Данный раздел содержит общеобразовательную информацию из энциклопедических изданий и рассказывает об истории использовании пара человеком и изобретениях, связанных с ним.

Пар

название газообразного состояния веществ (см. Газы) в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой (твёрдой) фазой того же вещества. Как правило, термин "пар" применяют в тех случаях, когда фазовое равновесие осуществляется при температурах Т и давлениях р, характерных для обычных природных условий (говорят, например, о П. спирта, бензола, иода, нафталина и т. д.). Как исключение, воду в газообразном состоянии при Т и р,превышающих критические значения, называют П., а CO2, даже ниже критической температуры (31,04°С), - газом. С точки зрения термодинамики фазовых превращений термины "пар" и "газ" эквивалентны.

Различают следующие виды состояний П. химически чистых веществ: 1) насыщенный пар (П. при Т и р насыщения); 2) ненасыщенный пар, т. е. П. При Т > Тнасыщ для данного p и, следовательно, с плотностью меньшей, чем у насыщенного П. (в технике его называют перегретым П. или просто газом); 3) пересыщенный пар - П., имеющий давление большее, чем рнасыщ, при той же температуре (см. также Пар водяной).

Пар водяной

газообразное состояние воды. П. в. получают в процессе парообразования (испарения) при нагревании воды в паровых котлах, испарителях и других теплообменных аппаратах. П. в. служит рабочим телом в паросиловых установках , теплоносителем в системах вентиляции, тепло- и водоснабжения; используется также в технологических целях. Если при давлении, равном 101,325 кн/м 3 (760 мм рт. ст. ), воду нагреть до 100 °С, то она закипает (см. Кипение) - начинает образовываться пар, имеющий ту же температуру, но существенно больший объём. До тех пор пока остаётся некоторое количество воды, температура системы, несмотря на непрекращающийся подвод теплоты, постоянна. Состояние, при котором вода и пар находятся в равновесии, называется состоянием насыщения (см. Насыщенный пар ), характеризующегося давлением насыщения и температурой насыщения. Только после превращения всей воды в пар, объём которого при 100 °С в 1673 раза больше объёма воды при 4 °С, температура может начать вновь повышаться. При этом пар из насыщенного переходит в перегретое состояние (см. Перегретый пар ). Если процесс испарения проводить при различных давлениях, то температура испарения меняется в зависимости от давления.

Большая советская энциклопедия

Уатт Джеймс

Уатт (Watt) Джеймс (19.1.1736, Гринок, Шотландия, — 19.8.1819, Хитфилд, Англия), английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины, член Лондонского королевского общества (1785). С 1757 работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара и сам с большой точностью провёл, пользуясь котлом Д. Папена, исследование зависимости температуры насыщенного пара от давления. В 1763—64, налаживая модель паровой машины Т. Ньюкомена, пришёл к выводу, что значительный расход пара в этой машине объясняется охлаждением стенок цилиндра до температуры охлаждающей воды во время её впрыскивания в цилиндр и что сократить расход пара можно отделением конденсатора пара от цилиндра.

Используя эту идею, У. в 1765 построил экспериментальную машину с диаметром цилиндра 16 см, а в 1768 — первую большую паровую машину, конструкция которой, однако, имела ряд недостатков: неудачным оказался конденсатор, требовалось дополнительное уплотнение поршня. В 1769 У. получил английский патент на «способы уменьшения потребления пара и вследствие этого — топлива в огневых машинах», в котором излагался ряд новых технических положений: применение паровой рубашки для поддержания температуры в цилиндре, проект парового ротационного двигателя и др. В 1774 постройка парового двигателя была завершена; дальнейшие испытания показали, что этот двигатель оказался более чем в 2 раза эффективнее лучших машин Ньюкомена. Для обеспечения работы двигателя У. применил центробежный регулятор, соединённый с заслонкой на выпускном паропроводе. В качестве передаточного механизма У. сохранил балансир, но использовал планетарную передачу, что вдвое увеличило частоту вращения вала. У. детально исследовал работу пара в цилиндре, впервые сконструировав для этой цели индикатор. В 1782 получил английский патент на паровой двигатель с расширением. У. ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности — ватт) . Паровая машина У. благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству (см. Промышленный переворот)

Паровая машина — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Принцип действия паровой машины

Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, зависимости давления p от объёма V указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина между давлениями p 1 и p 2, а также объёмами V 1 и V 2 .

Работа паровой машины двойного действия

Моменты начала и конца процессов расширения и сжатия пара дают четыре основные точки реального цикла паровой машины: объём Ve, определяемый точкой 1 начала или предварения впуска; объём конца впуска или наполнения Е, определяемый точкой 2 отсечки наполнения; объём предварения выпуска или конца расширения Va, определяемый точкой 3 предварения выпуска; объём сжатия V c , определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.

Устройство паровой машины

Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра.

Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор . Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

История изобретения

Паровая машина была изобретена в XVIII веке, когда основной недостаток гидросиловых установок (зависимость от местных условий), мало сказывавшийся при вращении жерновов зерновых мельниц, стал сильно препятствовать развитию металлургических предприятий, главным образом из-за невозможности применить водяные колёса для откачивания воды из рудников, удалённых от источников водной энергии. Возможность перевозки топлива сделала тепловой двигатель независимым от месторасположения источника энергии и позволила решать задачу рудничного водоотлива, в результате чего на рудниках появились теплосиловые установки.

Паровая машина Ньюкомена — шахтный насос

Решая задачу водоподъёма, изобретатели (Д. Папен во Франции, Т.Ньюкомен и Т. Севери в Англии и др.) постепенно нашли конструктивные формы для осуществления непрерывного рабочего процесса паровой машины: отдельный паровой котёл, цилиндр, топочное устройство, краны и др. Однако это всё ещё были насосные установки, которые могли направлять работу цикла только на подъём воды и были не в состоянии удовлетворить потребности в двигателях для заводских машин (воздуходувных мехов, рудодробильных пестов, кузнечных молотов, лесопильных рам и др.). Так возник переходный период (1700-1780) в энергетике, когда водяное колесо стало ограничивать развитие техники вследствие зависимости от местонахождения источника водной энергии; паровой двигатель, хотя и был свободен от местных условий, был освоен только для подъёма воды.

Потребности заводов привели к созданию комбинированных установок, в которых паровой насос поднимал воду на водяное колесо, приводившее в движение заводские машины. Такие установки не решали задачи о заводском двигателе, так как теряли в своей гидравлической части свыше 2/3 работы, получаемой от парового цикла. Задача могла быть решена только путём замены гидравлической передачи работы механической, изысканием передаточного механизма, способного периодически отдаваемую паровым циклом работу передавать потребителю непрерывно, в любой необходимой форме движения. Простейший передаточный механизм в форме балансира просуществовал целое столетие, так как позволил при низком давлении пара поднимать воду на большую высоту за счёт разности площадей сечения парового и водяных цилиндров, но не решал главной задачи заводского двигателя — способности отдавать работу непрерывно.

Применение двух цилиндров с последовательной отдачей работы их полостей на общий вал было впервые предложено И.И.Ползуновым в 1763, однако из-за смерти изобретателя проект не был завершён, и машина была разобрана после нескольких пробных пусков.

В 80-х гг. XVIII века потребность в универсальном двигателе стала исключительно острой в связи с развитием первого этапа промышленного переворота — внедрением в производство прядильных и ткацких машин. Эти новые машины, дававшие возможность одновременного действия многих орудий, определили в последней четверти 18 в. период завершения первого этапа в развитии паровых машин. Задача приняла конкретную форму: необходимо было превратить паровую насосную установку в двигатель с вращательным движением вала. Решение этой задачи нашло своё отражение в патентах разных стран на паровые машины в 80-х гг. XVIII в. Наибольшее распространение получила паровая машина Джеймса Уатта , ( Англия ), как наиболее экономичная вследствие отделения конденсатора от цилиндра. С 1800 развитие паровой машины и её внедрение в промышленности и на транспорте идёт возрастающими темпами. К середине XIX века суммарная мощность паровозов превосходит мощность фабричных установок. Во 2-й половине XIX века мощность судовых установок также становится выше мощности стационарных, а к концу века становится наибольшей составляющей в общем балансе установленной мощности, достигшей 120 млн. л. с.

Промышленная революция — переход от мануфактурного ручного производства к машинному — получила своё завершение с созданием универсального двигателя. В течение почти всего 19 в. паровая машина определяла уровень энергетики машинного производства и транспорта, темпы и направление их развития. Паровая машина увеличивала потребность в каменном угле и удовлетворяла эту потребность, поскольку она поднимала уголь из шахт, вентилировала их, откачивала из них воду. Паровая машина увеличивала потребность в металле и удовлетворяла её, поскольку она нагнетала воздух в доменные печи , проковывала детали машин, вращая валы прокатных станов . Паровая машина предъявила новые требования к технологии металлообработки и удовлетворяла их, приводя в движение металлообрабатывающие станки, способствуя становлению и развитию машиностроения — производства машин, делающих машины.

В своём развитии паровая машина способствовала появлению новых областей знания. Созданная на основе производственного опыта, паровая машина поставила перед учёными ряд вопросов, разрешение которых создало новую науку — техническую термодинамику .

К началу XX в. паровая машина достигла высокой степени совершенства. За сто лет развития мощность паровой машины повысилась от 5—10 л. с. до 20000 л. с., экономичность — от 0,3 % до 20 %, давление впускаемого пара — от 0,1 ата до 120 ата, температура пара — от 100° до 400°, число оборотов в минуту — от 20—30 до 1000 об/мин; удельный вес снизился от сотен до 1—2 кг/л. с.; занимаемая площадь уменьшилась от нескольких квадратных метров до их сотых долей на 1 л. с. Расход пара для паровой машины высокого давления с многократным расширением составляет 2,62 кг/л. с.-час. КПД достиг 20-25 %.

На основе опыта, приобретённого в производстве паровых машин, был создан новый поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором сгорание происходит непосредственно в цилиндре двигателя, то есть по сравнению с собственно паровой машиной устранено одно промежуточное звено (пар, как промежуточное рабочее тело, и парокотёльный агрегат, как генератор пара). Благодаря малому удельному весу (то есть отношению веса к мощности) двигатель внутреннего сгорания получил широкое распространение на транспорте. Развитие паровых машин привело и к созданию другого парового двигателя — паровой турбины , в которой видоизменён характер использования пара, вырабатываемого котёльным агрегатом, и вместо пульсирующего движения поршня и кривошипно-шатунного механизма используется непрерывное течение пара через проточную часть двигателя, то есть по сравнению с собственно паровой машиной устранено звено поршень - кривошипно-шатунный механизм, что позволило сконцентрировать большие мощности в одном агрегате. Паровая турбина оказалась наиболее целесообразной формой привода для мощных электрогенераторов, требующих равномерного вращения.

Области применения

Вплоть до середины XX в. паровые машины широко применялись в тех областях, где их положительные качества (большая надёжность, возможность работы с большими колебаниями нагрузки, возможность длительных перегрузок, долговечность, невысокие эксплуатационные расходы, простота обслуживания и лёгкость реверсирования) делали применение паровой машины более целесообразным, чем применение других двигателей, несмотря на её недостатки, вытекающие главным образом из наличия кривошипно-шатунного механизма.

Паровоз — локомотив, использующий в качестве энергетической установки паровую машину. Паровозы были первым и долгое время господствующим типом локомотивов, сыграв таким образом огромную роль в становлении железнодорожного сообщения. Лишь начиная с середины XX столетия их вытеснили тепловозы и электровозы. Однако паровозы всё ещё активно используются в некоторых странах, например в Китае, на Кубе и в Таиланде. Первый паровоз, двигавшийся по рельсам , был создан в 1804 году Ричардом Тревитиком (англ. Richard Trevithick ), первая железная дорога, открытая в 1825 году между Стоктоном и Дарлингтоном, обслуживалась паровозами Стефенсона (англ. George Stephenson). Этот паровоз стал прообразом для всех дальнейших разработок паровозов. В России первый паровоз был разработан отцом и сыном Черепановыми в 1833 году.

К таким областям относятся: железнодорожный транспорт (см. паровоз); водный транспорт (см. пароход), где паровая машина делила своё применение с двигателями внутреннего сгорания и паровыми турбинами; промышленные предприятия с силовым и тепловым потреблением: сахарные заводы, спичечные, текстильные, бумажные фабрики, отдельные пищевые предприятия. Характер теплового потребления этих предприятий определял тепловую схему установки и соответствующий ей тип теплофикационной паровой машины: с концевым или промежуточным отбором пара. Теплофикационные установки дают возможность уменьшать на 5—20 % расход топлива по сравнению с раздельными установками, состоящими из конденсационных паровых машин и отдельных котёльных, производящих пар на технологические процессы и отопление. Проведённые в СССР исследования показали целесообразность перевода раздельных установок на теплофикационные путём введения регулируемого отбора пара из ресивера паровой машины двойного расширения. Возможность работы на любых видах топлива делала целесообразным применение паровых машин для работы на отходах производства и сельского хозяйства: на лесозаводах, в локомобильных установках и т. п., особенно при наличии теплового потребления, как, например, на деревообрабатывающих предприятиях, имеющих горючие отходы и потребляющих низкопотенциальное тепло для целей сушки лесоматериалов. Паровая машина удобна для применения в безрельсовом транспорте , так как не требует коробки скоростей , однако она не получила здесь распространения из-за некоторых не разрешённых конструктивных трудностей.

Статья основана на материалах Большой советской энциклопедии 2-го издания.

Паровой котел

Паровой котёл И. И. Ползунова (1765)

Паровой котёл, устройство, имеющее топку, обогреваемое газообразными продуктами сжигаемого в топке органического топлива и предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного, используемого вне самого устройства. Рабочим телом подавляющего большинства П. к. является вода. П. к. называют также редко применяемые парогенераторы (электрокотлы), обогреваемые электрической энергией. Упоминания о П. к. как о парогенераторе, отделённом от топки, встречаются в работах учёных: итальянца Дж. делла Порта (1601), француза С. де Ко (1615), англичанина Э. С. Вустера (1663). Однако промышленное применение П. к. началось на рубеже 17 и 18 вв. в связи с бурным развитием горнозаводской и угледобывающей промышленности. Ранние конструкции П. к. по форме напоминали шар или же котлы для варки пищи, сначала их изготовляли из меди, а затем из чугуна. Одним из первых «настоящих» П. к. считают котёл Д. Папена, предложенный им в 1680.