Prima masina cu aburi cu utilitate parctica a fost inventata in 1698 de un inginer englez pe nume Thomas Savery. Aburul dintr-o camera era racit pana se condensa si forma o cantitate mica de apa. Reducerea mare a volu¬mului producea un vid partial, care era folosit pentru a absorbi apa din minele de carbuni.
Forta pistonului
La masina inventata de inginerul englez Thomas Newcomen, in jurul anului 1710, abu¬rii impingeau un piston in sus printr-un cilin¬dru. Apoi cilindrul era racit pentru a condensa aburii, si pistonul era tras in jos. Condensarea aburilor reducea presiunea din cilindru, astfel incat presiunea atmosferica era suficienta pentru a impinge pistonul in jos. Din acest motiv, Newcomen isi numea masina cu aburi „atosferica”. Ea era folosita pentru a pune in functiune pompe de mina. Desi s-a dovedit mult mai eficienta decat sistemul lui Savery, masina lui Newcomen era extrem de inceata si ineficace. Aceasta pentru ca dupa racire cilindrul trebuia incalzit pentru a produce din nou aburii necesari care sa impinga pistonul in sus. Altfel aburii s-ar fi condensat instantaneu.
Masina lui Watt
Cel care a rezolvat aceasta problema a fost inginerul scotian James Watt. La masina sa inventata in 1769, aburii treceau intr-o camera separata pentru condensare. Deoarece cilindrul nu era incalzit si racit alternativ, pierderile de caldura ale masinii erau relativ scazute. De asemenea, masina lui Watt era mai rapida, pentru ca se puteau admite mai multi aburi in cilindru odata ce pistonul se intorcea in pozi¬tia initiala. Aceasta si alte imbunatatiri conce¬pute de Watt au facut ca masina cu aburi sa poata fi folosita intr-o gama larga de aplicatii.
In perioada victoriana, locomotive cu aburi puternice revolutionasera deja calatoria pe us¬cat. Masinile cu aburi au facut posibile si tipa¬rirea ziarelor, torsul si tesutul textilelor si actio¬narea masinilor de spalat in „spalatoriile cu aburi”. Masinile cu aburi puneau in miscare caruselele, iar unii fermieri foloseau energia de abur pentru a ara pamantul. Antreprenorii de curatatorii aveau aspiratoare cu aburi, si la cele mai bune frizerii din orase existau chiar si perii pentru masarea capului actionate de aburi.
Miscarea rotativa
Majoritatea primelor masini cu aburi produ¬ceau o miscare alternativa (de "du-te-vino") prin intermediul pistoanelor care se deplasau in cilindri. Aceasta miscare a putut apoi sa fie transformata in miscare rotativa prin mijloace mecanice.
Turbinele cu aburi produc miscarea rotativa nemijlocit prin forta aburilor. Mai multi inven¬tatori au experimentat cu turbine cu aburi in anii 1800, insa abia in anul 1884 a aparut un model eficient si manevrabil, inventat de ingine¬rul englez Charles Parsons. La cativa ani de la inventie turbinele Parsons erau folosite la pro¬pulsarea vaselor si actionarea generatoarelor.
Transformarea energiei
Masinile cu aburi si turbinele transforma caldu¬ra in energie. La ambele caldura produsa de combustibil este folosita la fierberea apei, obtinandu-se un volum de aburi de 1.600 de ori mai mare, iar aburii comprimati provoaca miscare. La motoarele cu piston, aburii se dilata intr-un cilindru, impingand un piston. La turbinele cu aburi, aburii care se dilata actioneaza rotoare. In ambele cazuri, aburii pierd energie termica.
Masinile cu aburi si turbinele sunt exemple de motoare cu ardere externa, deoarece caldura se aplica in afara sectorului de lucru, de obicei prin combustie - arderea combustibililor. Aburii sunt creati in fierbatoare prin arderea petrolului sau a carbunilor. In centralele nucleare caldura este produsa prin reactii nucleare.
Dubla actiune
La o masina cu aburi simpla presiunea aburilor este exercitata asupra unui capat al cilindrului pentru a-l pune in miscare. Insa la majoritatea masinilor cu aburi, ambele capete ale pistonu¬lui sunt folosite pentru a produce forta meca¬nica. Aburii sunt intai admisi la un capat al pistonului, impingandu-l inainte. Apoi ei sunt admisi la celalalt capat al pistonului, impin¬gandu-l din nou inapoi. De aceea asemenea motoare se spune ca sunt cu dubla actiune.
Sirul de procese incepe atunci cand aburii sunt admisi la un capat al cilindrului printr-un canal de admisiune. Apoi canalul de admisiune se inchide, iar aburii se dilata impingand pistonul in jos prin cilindru. Dupa aceea aburii sunt admisi la celalalt capat al pistonu¬lui, impingandu-l inapoi prin cilindru. Aburii din primul capat ies printr-un canal de evacua¬re. Aburii sunt admisi alternativ la fiecare ca¬pat al pistonului, iar celalalt capat este conec¬tat automat la canalul sau teava de evacuare.
La majoritatea masinilor cu aburi pentru fie¬care piston intregul proces este controlat de o singura supapa in forma literei D. Aceasta alu¬neca inainte si inapoi pentru a face legaturile cu canalele de admisiune si de evacuare a abu¬rilor. Unele masini mai mari cu aburi au supa¬pe separate pentru fiecare capat al pistonului.
Manivele
Miscarea de "du-te-vino" a pistonului este transformata in miscare rotativa prin interme¬diul unei biele de racordare si al unei manivele. Manivela este un brat atasat la un volant greu, iar biela de racordare face legatura intre manivela si piston, sau o biela atasata la un piston. Pe masura ce pistonul se deplaseaza inainte si inapoi, manivela se invarte si volan¬tul uniformizeaza forta de rasucire produsa.
Cand aburii dintr-un cilindru se dilata, temperatura lor scade. Un efect similar putem observa la folosirea unei cutii cu aerosol. Dilatarea gazului propulsor face vaporizatorul sa fie rece la atingere. La o masina elementara cu aburi cu dubla actiune, dilatarea aburilor determina racirea acelui capat al cilindrului unde urmeaza sa fie admisi aburi noi.
Daca aburii sufera o dilatare mare, racirea produsa determina pierderi excesive de caldu¬ra in masina. Aceste pierderi pot fi compen¬sate arzandu-se mai mult combustibil, insa aceasta reduce eficacitatea masinii. Schim¬barea de temperatura poate fi redusa prin limi¬tarea presiunii vaporilor admisi in cilindru, ast¬fel incat sa aiba loc o dilatare mai redusa, insa acest lucru reduce puterea masinii.
Masini cu excitatie mixta
Problema poate fi rezolvata permitandu-se mai intai dilatarea partiala a aburilor intr-un cilindru mic, de mare presiune. Aburii evacu¬ati din acesta sunt apoi trecuti intr-un cilindru mai mare, de presiune scazuta, unde continua dilatarea. Masinile cu aburi care folosesc doi sau mai multi cilindri in acest fel se numesc masini cu excitatie mixta.
Motoarele cu tripla expansiune sunt masini cu excitatie mixta cu cilindri de mare presiune, de presiune medie si de presiune scazuta. Astfel de motoare au fost foarte mult folosite la vase, si unele nave germane aveau motoare cu o a patra faza de expansiune.
Masini cu aburi in echicurent
Masinile cu aburi in echicurent sunt concepute pentru a reduce pierderile de caldura, redu¬cand schimbarile de temperatura in cilindru. Aburii admisi la capetele cilindrului se dilata si sunt evacuati printr-un inel de canale de evacu¬are aflat la mijloc. Astfel cilindrul ramane rela¬tiv fierbinte la capete si mai rece la mijloc, unde se afla in contact cu aburii dilatati. Cilindrul nu este supus la schimbari mari de temperatura, astfel pierderile de caldura sunt minime.
Turbine
Principala parte activa a unei turbine este roto¬rul pe care este montata o garnitura de palete. Rotorul se afla intr-o carcasa prevazuta cu pale¬te fixe pentru dirijarea fluxului aburilor. Rotorul este actionat de aburi aflati sub mare presiune.
Aburii ajung in carcasa turbinei prin ajutaje. Cand aburii sunt eliberati, presiunea lor scade si ei se dilata. Aceasta dilatare determina cres¬terea vitezei lor, care poate intrece de mai multe ori viteza sunetului. De exemplu, dilatarea aburilor de la o presiune de 12 atmos¬fere la o presiune de o jumatate de atmosfera ii da o viteza de aproximativ 1.100 m/s.
Viteza mare, energie mare
Aburii care se deplaseaza cu o viteza atat de mare au si energie foarte mare, care insa nu poate fi cu usurinta transferata in intregime la paletele de rotor ale turbinei. Pentru un trans¬fer maxim de energie de la aburi la turbina, paletele trebuie sa se deplaseze cu jumatatea vitezei aburilor. Acest lucru este adesea greu de obtinut, si o mare parte din energia disponibila poate sa se piarda. O modalitate de a depasi aceasta problema este folosirea mai multor garnituri de palete de turbina, la fiecare garnitura avand loc doar o parte din scaderea totala de presiune. Asemenea turbine sunt cu presiune compusa. Lungimea paletelor creste progresiv de la canalul de admisiune la cel de evacuare pentru a asigura spatiu de dilatare aburilor.
La unele turbine aburii sunt trecuti de la o garnitura de palete mobile la o a doua, si une¬ori la o a treia garnitura, fara sa le fie permisa continuarea dilatarii. Turbinele de acest tip se spune ca sunt cu viteza compusa.
Turbine navale
La unele vase cu aburi o turbina actioneaza un generator de electricitate. Acesta pune in functi¬une un motor electric, care pune in miscare elicea. La alte vase o turbina determina trecerea elicei printr-un set de reductoare. Acestea trans¬forma viteza de rotatie in viteza relativ mica ne¬cesara pentru ca elicea sa functioneze eficient.
Pe navele mari, in locul unui singur rotor de turbina lung, se pot instala una langa cea¬lalta doua rotoare mai scurte, legate la aceeasi sursa de aburi. Astfel se reduce lungimea tota¬la a motorului, iar rotoarele de acest fel se spune ca sunt compuse in cruce.
Centrale energetice
Turbinele imense folosite in centralele ener¬getice actioneaza generatoare de electricitate. Pentru puteri de pana la 300 MW (300.000 kW), un singur sir de rotoare de turbina actio¬neaza un generator. Pentru o putere mai mare, doua rotoare compuse in cruce actioneaza generatoare separate.
Generatoarele din centralele energetice produc curent alternativ (ca). Acest tip de curent isi alterneaza, sau isi schimba directia fluxului de multe ori in fiecare secunda.
Frecventa distributiei
In majoritatea tarilor europene sistemul de distributie a electricitatii furnizeaza curent care efectueaza 50 de cicluri, sau miscari de "du-te-vino" complete in fiecare secunda. Aceasta se numeste frecventa distributiei, si se exprima in 50 hertzi (50 Hz), un hertz fiind o unitate egala cu un ciclu pe secunda.
Frecventa curentului produs depinde de viteza de rotatie a turbinelor si a generatoa¬relor. Pentru a produce curent cu o frecventa de 50 Hz, turbinele trebuie sa se roteasca la 3.000 rpm. In America de Nord frecventa ali¬mentarii de la retea este de 60 Hz, si aceasta se obtine prin rotirea turbinelor la 3.600 rpm.
Unele ceasuri electrice si electronice se ba¬zeaza pe frecventa alimentarii de la retea pen¬tru a functiona cu precizie. Ceasurile electrice alimentate de la retea au motoare a caror viteza este controlata de frecventa. Unele ceasuri elec¬tronice digitale folosesc alimentarea alternativa pentru a produce impulsuri reglate cu precizie pentru a controla viteza cu care functioneaza.
Din acest motiv trebuie sa existe o compen¬satie pentru orice variatie a vitezei turbinei, ast¬fel incat numarul total de cicluri ale curentului produse sa fie corectat cat de repede posibil. De exemplu, daca un generator incetineste, ceasurile alimentate de la retea vor ramane in urma. Insa in scurt timp ele vor arata din nou ora exacta deoarece viteza turbinelor va fi putin marita pentru a se corecta eroarea.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu