Что приводит в действие паровой двигатель?
Требуется энергия, чтобы делать абсолютно все, что только можно придумать — кататься на скейте, летать на самолете, ходить по магазинам или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем сегодня для транспорта, поступает из нефти, но так было не всегда. До начала 20 века уголь был любимым топливом в мире, и на нем приводилось в действие все — от поездов и кораблей до злополучных паровых самолетов, изобретенных американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним соперником братьев Райт. Что такого особенного было в угле? Его много на Земле, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.
Уголь — это органическое химическое вещество, что означает, что в его основе лежит элемент углерод. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда остатки погибших растений оказываются погребенными под камнями, сжимаются под давлением и поджариваются внутренним теплом Земли. Вот почему это называется ископаемым топливом. Куски угля на самом деле являются кусками энергии. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на костре, связи распадаются, и энергия выделяется в виде тепла. Кстати, Демонтажные работы Алматы вы можете заказать на страницах специализированного сайта.
В угле содержится примерно вдвое меньше энергии на килограмм, чем в более чистых видах ископаемого топлива, таких как бензин, дизельное топливо и керосин — и это одна из причин, почему паровым двигателям приходится сжигать так много угля.
Фото: Основные части паровоза. (Альтернативный вариант, вид сбоку, смотрите здесь.) Это бывший 4-метровый локомотив-цистерна British Railways Standard номер 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году), работающий на железной дороге Суонидж, Англия, в августе 2008 года. Прочитайте, как он был восстановлен из ржавой кучи и возвращен в эксплуатацию его владельцами, Southern Locomotives, в рамках реставрации 80104.
Что такое паровой двигатель?
Паровой двигатель — это машина, которая сжигает уголь для высвобождения содержащейся в нем тепловой энергии, так что это пример того, что мы называем тепловым двигателем. Это немного похоже на гигантский чайник, стоящий на угольном очаге. Тепло от огня кипятит воду в чайнике и превращает ее в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно выпускать пар в воздух, как пар из чайника, пар улавливается и используется для приведения в действие машины. Давайте узнаем, как это делается!
Как работает паровой двигатель
Грубо говоря, в паровом двигателе четыре разные части:
- Огонь, в котором горит уголь.
- Котел, полный воды, которую нагревают на огне для получения пара.
- Цилиндр и поршень, скорее похожие на велосипедный насос, но намного больше. Пар из котла подается по трубопроводу в цилиндр, заставляя поршень двигаться сначала в одну сторону, затем в другую. Это движение вдоха и выдоха (которое также известно как «возвратно-поступательное») используется для привода…
- Механизм, прикрепленный к поршню. Это может быть что угодно — от водяного насоса до заводского станка … или даже гигантский паровоз, курсирующий вверх-вниз по железной дороге.
Конечно, это очень упрощенное описание. На самом деле даже в самом маленьком локомотиве сотни, а может быть, и тысячи деталей.
Шаг за шагом
Проще всего увидеть, как все работает, в нашей небольшой анимации паровоза, приведенной ниже. Внутри кабины локомотива вы загружаете уголь в топку (1), которая в буквальном смысле представляет собой металлический ящик, в котором горит уголь. Огонь нагревает котел — «гигантский котел» внутри локомотива.
Котел (2) в паровозе не очень похож на чайник, который вы используете для приготовления чая, но работает он точно так же, производя пар под высоким давлением. Котел представляет собой большой резервуар с водой, через который проходят десятки тонких металлических трубок (для простоты мы показываем здесь только одну, окрашенную в оранжевый цвет). Трубы идут от топки к дымоходу, унося с собой тепло и дым от огня (показаны белыми точками внутри трубы). Такое расположение котельных труб, как их называют, означает, что огонь двигателя может нагревать воду в баке котла намного быстрее, поэтому он производит пар быстрее и эффективнее. Вода, из которой получается пар, поступает либо из резервуаров, установленных сбоку локомотива, либо из отдельного вагона, называемого тендером, который тянется за локомотивом. (Тендер также перевозит запас угля для локомотива.) Ниже по этой странице вы можете увидеть фотографию тендера с резервуаром для воды.
Пар, образующийся в котле, стекает в цилиндр (3) непосредственно перед колесами, толкая плотно прилегающий плунжер, поршень (4), взад и вперед. Небольшая механическая заслонка в цилиндре, известная как впускной клапан (показан оранжевым цветом), пропускает пар внутрь. Поршень соединен с одним или несколькими колесами локомотива посредством своеобразного рычажно-локтево-плечевого соединения, называемого кривошипно-шатунной системой (5).
Когда поршень толкает, кривошип и шатун вращают колеса локомотива и приводят поезд в движение (6). Когда поршень достигает конца цилиндра, он не может двигаться дальше. Импульс поезда (тенденция продолжать движение) продвигает рукоятку вперед, толкая поршень обратно в цилиндр тем же путем, каким он пришел. Клапан впуска пара закрывается. Открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает пар обратно через цилиндр и выходит в трубу локомотива (7). Прерывистый пыхтящий звук, издаваемый паровым двигателем, и прерывистые клубы дыма возникают, когда поршень движется взад-вперед в цилиндре.
С каждой стороны локомотива расположено по цилиндру, и два цилиндра работают немного не в такт друг другу, чтобы обеспечить постоянное движение двигателя.