1. Отдельный конденсатор. Конденсатор парового двигателя


Конденсатор пара паровой машины « Попаданцев.нет

Паровая машина для своей работы должна расходовать пар. Если у нас машина однократного расширения (не компаунд), то расход пара будет в районе 10 кг в час на одну лошадиную силу. Если мы правильно построили золотник (у нас удался двойной), то можность будет от 20 до 30 лошадиных сил. Значит, каждый час работы такой машины нужно в котел заливать хотя бы 200 литров воды. И воды качественной.

Это можно пережить, если у нас стационарная машина. Можно еще пережить, если гонять паровозы по Европе, где маленькие городки через каждые 10 км дороги и где можно заправиться водой. Но что делать, если паровоз идет через Среднюю Азию, где даже если и будет городок километров через сто, то все равно с водой там — не фонтан?И особенно — что нам делать на пароходе, где пресной воды нет в принципе?

Нас спасет конденсация отработанного пара!..

Для эффективной работы конденсатора из него откачивают воздух. Откачивают во всех видах конденсаторов, потому что это главный прием для эффективности. По идее, воздуха в паре не должно быть вообще. Ведь если герметично собрать выбрасываемый цилиндром машины пар, то воздуха в выхлопе почти не будет. Кроме того — пар там скондесируется и давление очень сильно упадет само по себе.

Однако, на практике воздух по чуть-чуть просачивается, и если не откачивать — то его давление в герметическом конденсоре очень быстро возрастет до таких величин, что машина просто остановится. Это, кстати, один из симптомов поломки паровика — воздух в конденсаторе.

Итак, мы имеем герметичную емкость с откачанным воздухом и подаем туда пар. Каким образом его конденсировать?Есть несколько типв конденсаторов — поверхностный, смешивающий и испарительный.

Смешивающий конденсатор — это когда пар охлаждается струями воды и в эту же воду конденсируется.Вот обычные схемы смешивающих конденсаторов:

Такой конденсатор — любимая схема для стационарной машины. Там тоже берегут воду, потому что для паровой машины она должна быть чем чище, тем лучше. А конденсат — он представляет собой дистиллированую воду. Но и на паровозах его тоже ставили, вот как выглядит простой смешивающий для паровоза:

Однако, существует разновидность смешивающего конденсатора, который называется паровой инжектор. Слева вы видите его конкретную конструкцию для паровоза.

Работает он так: По трубе 2 охлажденная вода подается насосом в верхнюю часть. Вода подается под давлением 1.5 — 1.7 атмосферы. Она проходит через мелкие сопла 3 и разбивается на струйки, которые увлекают за собой отработанный пар. Пар при этом конденсируется. В результате воздух из конденсатора отсасывается (принцип, аналогичный струйному вакуумному насосу).

Нагревшаяся охлаждающая вода в смеси с конденсатом и воздухом проходят через расширяющуюся трубу 5 (диффузор). В диффузоре кинетическая энергия смеси превращается в потенциальную, давление повышается и смесь поступает в сборный бак без насоса.

Ну а в случае затопления конденсатора на штуцер 1 ставят клапан, который открывает и сбросит воду.

Однако, у смешивающего конденсатора есть недостатки.В нем смешивается конденсат и охлаждающая вода, что не дает пустить его опять в котел. Или требуется сделать еще один контур, чтобы охлаждать охлаждающую воду (вот ведь звучит как!). Очень часто на стационарных машинах для этого строили охлаждающие пруды и даже фонтаны!

Но если уже и есть отдельный контур охлаждения, то можно сразу построить другой тип конденсатора — поверхностный конденсатор. Тут принцип действия иной — пар осаждается на трубках, через которые течет холодная вода. Это основной тип конденсатора на паровозах и, фактически, единственный для судовых машин.

Конструкция очень проста, но муторная в изготовлении:

На картинке — двухходовой поверхностный конденсатор. Двухходовой — потому что вода в трубках делает два разворота — туда и обратно.Были и трех- и четырех-ходовые. Но чем больше проходов — тем больше размер и хуже разрежение, но в то же время — меньше поток охлаждающей воды.

Если у нас не слишком мощный паровоз и нет возможности построить настоящий конденсатор, то мы можем соорудить простой тип — испарительный. Принцип действия знаком современному человеку — пар проходит по тонким трубкам, охлаждаемым воздухом. Собственно — это автомобильный радиатор. Скорее всего на первый паровоз попаданец поставит именно такой конденсатор. Главная проблема при его производстве — наличие хорошего качества латунных трубок. В свое время кроме латуни делали и чугунные испарительные конденсаторы, но теплоотдача у них куда ниже.

www.popadancev.net

1. Отдельный конденсатор. Создатели двигателей [илл. Е.Ванюков]

1. Отдельный конденсатор

Уатт

Как-то зимой 1763 года профессор физики и астрономии Глазговского университета Андерсон, готовя к лекции модель водоотливной машины Ньюкомена, с досадой увидел, что модель, недавно возвращенная из починки, опять неисправна. Не желая обращаться к лондонским мастерам, профессор решил поручить исправление модели бывшему университетскому механику Джемсу Уатту (1736–1819). На другой же день Уатт явился в университет. Это был высокий, худой, болезненного вида молодой человек с длинными волнистыми волосами, тихий и задумчивый. Осматривая машину, Уатт скромно признался, что до сих пор не имел случая заниматься такой работой и совершенно не знаком с устройством машины Ньюкомена.

— Правда, — прибавил он, — мистер Робиссон еще студентом как-то обращал мое внимание на паровую машину. У него была идея применить силу пара для движения повозки. Но мы ничего не предприняли, чтобы ее осуществить. Года три назад я пробовал производить опыты с котлом Папена, но отказался от мысли добиться чего-нибудь лучшего и больше этим вопросом не занимался… Впрочем, кажется, в данном случае нужны простые исправления механизма, и я, вероятно, сумею пустить в ход вашу модель очень скоро.

Не придавая большого значения предстоящей работе, молодой механик с университетской моделью под мышкой направился к каменному домику, крытому сланцем, где помещалась его мастерская.

Осмотрев механизм и познакомившись с устройством машины, Уатт внес в нее все нужные исправления и стал пробовать работу модели. К изумлению мастера, несмотря на то, что соответственно размерам самой модели котел для нее был более чем достаточен, он все же не давал нужного количества пара. Усиливая в топке огонь, можно было заставить машину сделать несколько ходов, но и только. При этом нужно было вбрызгивать в цилиндр очень много холодной воды, хотя нагрузка машины была незначительной.

Будь Джемс Уатт простым механиком, он отослал бы машину обратно, окончив исправление, как и поступали до него все лондонские и глазговские мастера. Но его ум исследователя, пораженный необъяснимым явлением, стал доискиваться причины, почему же большая часть пара пропадает совершенно бесполезно и работа машины никак не соответствует расходу пара.

Чем хуже действовала машина, тем настойчивее и оживленнее работал мозг мастера. Исходя из своих теоретических познаний, Уатт сделал несколько предположений, а затем стал их проверять на опыте. Тут он и пришел к выводу, что разгадка таится в незадолго до того открытом физиками законе: вода в безвоздушном пространстве кипит не при обычной температуре кипения в 100 градусов, а при значительно низшей, примерно уже при 36 градусах, а иногда и раньше, смотря по глубине вакуума.

Что же получалось в цилиндре машины? Вбрызгивание в цилиндр холодной воды вело к тому, что пар конденсировался и под поршнем образовывался вакуум, но в этом разреженном воздушном пространстве стекавшая с горячих стенок цилиндра вода быстро нагревалась даже выше 36 градусов и легко превращалась в пар. Невозможно было добиться поэтому движения поршня вниз, пока цилиндр не охладится полностью. Оттого-то и приходилось вбрызгивать туда такую массу холодной воды.

В то же время, когда в начале второго, обратного, хода поршня в машину входил свежий пар из котла, он, соприкасаясь с холодными стенками цилиндра, конденсировался, и конденсация эта не прекращалась, а поршень не поднимался до тех пор, пока цилиндр снова не нагревался до температуры пара. Поэтому-то и приходилось расходовать такое огромное количество пара для получения совсем незначительной работы в машине.

Таким образом, Уатт вполне установил причины плохой работы машины Ньюкомена, которые были особенно видны на маленькой модели. Вооружившись опытом, он решил найти способ уменьшения расхода воды и пара в машине Ньюкомена.

Дело было совсем не так-то просто, как предполагал сначала Уатт.

«Однако все же эта задача настолько овладела моим умом, — признавался он впоследствии, — а мои обстоятельства настолько требовали вернуть потраченное время и деньги, что я не мог бросить дела. После того как я всячески обдумывал вопрос, я пришел к твердому заключению: для того чтобы иметь совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр всегда был так же горяч, как и входящий в него пар. Однако конденсация пара для образования вакуума должна происходить при температуре не выше 30 градусов».

Но как же можно держать цилиндр всегда горячим и в то же время конденсировать в нем пар для получения вакуума? Задача казалась совершенно неразрешимой… Но вот однажды Уатт, занятый этими мыслями, отправился на прогулку.

«Это было возле Глазго, — рассказывает он в своих воспоминаниях, — я вышел на прогулку около полудня. Был прекрасный день. Я проходил мимо старой прачечной, думая о машине, и подошел к дому Герда, когда мне пришла в голову мысль, что пар ведь упругое тело и легко устремляется в пустоту. Если установить связь между цилиндром и резервуаром с разреженным воздухом, то пар устремится туда и цилиндр не надо будет охлаждать. Я не дошел еще до Гофхауза, как все дело уже было кончено в моем уме!»

Конечно, тысячи людей прогуливались мимо старых прачечных и видывали клубы пара, выходящие из окон. Но только одного Уатта, занятого своей идеей, вид прачечной навел на мысль об отдельном конденсаторе и помог найти выход из положения, представлявшегося совершенно безвыходным.

«Я проходил мимо старой прачечной, думая о машине…»

Мы часто говорим себе и советуем другим, не видя выхода из затруднительного положения: «Утро вечера мудренее!»

Это значит, что иногда нужно на время забыть условия задачи и вновь вернуться к ним при других обстоятельствах, в иной обстановке, взглянуть на дело с другой стороны. При такой перемене обстановки, под впечатлением какого-нибудь самого незначительного происшествия, под влиянием самого отдаленного намека все мышление может направиться по иному пути и привести вдруг к догадке, как решить задачу.

Это и произошло с Уаттом.

«Ну, а если бы, — спросим мы себя, — в Глазго был прескверный день, Уатт не вышел бы на прогулку или, гуляя, выбрал бы другую дорогу, без прачечной, что же, мысль об отдельном конденсаторе так и не пришла бы ему в голову?»

Нет, пришла бы, обязательно пришла бы! Задача была правильно поставлена, решение ее было исторически подготовлено, и не найти это решение Уатт мог бы, только перестав его искать. Но, продолжая искать и думать, то есть проверять в технике правильность десятков, сотен, тысяч комбинаций из отражений, как непрерывно поступающих в мозг, так и хранящихся в нем, Уатт необходимо должен был дойти до сочетания постоянно горячего цилиндра с постоянно холодным ящиком для конденсации пара. Все это по частям уже было дано в мозг, как отражения объективного, реального мира, и решение задачи необходимо должно было прийти, независимо от прогулок Уатта и встречавшихся ему на пути построек.

Какова же при таком положении дела роль «случая» в научном и техническом творчестве?

Ответить на этот вопрос теперь уже нетрудно. «Случай», как это было у Ньюкомена с взбрызгиванием воды в цилиндр, может прямо указать внимательному наблюдателю, что надо сделать.

Чаще, однако, мыслителя подводит к правильному выводу случай, сам по себе даже далекий от технической обстановки. Здесь он помогает конструктору выйти из рамок привычного мышления, нарушить привычный ход мысли.

Дело в том, что все процессы, происходящие в мозгу, повторяясь, совершаются все легче и автоматичнее. Ребенок, начав ходить в школу, должен, например, по необходимости рано вставать и рано засыпать. Первые дни новый распорядок дня дается с большим трудом, а затем все с большей и большей легкостью. Но, привыкнув, порядок этот нельзя изменить без траты нервных сил и жесткого требования со стороны.

Так же как привычный уклад жизни, образуется и привычное мышление, сойти с которого без толчка со стороны очень трудно, а порой и невозможно. Потому-то так долго не находил Уатт выхода из положения, создавшегося при исправлении модели, потому-то и помог случай с прачечной.

Как только Уатт пришел к идее отдельного конденсатора, все дальнейшие усовершенствования явились к нему одно за другим. Через два дня видоизмененная машина Ньюкомена вполне возникла в представлении конструктора. Он построил маленькую модель ее, и она подтвердила все предположения изобретателя. «Этим изобретение мое и было закончено, — говорил Уатт, — поскольку оно касалось экономии в расходе пара и топлива».

Но, когда Уатт приступил к постройке опытной водоотливной машины с отдельным конденсатором, возникли новые осложнения. Дело в том, что в машинах Ньюкомена цилиндр сверху оставался открытым, для того чтобы атмосферное давление действовало на поршень беспрепятственно. А чтобы пар и воздух не пропускались поршнем, на него сверху наливали слой воды. При устройстве отдельного конденсатора с этим мириться уже было нельзя: каждая капля воды, проникшая в горячий цилиндр через зазоры между стенками цилиндра и поршнем, обращалась бы тотчас же в пар, мешая образованию вакуума. Кроме того, при ходе поршня вниз вода и воздух, следуя за поршнем, охлаждали бы цилиндр, а этого-то прежде всего и хотел избежать Уатт.

Закрыть цилиндр, чтобы избежать охлаждения его водой и воздухом, было, конечно, легко, но крышка помешала бы атмосферному давлению действовать на поршень, и машина не смогла бы работать. Словом, задача опять казалась неразрешимой.

Размышляя над этой задачей, Уатт напал еще на одну мысль: ведь атмосферное давление можно заменить давлением пара, и даже с выгодой, потому что давление пара в котле у Ньюкомена равнялось двум атмосферам, то есть было вдвое сильнее атмосферного!

Закрыв цилиндр, Уатт стал впускать пар не только под поршень, чтобы создавать вакуум, но и в пространство над поршнем, чтобы заменить атмосферное давление давлением пара.

Это было чрезвычайно выгодное нововведение. В атмосферной машине мощность рабочего хода зависела лишь от величины поршня: чем больше делалась площадь поршня, тем мощнее был рабочий ход. Давление же атмосферы оставалось постоянно одинаковым. В новой машине Уатта мощность хода поршня зависела уже не только от величины поршня, но и от силы давления пара. Так как давление пара зависит от его температуры, то можно было нагреванием повышать его до любой силы, пока позволяет прочность котла, а тем самым и увеличивать мощность хода поршня, не прибегая к увеличению поршня.

В руках Уатта была настоящая паровая машина. Она отличалась от машины Ньюкомена и конструктивно. У нее был отдельный конденсатор в виде ящика с трубками, по которым циркулировала холодная вода. Конденсатор соединялся паропроводом с нижним концом цилиндра. Пар, устремляясь отсюда в конденсатор, осаждался здесь на холодных трубках капельками воды. Вакуум образовывался и в конденсаторе и под поршнем.

Паровой цилиндр Уатт поместил внутри деревянного цилиндрического футляра, через который пропускался пар. Это устройство, названное «паровой рубашкой», дало возможность держать цилиндр всегда горячим и избежать конденсации свежего пара, входящего в цилиндр из котла.

В остальном эта так называемая «паровая машина простого действия» Уатта не отличалась от машины Ньюкомена. Здесь также из двух движений поршня рабочим было только одно — именно ход вниз. Вверг поршень поднимался, не совершая никакой полезной работы. Так же как и у Ньюкомена, машина Уатта представляла только усовершенствованную водоотливную машину.

Постройку машины Уатт закончил в 1765 году. Слухи о каком-то новом изобретении Уатта, ради которого он забросил свои дела в мастерской, ходили уже давно, но Уатт хранил упорное молчание. В тайну изобретателя не мог проникнуть даже его друг. Об этом сохранился подлинный рассказ Робиссона, довольно болтливого человека, которого Уатт остерегался не без оснований.

«Я нашел Уатта, — вспоминает Робиссон, — сидящим у огня с жестяным резервуаром на коленях, который он осматривал. Я завел речь о том, о чем мы говорили при последнем свидании, то есть о паре. Уатт положил резервуар на пол и с живостью сказал:

— Ну, я устроил машину, которая не потеряет теперь ни одного атома пара!

Говоря это, Уатт весело посмотрел на машину, лежавшую возле него на полу, и, приметив, что я рассматриваю ее, задвинул ее ногой под стол. Я спросил его о сущности изобретения, но так как он отвечал мне довольно неохотно, то я не продолжал расспросов».

Только когда опытная машина была совсем готова, Уатт показал ее своим друзьям. Изобретение высоко оценили все присутствующие, и особенно профессор Блэк. О новой машине он рассказал своему хорошему знакомому, известному в то время врачу и химику, а затем железо-заводчику и предпринимателю Робаку (Рёбеку).

Робак до зарезу нуждался в машине, а Уатт не менее в компаньоне. Они договорились при первом же свидании. Робак заплатил долги Уатта, приняв на себя все расходы по опытам, как уже произведенные Уаттом, так и те, которые понадобятся в будущем. Уатт же отдавал компаньону две трети прибылей от будущей продажи машин.

Джемс Уатт был совершенно счастлив. Он расплатился с долгами и имел теперь средства на продолжение опытов с машиной. Впереди он видел широкое поле деятельности, как нельзя более соответствовавшей его желаниям. Не менее был доволен и Робак. Он получал для своего машиностроительного завода новый, выгодный объект производства и обеспечивал бесперебойную работу в угольных копях.

Внеся еще несколько мелких усовершенствований в конструкцию машины, Уатт приготовил чертежи частей первой машины. Она должна была строиться на Карронском заводе Робака. Однако постройка ее затянулась на несколько лет, так что впоследствии Уатту пришлось просить о продлении срока действия его патента.

«Если вы хотите знать, в чем заключается главное препятствие к устройству машин, — писал Уатт Робаку, — так я вам скажу, что самое основное затруднение — это плохая кузнечная работа».

Действительно, Уатту при постройке машины приходилось прибегать к ртути, стекольной замазке, войлоку, салу и коже, чтобы уменьшить зазоры между поршнем и стенками цилиндра. Даже много лет спустя он считал образцово сделанным цилиндр, если в зазоры «могла пройти всего лишь двухпенсовая монета».

Пока строилась машина и Уатт боролся с неожиданными затруднениями, финансовые дела его компаньона пришли в расстройство. Занятый спасением своих предприятий от краха, Робак махнул рукой и на Уатта и на его машину. Изобретателю пришлось думать уже не о том, чтобы продолжать свои опыты, а о том, чтобы как-нибудь прожить.

Заброшенная хозяином, мастерская Уатта в Глазго давно уже не приносила никакого дохода. Изобретатель продал ее, а так как полученных денег все равно не хватило, он занялся постройкой канала между реками Форт и Клайд. Приходилось браться за любую работу, начиная от перестройки порта в Глазго и кончая хозяйственными поручениями городских самоуправлений.

Урывками он продолжал посещать завод и следил за постройкой машины. Наконец она была готова и испытана: все шло прекрасно. Оставалось только взять патент на изобретение. Но дела Робака в это время так запутались, что он не мог даже дать своему компаньону денег на оплату патента, что в то время стоило довольно дорого.

Уатт скрепя сердце опять обратился к Блэку.

Патент Уатта помечен 5 января 1769 года. Он говорит о «способах уменьшения потребления пара и топлива в огневых машинах», и только. Способы заключаются в отдельном конденсаторе, паровой рубашке и замене атмосферного давления давлением пара.

Этот исторический патент свидетельствует о том, что Уатт смотрел на свое изобретение только как на усовершенствование водоотливной машины. О том, чтобы применять паровой цилиндр с отдельным котлом и отдельным конденсатором для привода в действие других машин, Уатт не думал и возможности такой не видел.

Скрытые от глаз самого изобретателя возможности, таившиеся в его машине, обнаружились не скоро и не сразу.

Они открывались постепенно и только тогда стали ясными в полной мере, когда хозяйство страны резко и определенно предъявило технике свои требования, а у техники накопился конструктивный опыт, чтобы их выполнить.

Из этого практического опыта и начали возникать теоретические представления о работе паровых машин.

Когда опытная машина была совсем готова, Уатт показал ее своим друзьям.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

history.wikireading.ru

Конденсаторы смешения

Конденсаторы смешения бывают струйные или, иначе, инжекторные и эжекторные (отсасывающие).

Струйные-конденсаторы, в свою очередь, делятся на работающие по принципу противотока и с параллельным течением воды и пара. В первом случае пар поступает в нижнюю часть конденсатора, а сверху навстречу ему движется распыленная охлаждающая вода.

Смесь конденсата и нагревшейся воды стекает вниз. Воздух, выде­ляющийся из воды и проникающий вместе с паром, отсасывается из самой верхней точки конденсатора, где температура наименьшая, а плотность воздуха наибольшая, следовательно, можно использо­вать менее мощный воздушный насос и иметь некоторую экономию в расходе энергии на конденсационную установку.

В конденсаторах смешения (фиг. 53) с параллельным течением воды и пара охлаждающая вода всасывается в разреженное про­странство .конденсатора в виде тонких струек и капель, образован­ных брызгалкой, имеющей большое число мелких отверстий. Смесь воды, пара и воздуха отсасывается мокровоздушиым насосом.

На фиг. 54 представлен мокровоздушный насос локомобиля типа СК. Он состоит из следующих основных элементов: корпуса насоса, имеющего всасывающий 8 и нагнетательный 4 патрубки, цилиндра с окнами 7, клапанной тарелки, па которой расположены резиновые клапаны 5, и поршня 6 со штоком 3. При ходе поршня вниз над ним создается разрежение, за счет которого, как только поршень откроет окна 7, пространство над ним заполняется продук­тами конденсации, поступающими из конденсатора. При ходе поршня вверх продукты конденсации вытесняются поршнем через клапаны 5 к отводятся через патрубок 4. Наверху слева виден питательный насос 1 локомобиля.

На фиг. 55 показан эжекторный конденсатор. Охлаждающая вода насосом нагнетается в камеру 1 и, проходя через ряд сопел, разбивается. Струи воды, проходя с большой - скоростью, создают разрежение и отсасывают таким образом пар и воздух, поступающий из цилиндра по трубе 2. Смесь продуктов конденсации, сохраняя еще достаточно большую скорость, входит в диффузор (расширяю­щийся конус) 3, где кинетическая энергия преобразуется в напор, необходимый для отвода продуктов конденсации. В случае затопле­ния конденсатора открывается сидящий на патрубке 4 автоматический клапан и пар выходит в атмосферу.

Эжекторный конденсатор весьма компактен и не требует насоса для откачивания продуктов конденсации, однако он работает с ухуд­шенным вакуумом. Глубокий вакуум можно создать за счет увеличения расхода воды и значительного напора, необходимого для получения большой скорости воды в соплах, при этом мощность для привода насоса получается столь значительной, что работа с глу­боким вакуумом становится невыгодной.

Во всех случаях использования отработавшего пара для целей отопления, производственных надобностей или же для питания паровых котлов его необходимо возможно лучше очистить от масла. Для этого применяют маслоотделители. Они ставятся или перед конденсатором, отделяя масло от пара, или за ним; в пос­леднем случае ставятся фильтры (с опилками, активизированным углем или другим фильтрующим материалом), которые задерживают масло; при таком способе очистки масло, осажденное в фильтре, не может быть использовано.

Установка маслоотделителя на паровыпускной трубе повышает сопротивление проходу пара. Размер маслоотделителя выбираю такой, чтобы его свободное сечение было больше площади сечения трубы, отводящей отработавший пар. Одна из конструкций маслоотделителя показана на фиг. 56, а. Отработавший пар из трубы 1 направляется к винтообразной пластинчатой спирали 2. При про­ходе спирали частицы воды и масла отбрасываются центробеж­ной силой к стенкам и стекают вниз. Далее пар на своем пути встречает ряд горизонтальных перегородок, заставляющих его несколько раз менять свое направление и проходить при этом через железную сетку. Ударяясь о перегородки и сетку, боль­шая часть оставшегося в паре масла задерживается на сетке и стекает вниз, откуда оно вместе с водой может быть выпущено через штуцер 3.

На фиг. 56, б показан другой тип маслоотделителя, в котором можно более полно отделить масло. Здесь пар, разбиваясь полосами угловой стали на мелкие струи и ударяясь о полосы корытного про­филя, резко меняет свое направление. Частицы масла и воды, как более тяжелые, стекают вниз и удаляются через ряд отверстий в корпусе маслоотделителя.

vdvizhke.ru