Роже Вадим в своей книге «В постели со звездами» вспоминает такой случай: «Мы еще снимали на студии, когда ко мне однажды в баре подошел какой-то молодой человек в мятом пиджаке и невероятных брюках. У него были темные очки – задолго до того, как эту моду

Турбины

Турбины В то время, как часть изобретателей всех стран и многих поколений работала над созданием двигателей с прямолинейно-возвратным движением, другая часть их, направляясь по иному пути, трудилась над созданием двигателей без цилиндра и поршня, двигателей с

Турбина Лаваля

Турбина Лаваля Впоследствии, вспоминая о клостерском периоде своей жизни и преследовавших его в это время идеях, Лаваль писал в одной из своих записных книжек:«Я был всецело проникнут истиной: большие скорости — вот истинный дар богов! Я уже в 1876 году мечтал об успешном

Личные и общественные идеалы Лаваля

Личные и общественные идеалы Лаваля Успехи Парсонса в области паротурбостроения, оценивавшиеся мировой технической печатью очень высоко, мало волновали Лаваля: предоставив другим работать в этой области, он сам обратился к новым проблемам, стоявшим, по его глубокому

Реверсивная турбина Лаваля

Реверсивная турбина Лаваля Развитию своему в качестве судовых двигателей паровые турбины были всецело обязаны настойчивой, упорной и долголетней деятельности Парсонса. Уже в 1894 году Парсонсу, после долгих и осторожных экспериментов удалось сконструировать турбины,

Безденежное развитие

Безденежное развитие Записав одну-две песни, шлягерные на ваш взгляд и взгляд ваших друзей (плюс сделав небольшое видео, хотя бы в студии), и не имея иных средств на раскрутку, унывать не стоит. А стоит побегать и показать свое творчество сильным людям этого мира —

Паровые турбины не для авиации

Паровые турбины не для авиации Нельзя сказать, что над применением газовой турбины для самолетов в нашей стране до этого никто не думал. Теоретическое обоснование применения газовой турбины в авиации в 1935 году дано профессором Уваровым. Им же в Москве был разработан

Развитие идей

Развитие идей Параллельно с эволюцией терапевтических методик шел и процесс осознания Фрейдом основных причин неврозов. Задумываться о том, что в основе большинства неврозов лежат нереализованные сексуальные влечения и эмоции, вытесненные из сознания, ученый стал к

ЗНАЧЕНИЕ ТРАДИЦИЙ

ЗНАЧЕНИЕ ТРАДИЦИЙ В октябре этого же года я находился в Сан-Франциско, где был занят в оперном театре «ВорМемориал опера-хауз», основанном маэстро Гаэта-но Мерола. Я уже спел «Отелло» с Районом Винаем и готовил «Травиату» с маэстро Фаусто Клева.Отличный дирижер, Клева не

Исследования и развитие промышленности

Исследования и развитие промышленности Общее положение техники к середине XIX века достигло довольно значительных успехов, что, как мы видели, нашло отражение на Всемирной Лондонской выставке 1851 года. Но, несмотря на это, техника почти повсеместно производилась по старым,

Энергия пара: все еще движет нами даже в 21 веке

Мы живем в цивилизации, работающей на паре. Большинство из нас не замечают его роли в поддержании света, но паровая энергия практически вездесуща. Какое бы топливо ни использовала электростанция — уголь, природный газ, нефть, уран — она служит одной цели: кипятить воду, чтобы получить пар высокого давления, который вращает лопасти турбины, вырабатывающие электроэнергию. Даже самая передовая из когда-либо задуманных электростанций — масштабный экспериментальный проект ядерного синтеза, строящийся сейчас во Франции, — по сути является просто чрезвычайно сложным котлом.

Нигде больше наша современная зависимость от горячих вещей (и возможное их использование) не проявляется лучше, чем в Нью-Йорке, городе, буквально построенном на паре.

Нью-Йорк: паровой город

В Нью-Йорке и других крупных городах по всему миру пар не только вырабатывает электроэнергию на электростанциях: он также подается непосредственно в здания для обогрева, охлаждения и других целей. Паровая служба Манхэттена началась в 1881 году, когда дымоход единственной электростанции NY Steam Corporation высотой 225 футов был вторым по высоте сооружением на Манхэттене после шпиля Троицкой церкви. Теперь более 100 миль паровых труб пролегают на глубине от 5 до 8 футов под тротуаром в Нью-Йорке, прямо над туннелями метро, ​​залитыми бетоном, чтобы защитить их от случайных повреждений при строительстве.

«По нашим оценкам, паровая система затрагивает от 2,5 до 3 миллионов человек, — говорит Фрэнк Куомо, генеральный менеджер по распределению пара в Con Edison в Нью-Йорке, — это примерно треть официального населения города. Он перечисляет имена некоторых клиентов Con Ed, занимающихся паровым отоплением, список, который включает многие из самых легендарных объектов недвижимости в мире: Центральный вокзал, Эмпайр-стейт-билдинг, новый комплекс Всемирного торгового центра и 9 /11 отражающих бассейнов мемориала. «Бассейны также подогреваются паром, чтобы они работали всю зиму и не замерзали», — говорит Куомо.

Con Edison в настоящее время имеет пять электростанций в городе, которые используют природный газ для кипячения более миллиона галлонов воды каждый час в часы пик. Без паровой энергии культовый горизонт города выглядел бы совсем иначе. «В каждом здании должна быть дымоходная труба, потому что им потребуется собственный котел внутреннего сгорания», — говорит Майкл Браун, управляющий заводом на электростанции Con Edison в Ист-Ривер. «У вас были бы дымовые трубы, как во время промышленной революции в Лондоне».

NYC Fast Facts

• Пар нагревает отражающие бассейны мемориала 11 сентября.

• Сыр ручной работы Beecher’s в районе Флэт-Айрон на Манхэттене использует пар для нагрева творога.

• Всего одна электростанция в Ист-Виллидж на Манхэттене обеспечивает примерно половину городского пара. Четыре из девяти котлов на заводе огромны — около 10 этажей. Объект находится в зоне затопления и сильно пострадал во время урагана «Сэнди», поэтому с тех пор критическое оборудование было поднято.

• Удивительно узкая площадь дома 432 Park Avenue возможна благодаря тому, что ему не нужна собственная громоздкая система отопления на нижнем уровне.

• Каждый день пар стерилизует сотни хирургических подносов в центре Memorial Sloan Kettering.

• Музей Гуггенхайма и Американский музей естественной истории используют тепло пара для регулирования влажности в своих многочисленных просторных галереях.

Как пар питает город

(Фото: Chuckstock/Shutterstock; Джей Смит)

На каждой электростанции выработка электроэнергии начинается в котле, который нагревает воду в пар (1). Вода должна быть очищена, прежде чем ее можно будет использовать в большинстве котлов, чтобы предотвратить накопление отложений. Затем трубы направляют сжатый пар к лопастям турбины (2). Воздействие пара раскручивает лопатки турбины, которые валом соединены с генератором (3). Внутри генератора, прикрепленного к вращающемуся валу, находятся витки медной проволоки, расположенные между магнитами. Электромагнитное взаимодействие между вращающимися катушками и магнитами генерирует электрический ток (4), который затем может быть направлен потребителям (5).

Когда что-то идет не так

Паровые трубы под городской улицей работают под высоким давлением. Взрывы случаются не часто, но когда они случаются, они могут быть разрушительными. Например, в июле 2018 года в нью-йоркском районе Флэтайрон прорвало паровую трубу, засыпав несколько кварталов асбестом и другим мусором и вынудив эвакуировать 49 зданий. Годом ранее в районе Камден-Ярдс в Балтиморе произошел взрыв подземной паровой трубы, в результате чего обломки разлетелись по всему кварталу и пять человек получили ранения. А взрыв паровой трубы возле Центрального вокзала в 2007 году выстрелил гейзером пара и грязи с температурой 400 градусов на вершину близлежащего 77-этажного здания Крайслер.

Удивительно, но эти структурные разрушения обычно не вызваны старыми изношенными трубами. «Это не имеет ничего общего с возрастом системы», — говорит менеджер Con Edison Куомо. Труба, лопнувшая в июле прошлого года, была введена в эксплуатацию в 1924 году, но когда ее вытащили, она была в «довольно хорошем состоянии».

Так что же вызывает взрывы? Все они сосредоточены вокруг одной вещи: гидравлического удара.

Water Hammer Time

(Фото: Джей Смит)

Когда сильный дождь или утечки из водопровода скапливаются вокруг паровых труб, пар внутри охлаждается и быстро конденсируется, создавая водяной столб. Давление окружающего пара может ускорить столб воды, создавая жидкий таран — гидравлический удар, который разрывает трубу. В отличие от пара, жидкая вода практически несжимаема, то есть не поглощает энергию удара, поэтому гидравлический удар может ударить по трубам с разрушительной силой. Миниатюрные версии этого явления создают те стуки, которые вы слышите в паровых радиаторах.

Инженеры в Нью-Йорке и других городах развернули системы мониторинга, чтобы следить за «ловушками», предназначенными для предотвращения скопления воды вокруг паровых труб.

Краткие факты

Исландия, расположенная на вершине геологически активного Срединно-Атлантического хребта между тектоническими плитами, вырабатывает около 27% электроэнергии за счет геотермальной энергии. Глубокие колодцы используют подземные резервуары с водой под давлением, обеспечивая паром силовые турбины на шести геотермальных электростанциях Исландии.

(Фото: Дмитрий Наумов/Shutterstock)

Считается, что Цапля Александрийская изобрела первую паровую машину в первом веке нашей эры. открытое пламя. Струя пара из двух труб на поверхности сферы заставляла ее вращаться. Герон рассматривал устройство как игрушку, не имеющую практического применения.

(Источник: Universal Images Group North America LLC/Alamy)

Если вы когда-либо брали еду самообслуживания или ели в буфете, вы видели паровой стол, который сохраняет приготовленную пищу горячей на дне и четыре стороны пищевой кастрюли. Пар передает тепло в пять раз эффективнее, чем вода, и на 12 процентов лучше, чем воздух.

(Фото: Виталий Пуртов/Shutterstock)

Каллиопы — также известные как паровые органы — производят звуки, пропуская пар через свистки. Клавиатура управляет потоком горячего газа в трубы.

(Источник: Архив мировой истории/Alamy)

Beyond Steam

«Век пара» начался более 200 лет назад, когда Джеймс Уатт изобрел первую эффективную паровую машину. Но если новая технология, которую сейчас тестируют, сработает, монополии пара на наши энергосистемы может быть положен конец. Компания NET Power, базирующаяся в Дареме, Северная Каролина, построила электростанцию ​​принципиально нового типа, которая работает на углекислом газе, а не на паре. Примечательно, что он может сжигать ископаемое топливо, не выделяя парниковых газов.

Углекислый газ принимает различные формы в зависимости от температуры и давления, как показано на этой фазовой диаграмме. В правильных условиях вещество может вести себя как жидкости и газы в своем сверхкритическом состоянии. (Фото: Alison Mackey/Discover)

Демонстрационная установка в Ла-Порте, штат Техас, была завершена в прошлом году. Он сжигает природный газ в чистом кислороде, а не в обычном воздухе, производя нагретый и сжатый «сверхкритический» углекислый газ для вращения лопастей турбины. Сверхкритические материалы сочетают в себе свойства газа и жидкости: они текут, как жидкости, или заполняют пустой объем, как газ. Поскольку сверхкритический углекислый газ более плотный, чем пар, он обладает большей мощностью на единицу объема, передавая больше энергии лопастям. И после вращения этих лопастей сверхкритический газ можно направить в подземное хранилище, улавливая весь парниковый газ без какого-либо специального оборудования. Поскольку вода является единственным источником выбросов, эти растения могут сыграть ключевую роль в низкоуглеродном будущем.

Современный пар | Как работает

Паровая турбина продолжает оставаться основным фактором производства электроэнергии во всем мире. Даже атомные электростанции используют тепло от управляемой цепной ядерной реакции для производства необходимого пара. В Соединенных Штатах более 88 процентов всей электроэнергии производится паровыми турбинами [источник: Popular Mechanics].

Как упоминалось ранее, материя в основном состоит из трех стадий: твердой, жидкой и газообразной. Каждая стадия удерживается вместе разным уровнем молекулярной силы. В случае с водой газообразный пар занимает пространство из-за того, что его молекулы находятся дальше всего друг от друга. Однако когда к пару прикладывается достаточное давление, происходит удивительная вещь. Молекулы сближаются до такой степени, что вода снова становится похожей на жидкость, сохраняя при этом свойства газа. Именно в этот момент он становится сверхкритическая жидкость .

Реклама

Многие современные электростанции используют сверхкритический пар , с давлением и температурой в критической точке . Это означает, что сверхкритические паросиловые установки работают при гораздо более высоких температурах и давлениях, чем установки, использующие субкритический пар . Вода на самом деле нагревается до такого высокого давления, что даже не происходит кипения.

Полученная жидкость сверхкритического пара под высоким давлением обеспечивает превосходную энергоэффективность. С помощью высокого давления сверхкритические паровые турбины могут работать на гораздо более высоких скоростях при том же количестве тепловой энергии, что и традиционная паровая энергия. Они также выделяют меньше выхлопных газов CO2 в атмосферу. Кроме того, разрабатываются новые котлы высокого давления, построенные по ракетной технологии, для дальнейшего контроля уровня выбросов CO2. Некоторые котлы даже охлаждают пар обратно в жидкость и направляют его в землю для улавливания выбросов.

У Steam большие перспективы и на других фронтах. В поисках альтернативных автомобильных топливных систем некоторые ученые продолжают следовать мечте 15-го века об автомобиле, работающем на паровой тяге.

Чтобы узнать больше о паровых двигателях, стимпанке и других острых темах, перейдите по ссылкам ниже.

Статьи по теме Как это работает

Другие полезные ссылки

• Речные пароходы
• Паровые игрушки

Источники

• Альф, Мартин и Джон Керн. «Букварь по сверхкритическому пару». Электрический свет и мощность. Январь 2003 г. http://uaelp.pennnet.com/display_article/165839/34/ARTCL/none/none/1/Primer-on-supercritical-steam/
• «Авианосцы» Сеть военного анализа Федерации американских ученых. 11 марта 2000 г. http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ship/cv.htm
• «Паровая пушка Архимеда». Массачусетский технологический институт 2.009 Процессы проектирования изделий. 2007 г. http://web.mit.edu/2.009/www/experiments/steamCannon/ArchimedesSteamCannon.html
• Беррис, Джо. «Discovery Chanel исследует паровую пушку Winans». Балтимор Сан. 4 декабря 2007 г. http://www.baltimoresun.com/entertainment/tv/bal-to.mythbusters05dec05,0,2
  9,full.story
• Кларк, Рональд В. «Работы человека: история изобретений и Инженерное дело, от пирамид до космических кораблей». Viking Penguin Inc. 1985.
• «Информационный бюллетень об инциденте на Три-Майл-Айленде» Комиссия по ядерному регулированию США. 20 февраля 2007 г. http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/3mile-isle.html
• Фуллер, Келли. «В доме взорвался водонагреватель». Солнечные новости. 2 февраля 2008 г. http://www.myrtlebeachonline.com/news/local/story/335886.html
• Gascoigne, Bamper. «История пара». Historyworld.net. http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?groupid=819&HistoryID=aa81
• Голдман, Адам. «Женщина, пострадавшая в результате взрыва паровой трубы в Нью-Йорке, подает в суд». Ассошиэйтед Пресс. 14 февраля 2008 г. http://ap.google.com/article/ALeqM5gF7SJot_B1DSfjdRZf8lf-Uc9oawD8UQBOH07
• Инго, Пол. «Сверхкритические угольные электростанции: новая технология, успешно внедренная в развивающихся странах». Всемирный банк.
• Линд, Л. Дж. «Проектор Хоулмана». Военно-морское историческое общество. http://www.lateralscience.co.uk/perkgun/index.html
• Малхотра, Ашок. «Термодинамические свойства сверхкритического пара». Steamcenter.com. 2006 г. http://www. lulu.com/items/volume_13/254000/254766/1/preview/preview-thpb.doc.
• Марсден, Бен. «Идеальный двигатель Уатта: пар и эпоха изобретений». Издательство Колумбийского университета. 2002.
• «Клапан предохранительный». Британская энциклопедия онлайн. http://www.britannica.com/eb/topic-516113/safety-valve
• «Сверхкритические электростанции». Power4Georgians. 2008. http://power4georgians.com/supercritical.aspx
• Вудман, Ричард. «История корабля: всеобъемлющая история мореплавания с древнейших времен до наших дней». 1997.
• Уилсон, Джим. «Новая паровая технология». Popular Mechanics. Июнь 2001 г. http://www.popularmechanics.com/ наука/исследования/1282106.html?page=2

​

Процитируйте это!

Пожалуйста, скопируйте/вставьте следующий текст, чтобы правильно цитировать эту статью HowStuffWorks.com:

Роберт Лэмб «Как работает паровая технология» 27 февраля 2008 г.
HowStuffWorks.com. 20 октября 2022 г.

Энергия пара — это не просто пережиток прошлого

Пар, который некоторые считают старой и устаревшей технологией, по-прежнему широко используется в 21 веке — часто неожиданным образом.

Иллюстрированное пророчество Генри Томаса Алкена 1828 года о наполненном паром будущем, возможно, не сбылось столь очевидным образом, но пар по-прежнему занимает значительную часть нашей повседневной жизни. Изображение: Группа Музея науки.

Легко думать о паре как о давно устаревшей технологии — пережитке промышленной революции, — но реальность такова, что пар по-прежнему играет большую роль в нашем современном мире.

«Пар очень широко используется в наше время, но, возможно, не так открыто прославляется, как новая и мощная технология, которой она когда-то была», — говорит куратор технического отдела Museums Victoria Матильда Воан.

Небольшая часть дневной работы Матильды связана с уходом за огромным паровым механизмом из музейной коллекции, но ее увлечение паром выходит далеко за рамки его прошлого.

«Он используется для электроснабжения наших домов, производства промышленных товаров, производства фармацевтических препаратов и продуктов питания и многого другого», — говорит она.

300 лет назад пар был движущей силой технических инноваций.

«Промышленное использование энергии пара действительно началось после 1760-х годов, когда появилось множество разработок и усовершенствований, которые позволили создать паровые двигатели, которые становились все более эффективными, надежными и прибыльными», — объясняет Матильда.

Во второй половине 19 века пар был преобладающей силой для железнодорожного, автомобильного и морского транспорта.

Еще на рубеже 20-го века паровая энергия боролась за первенство с бензиновыми, дизельными и электрическими автомобилями (но мы все знаем, кто победил в этой битве).

Это правда, что пар больше не занимает столь очевидное место в нашей повседневной жизни; коллекция музея включает важные исторические образцы паровых машин, насосов и того, что Матильда называет «паровыми рабочими лошадками сельскохозяйственной индустриализации Австралии».

Но хотя эти виды использования пара больше не с нами, то, как мы используем пар, эволюционировало и продолжает развиваться.

На виду

Начнем с малого.

Мы, жители Мельбурна, известны своей любовью к кофе, и без пара для вспенивания молока все было бы иначе.

Простое нагревание воды для приготовления овощей на пару может показаться обыденным, но и здесь есть еще одно применение, которое часто упускают из виду.

Это, так сказать, низко висящие плоды современного использования пара — а в промышленных масштабах?

«Консервированные пищевые продукты, такие как печеные бобы и персики, обрабатываются в больших скороварках, называемых ретортами, — объясняет Матильда.

‘Банки обрабатывают паром в течение достаточного времени, чтобы убедиться, что все бактерии, вызывающие порчу внутри, уничтожены. ’

Пар используется не только для консервации.

«Воздушные закуски, мои любимые, производятся в экструдере — длинном цилиндре с двойным шнеком, который проталкивает смесь хлопьев и воды к небольшому выходному отверстию», — говорит Матильда.

‘Смесь нагревается паровой рубашкой вокруг этого цилиндра и находится под давлением при движении по длине цилиндра.

‘Выходя из этого отверстия, вода под давлением возвращается к атмосферному давлению и вздувает тесто.’

Но что вырабатывает электричество, которое позволяет нам делать эти вкусные закуски?

Включение

Паровые турбины являются одним из наиболее распространенных способов преобразования тепловой энергии в электрическую. Фото: Сименс.

Энергия ветра и солнца быстро набирает обороты, но в глобальном масштабе эти источники возобновляемой энергии по-прежнему составляют лишь около трети источников выработки электроэнергии.

Даже в 21 веке большая часть электроэнергии в мире вырабатывается с использованием пара, будь то уголь, газ, геотермальные, ядерные или футуристические термоядерные реакторы.

В своей основе даже самые передовые электростанции в мире по-прежнему используют бойлер — место для нагрева воды и производства пара под высоким давлением.

«В турбине используется пар, который движется по лопастям и непосредственно вращает вал, который вращает магниты для выработки электричества», — объясняет Матильда.

Более того, пар также можно использовать для производства других видов топлива.

«Пар используется в одном из способов получения водорода, в очень распространенной и давно существующей технологии, называемой паровым риформингом», — говорит Матильда.

‘Пар при очень высоких температурах реагирует вместе с метаном из природного газа, свалочного газа или биогаза и катализатором для получения водорода.

«Водород используется в топливных элементах, для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и в пищевой промышленности». очень большая часть смеси в производстве электроэнергии для питания электромобилей и в производстве водорода.

Но пар также играет роль в неземных транспортных средствах.

Стратосферный пар

Испытания ракетного двигателя в Космическом центре Стеннис НАСА. Фото: НАСА

Космос — враждебное место, поэтому само собой разумеется, что любая технология, используемая там, справится с вызовом, включая пар.

— Пар также используется для испытаний двигателей космических ракет, — говорит Матильда.

‘Пар создает условия вакуума, в которых работают двигатели при запуске, имитируя запуск ракеты, при этом ничего не взлетая.

‘Этот метод был разработан во времена космической программы «Аполлон» в 1960-х годах и используется до сих пор.’

 Но он используется не только в тестах.

«Разрабатываются даже кубические спутники, которые прыгают между внеземными объектами, приводимые в движение паром», — объясняет Матильда.

«Они приземлялись на поверхность, бурили, (надеюсь) находили немного воды, извлекали ее, хранили, а затем нагревали с помощью солнечных батарей и использовали этот пар, чтобы двигаться к следующему пункту назначения».