Просмотр содержимого документа
«Учебный проект по физике»
8
МБОУ «Шумаковская СОШ»
Проект по физике
Тема: «Есть ли будущее у паровой машины?(Эволюция паровой машины)»
Выполнила: Конорева Мария,
ученица 10 класса
д. Б. Шумаково
2019
Оглавление
Введение…………………………………………………………..3
Основная часть
Достоинства и недостатки паровых машин……………….4
1.2 Настоящее и будущее паровой машины………………..5-8
Заключение………………………………………………………...9
Интернет-ресурсы………………………………………………..10
Введение
Работая над своим проектом, я пыталась ответить на вопрос: «Есть ли будущее у паровой машины?», т.е. найти материал о том, как человечество использует паровые машины сегодня, и есть ли у них будущее.
Сначала я рассмотрела достоинства и недостатки паровых машин, чтобы выяснить, почему паровые машины уступили место другим видам тепловых двигателей.
Цели проекта:
Рассмотреть достоинства и недостатки паровых машин;
Выяснить, как человечество использует паровые машины сегодня, и есть ли у них будущее.
Задачи проекта:
Постановка проблемы: есть ли будущее у паровой машины?;
Сбор информации из различных источников об эволюции паровых машин;
Обработка информации с помощью офисных программ (создание презентации проекта и реферата);
Подготовка защиты проекта.
Основная часть
Достоинства и недостатки паровых машин
Основное достоинство паровой машины – ее относительная простота и хорошие тяговые характеристики независимо от скорости работы.
Это позволяет обойтись без редуктора, что выгодно отличает такой двигатель от двигателя внутреннего сгорания, который на малых оборотах недодает мощность. Поэтому паровая машина очень удобна в качестве тягового двигателя, например, на паровозах.
Паровые машины использовались также как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века.
Но паровые машины имели ряд недостатков: низкий КПД; сравнительно невысокая максимальная скорость; большой вес; постоянный расход топлива и воды. (Ранее требовалось значительное время, чтобы паровой котел дал пар и двигатель заработал).
Поэтому поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, обладающими более высокими КПД, а также большей компактностью, эффективностью и универсальностью применения.
Настоящее и будущее паровой машины
В настоящий момент мир возвращается к старому доброму пару. В процессе поиска новых видов энергии и попыток решения мировых экологических проблем выяснилось, что громоздкий, шумный, чумазый, неэффективный паровой привод еще не сказал своего последнего слова. Новые материалы и технологии позволяют создавать малогабаритные паровые машины, существенно повысить их КПД. Поиски идут в нескольких направлениях.
Экономика и экология
Самое актуальное – использовать паровой привод механизмов. К примеру, на предприятии котельная при изменении потребления сбрасывает неиспользованный пар в атмосферу. В то же время его можно применять для работы питательных насосов, вентиляторов, дымососов. Использование паровой турбины малой мощности в качестве привода насоса, вентилятора или прямососа в котельной очень перспективно с точки зрения экономии электроэнергии. Если частотный привод искажает сеть, что приводит к потерям в электропотреблении, то паровой привод использует энергию «дармового» пара, которая обычно «вылетает в трубу». Утилизационная турбина направляет отработавший пар на технологические нужды и теплоснабжение.
Сегодняшний уровень конструкторских разработок и технологий позволяет изготовлять паровые турбины малых габаритов (ПТМ) под любые конкретные параметры эксплуатации. С экономической точки зрения замена частотного привода на паровой дает большой эффект: с учетом расхода пара – порядка 38-40 коп. на кВт, не считая экономии на самом оборудовании. Именно поэтому, как только на предприятии начинают заниматься энергоаудитом, искать пути экономии ресурсов или возможности закрыть дефицит электроэнергии, усиливается интерес к паровой энергии.
Специалисты отмечают еще один существенный плюс паровой машины – экологический. На выходе парогенератора – обычный дым, остаточный пар, который можно использовать для сушки, систем ГВС (горячего водоснабжения) и отопления, и зола, тоже пригодная как удобрение. Все как у обычной деревенской печи. Кроме того, паровая техника по простоте обслуживания не сравнится ни с какой другой.
Мощь и скорость
Потенциально автомобильные паровые двигатели – двигатели внешнего сгорания – вырабатывают меньше вредных окисей азота, чем стандартные современные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), поскольку максимальные температуры и давление в них ниже. Даже, несмотря на то, что паровые двигатели, как и другие, сжигают обычное горючее, их технология позволяет эффективнее контролировать выделение и выбросы двуокиси углерода. Именно поэтому конструкторы автомобильных корпораций, решая проблему сокращения вредных выбросов, вновь обращаются к пару. На заре XX в. паромобили успешно конкурировали с электромобилями и автомобилями и даже били мировые рекорды скорости. Сошли они с арены потому, что потребляли в 23 раза больше топлива, чем машины с ДВС. По той же причине на железной дороге на смену паровозам пришли тепловозы и электровозы. Недавно корпорация Wolkswagen объявила о том, что новый революционный паровой двигатель будет установлен на автомобиле Skoda Fabia. Это трехцилиндровый однолитровый двигатель, потребляющий дизельное топливо, не дающий вредных выбросов. На его создание потребовалось 6 лет и около $55 млн.
В этом же направлении работает BMW: в новой разработке баварских инженеров используется принцип обычного парового двигателя для переработки горячих выхлопных газов в энергию. Это должно увеличить крутящий момент на 20 Н*м, а мощность двигателя – на 15-20% при такой же, а то и более высокой экономичности.
Группа английских энтузиастов «Британский паровой автомобильный вызов» построила болид «Вдохновение» (Inspiration), чтобы побить на нем рекорд скорости для автомобилей с паровым приводом. Для этого был создан принципиально новый паровой двигатель, способный развивать мощность 225 кВт (300 л.с. на валу) при 12000 об/мин. Топливом для болида выбран сжиженный пропан. Четыре парогенератора поставляют паровой машине около 10 кг пара в минуту.
В России проблемами использования пара занимаются в Московском авиационном институте (МАИ). Здесь разработан паровой двигатель, в котором рабочее тело – аммиачный пар. КПД такого двигателя на 24% выше, чем у традиционной паровой машины (ПМ), удельный вес вместе с парообразователем – не более 1,2 кг/л.с., т.е. такой же, как и у карбюраторных автомобильных моторов, а удельный расход топлива всего 1,6 кг/л.с., что ниже, чем у дизельного мотора. Расчеты автора изобретения показывают, что по сравнению и с традиционной ПМ, и с ДВС, при той же мощности, он компактнее, имеет более высокий КПД (порядка 43,5% экономический и около 85% механический), расходует меньше соляра, чем, скажем, дизель... Даже на моторном масле, которого новый двигатель требует значительно меньше обычного, можно получить многомиллионную экономию. Такой двигатель можно использовать не только для транспортных средств, а также как стационарный для привода электрогенераторов различной мощности.
ТехЭкспертиза
С развитием малого и среднего бизнеса растет спрос на источники пара небольшой мощности: закупать пар у крупных котельных – очень дорого. При этом потребитель платит не только за собственно пар, но и за невозврат конденсата, за утечки на дырявых паропроводах и т.д. Парогенераторы с небольшой производительностью от 5 кг пара до 2 т пара, давлением от 0,7 атм до 40 атм все больше используются в стройиндустрии, при выпуске пенополистирола, упаковочных изделий и материалов, в пищевой промышленности, при сушке пиломатериалов и т.д. В настоящее время выпускается примерно 34 десятка модификаций парогенераторов.
Сегодня существенно растет интерес и к паровым электростанциям. Хотя все знают невысокий КПД паровоза, однако далеко не всегда этот показатель критичен. Например, в деревообработке скапливается очень много отходов, которые надо сжигать, в то же время там нужно и тепло для сушилок, и электроэнергия для пилорам. Паровая электростанция дает возможность, сжигая отходы в обычных паровых котлах с небольшим давлением и невысокой температурой, получать электроэнергию и тепло, причем существенно дешевле, чем от централизованной системы или автономной дизельной станции. Производство электроэнергии при помощи пара – стабильнее и дешевле. И, что особенно важно для лесной уральской глубинки, – не нужна высокая квалификация обслуживающего персонала.
В отличие от генераторных электростанций, у которых двигатель требует серьезного ремонта через год-два эксплуатации, паровые турбины работают десятилетиями.
Главной частью ГРЭС является паровая турбина, которая вместе с электрогенератором и возбудителем составляют в целом турбоагрегат. В паровой турбине пар расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного) и потенциальная энергия сжатого и нагретого до высокой температуры пара превращается в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит в движение электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток.
Паровые турбины малой мощности
Самым эффективным и экономически оправданным на сегодняшний день можно назвать создание распределенной энергетической системы на базе уже существующих котельных путем перевода их в режим миниТЭЦ 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, вместо существующих дизельных электростанций (ДЭС). 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.
Технология комбинированного производства энергии и тепла с использованием противодавленческих паровых турбин зарекомендовала себя как наиболее эффективная с точки зрения энергосбережения. В таком комплексе пар на технологический процесс направляется через турбину, а работа, совершаемая в ней паром, используется для привода электрического генератора, насосов, вентиляторов и других устройств. Это позволяет значительно снизить затраты электроэнергии на привод устройств и повысить КПД использования пара. Самое существенное преимущество паротурбинного привода – высокий ресурс.
Внутренний КПД турбины «ПТМ» достигает 70%, а малая собственная длина позволяет поместить ее в действующей установке на существующем фундаменте взамен электропривода (или вместе с ним). Конструктивные и технологические особенности турбины ПТМ (отсутствие редуктора и системы маслоснабжения) повышают надежность работы, снижают уровень шума, обеспечивают пожаробезопасность. Такую турбину можно устанавливать и эффективно эксплуатировать в помещении существующей котельной в непосредственной близости с котлом. Время работы турбомашины до вывода из эксплуатации – не менее 40 лет. Средний срок окупаемости – 23 года.
Заключение
Итак, есть ли будущее у паровой машины?
У паровой машины есть будущее, потому что у неё есть ряд явных преимуществ перед другими видами двигателей:
«Всеядность» двигателя — ПМ могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Как все двигатели внешнего сгорания, двигатель может работать от почти любого перепада температур, угольной или дровяной печи.
Простота конструкции — конструкция двигателя ПМ очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.
Увеличенный ресурс— простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
Экономичность— Современные паровые машины иногда дают больший КПД, чем даже карбюраторные машины (до 34 %),
Бесшумность двигателя— паровые машины не имеют выхлопа, а значит машина не шумит.
Экологичность — сам по себе двигатель не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело.
Благодаря своим преимуществам, паровые машины до сих пор широко используются человечеством. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.
