Парова́я маши́на или паровой двигатель — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу, таким образом к паровым машинам можно было бы отнести и паровую турбину, имеющую до сих пор широкое применение во многих областях техники. «Краеугольный камень» промышленной революции.
Паровая машина вместе с рядом подсобных машин и устройств называется паросиловой станциейЛандсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1971. — Тираж 300 000 экз. — С. 629.
История Паровая машина, возможно, была создана и использована Фердинандом Вербистом около 1672 года в его изобретении — игрушке на паровом двигателе, сделанной для китайского императора. Первая же достоверно известная паровая машина была построена в 1698 году французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после охлаждения и сжатия отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году.
В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году. Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Но увидеть своё изобретение в работе И. И. Ползунову не пришлось — он умер 27 мая 1766 года, а его машина пущена в эксплуатацию на Барнаульском заводе только летом. Паровая машина Ползунова имела мощность 40 лошадиных сил и была, как и двигатели Ньюкомена, атмосферической машиной.
Барнаульский изобретатель Степан Васильевич Литвинов (1785—1843) создал проекты паровых машин, содержащие ряд новаторских элементов, вошедших в практику теплотехники лишь в XX веке (ступенчатое испарение, прямоточные котлоагрегаты, регенерация тепла). В 1817-27 годах он сконструировал теплосиловую установку, в проекте которой впервые в мире была выдвинута идея использования отработанного тепла. Многие изобретения Литвинова получали высокую оценку, однако в производство не внедрялись. Идеи, применённые в проектах энергоустановок С. В. Литвинова, почти на столетие опередили их применение на практике. Такой разрыв во времени можно объяснить тем, что в окончательном виде 1-й и 2-й законы термодинамики были сформулированы только к середине XIX века. Анализ хронологии открытия этих законов и интуитивных поисков конструкций изобретателей паровых машин убедительно свидетельствуют о прозрениях участников этого процесса.
Настоящую революцию в промышленности произвела первая универсальная паровая машина, созданная инженером Джеймсом Уаттом в 1784 году. С этого момента паровая машина перестаёт быть редким и специализированным механизмом для откачки воды из угольных шахт. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.
Принцип действия
Для работы паровой машины необходим паровой котёл, однако можно использовать любой источник тепла для перевода воды до состояния насыщенного пара и последующего перегрева пара (некоторые паровые двигатели работают и на насыщенном паре). Расширяющийся пар давит на поршень, движение которого передаётся валу обычно за счёт кривошипно-шатунного механизма (КШМ).
Принцип действия поршневой паровой машины показан на иллюстрации.
Энергия пара через поршень 1 посредством штока 2, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала и преодоления мертвых точек. 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).
Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объёма, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано кривыми 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 p1 и p2, а также объёмами V1 и V2. Первичный поршневой двигатель предназначен для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями давления пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр паровой машины, перемещает поршень, расширяясь после момента отсечки. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры паровой машины окружаются паровой рубашкой.
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 Vc, определяемый точкой 4 начала сжатия. В реальной паровой машине перечисленные объёмы фиксируются парораспределительными органами.
Коэффициент полезного действия Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла.
КПД тепловой машины равен:
,
где Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж.
Практический тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем в идеальном цикле Карно, в котором количество теплоты передаётся от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегревателей) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД в 30—42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать КПД в 50—60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления (турбины с теплофикационными отборами пара) и производственных (турбины с противодавлением) нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.
Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому практический КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т. н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.
У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении, конкретно — при давлении поступающего из котла пара. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют около 1 °C. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в двигателях Стирлинга может достигать 100 °C.
Преимущества и недостатки Основное преимущество паровых машин как двигателей внешнего сгорания состоит в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива (источник тепла) — от дров и кизяка до цепной реакции деления какого-либо делящегося материала, тепла Солнца (использование концентраторов в виде параболических зеркал) или же нагрев от радиоизотопного источника тепла.
Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового океана на разных глубинах, а также использование геотермального тепла.
Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.
Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает, а, наоборот, возрастает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки и Китая, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными тепловозами.
В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60 % меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными тепловозами и электровозами.
Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог.
Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является повышение крутящего момента с понижением оборотов, вплоть до нуля. Поэтому поршневые паровые двигатели не нуждаются в преобразующих передачах, передавая крутящий момент непосредственно движителям любого типа.