Gőzgép - Steam engine

A gőzmozdony egy hőerőgép , amely elvégzi a mechanikai munka segítségével gőz , mint a munkaközeg . A gőzgép a gőznyomás által kifejtett erőt használja a dugattyú előre -hátra tolására a hengerben. Ennek a nyomásnak lehet alakítani, egy hajtókar és a lendkerék , a forgási erő munkája . A "gőzgép" kifejezést általában csak az előzőekben leírt dugattyús motorokra alkalmazzák , a gőzturbinára nem . A gőzgépek külső égésű motorok , ahol a munkafolyadékot elválasztják az égéstermékektől. A folyamat elemzéséhez használt ideális termodinamikai ciklust Rankine -ciklusnak nevezik . Általános használatban a gőzgép kifejezés akár teljes gőztelepekre (beleértve a kazánokat stb.) Is vonatkozhat , például vasúti gőzmozdonyokra és hordozható motorokra , vagy utalhat egyedül a dugattyús vagy turbinás gépekre, mint például a gerendamotor és az álló gőz motor .

Bár a gőzhajtású eszközöket már az io . Eipilipilben ismerték a Kr . U. Első században, néhány egyéb felhasználást a 16. és 17. században jegyeztek fel, Thomas Savery- t tartják az első, kereskedelemben használt gőzüzemű készülék, a gőzszivattyú feltalálójának. hogy közvetlenül a vízen működő gőznyomást használt. Thomas Newcomen 1712 -ben fejlesztette ki az első kereskedelmileg sikeres motort, amely képes folyamatos energiát továbbítani egy gépre . James Watt kritikus javulást ért el azzal, hogy az elhasznált gőzt egy külön edénybe vezette le a kondenzáció érdekében, és jelentősen javította az elfogyasztott üzemanyag -egységre jutó munka mennyiségét. A 19. századra álló gőzgépek hajtották az ipari forradalom gyárait . Gőzgépek helyébe vitorlák hajó a lapát gőzhajók és gőzmozdonyok működött a vasút.

A dugattyús dugattyús gőzgépek voltak a domináns energiaforrás a 20. század elejéig, amikor az elektromos motorok és a belső égésű motorok tervezésének előrehaladása a gőzgépek kereskedelmi használatban történő fokozatos cseréjét eredményezte. A gőzturbinák felváltották a dugattyús motorokat az energiatermelésben, az alacsonyabb költségek, a nagyobb működési sebesség és a nagyobb hatékonyság miatt.

Történelem

Korai kísérletek

Az első rögzített kezdetleges gőzüzemű "motor" az aeolipile volt, amelyet Alexandriai Hero , görög matematikus és mérnök írt le római Egyiptomban a Kr. U. A következő évszázadokban az a néhány ismert gőzüzemű "motor", mint az aeolipile, lényegében kísérleti eszköz, amelyet a feltalálók használtak a gőz tulajdonságainak bemutatására. Egy kezdetleges gőzturbina- berendezést Taqi al-Din írt le az oszmán Egyiptomban 1551-ben és Giovanni Branca Olaszországban 1629-ben. A spanyol feltaláló, Jerónimo de Ayanz y Beaumont 1606-ban szabadalmat kapott 50 gőzüzemű találmány számára, köztük egy vízszivattyút. elárasztott bányák elvezetése. Denis Papin , hugenotta , 1679 -ben hasznos munkát végzett a gőz -emésztő berendezésen, és először egy dugattyút használt a súlyemeléshez 1690 -ben.

Szivattyúzó motorok

Az első kereskedelmi gőzhajtású készülék egy vízszivattyú volt, amelyet Thomas Savery fejlesztett ki 1698-ban . Kondenzációs gőzzel vákuumot hozott létre, amely alulról vizet emelt, majd gőznyomással magasabbra emelte. A kis motorok hatékonyak voltak, bár a nagyobb modellek problémákat okoztak. Nagyon korlátozott emelési magassággal rendelkeztek, és hajlamosak voltak a kazánrobbanásokra . Savery motorját bányákban, szivattyútelepeken és a textilipari gépeket tápláló vízkerekek vízellátásában használták . Savery motorja olcsó volt. A Bento de Moura Portugália a Savery konstrukciójának javítását vezette be, hogy "képes legyen működni", amint azt John Smeaton leírta az 1751 -ben közzétett filozófiai tranzakciókban. A gyártás a 18. század végéig folytatódott. Legalább egy motorról még 1820 -ban tudtak működni.

Dugattyús gőzgépek

Az első kereskedelmileg sikeres motor, amely folyamatos teljesítményt tudott átadni egy gépnek, az atmoszférikus motor volt , amelyet Thomas Newcomen talált fel 1712 körül. Javult a Savery gőzszivattyúján, a Papin által javasolt dugattyú segítségével. A Newcomen motorja viszonylag nem volt hatékony, és leginkább vízszivattyúzásra használták. Úgy működött, hogy részleges vákuumot hozott létre gőz kondenzálásával egy hengerben lévő dugattyú alatt. A bányamunkák hagyományos módszerekkel eredetileg kivitelezhetetlen mélységben történő leeresztésére, valamint újrafelhasználható víz biztosítására használták a vízkerekek meghajtására a megfelelő „fejtől” elhelyezett gyárakban. A kerék felett áthaladó vizet a kerék feletti tárolótartályba pumpálták fel. 1780 -ban James Pickard szabadalmaztatta egy lendkerék és forgattyús tengely használatát a továbbfejlesztett Newcomen motor forgó mozgásának biztosítására.

1720-ban Jacob Leupold leírt egy kéthengeres nagynyomású gőzgépet. A találmányt "Theatri Machinarum Hydraulicarum" című nagy művében tették közzé. A motor két nehéz dugattyút használt a vízszivattyú mozgásának biztosítására. Minden dugattyút a gőznyomás felemelt, és a gravitáció hatására visszatért eredeti helyzetébe. A két dugattyúnak közös négyirányú forgószelepe volt, közvetlenül egy gőzkazánhoz csatlakoztatva.

A következő nagy lépés akkor történt, amikor James Watt kifejlesztett (1763–1775) a Newcomen motorjának továbbfejlesztett változatát , külön kondenzátorral . Boulton és Watt korai motorjai feleannyi szenet használtak fel, mint John Smeaton Newcomen javított változata. A Newcomen és Watt korai motorjai "légköri "ek voltak. A légnyomás hajtotta őket, és a duzzadó dugattyút a kondenzációs gőz által keltett részleges vákuumba nyomta, a táguló gőz nyomása helyett . A motorhengereknek nagyoknak kellett lenniük, mert az egyetlen használható erő, amely rájuk hatott, a légköri nyomás volt .

Watt továbbfejlesztette motorját, módosítva azt, hogy a gépek vezetéséhez megfelelő forgó mozgást biztosítson. Ez lehetővé tette a gyárak eltávolítását a folyóktól, és felgyorsította az ipari forradalom ütemét.

Nagynyomású motorok

A nagynyomás jelentése és a környezeti érték feletti tényleges érték függ attól a korszaktól, amelyben ezt a kifejezést használták. A Van Reimsdijk kifejezés korai használatára utal, hogy a gőz kellően magas nyomáson van ahhoz, hogy a légkörbe kerülhessen anélkül, hogy vákuumra lenne szüksége ahhoz, hogy hasznos munkát végezzen. Ewing 1894 , p. A 22 azt állítja, hogy a Watt kondenzációs motorjai akkoriban alacsony nyomásúak voltak, mint az azonos időszak magas nyomású, nem kondenzációs motorjai.

Watt szabadalma megakadályozta, hogy mások nagynyomású és összetett motorokat gyártsanak. Nem sokkal azután, hogy Watt szabadalma 1800-ban lejárt, Richard Trevithick és külön-külön Oliver Evans 1801-ben nagynyomású gőzt használó motorokat vezetett be; Trevithick 1802-ben szerezte meg nagynyomású motor szabadalmát, és Evans korábban több működő modellt készített. Ezek egy adott hengerméretnél sokkal erősebbek voltak, mint a korábbi motorok, és elég kicsik is lehetnek a szállítási alkalmazásokhoz. Ezt követően a technológiai fejlődés és a gyártási technikák fejlesztései (részben a gőzgép áramforrásként való alkalmazása miatt) hatékonyabb motorokat terveztek, amelyek a tervezett alkalmazástól függően lehetnek kisebbek, gyorsabbak vagy erősebbek.

A Cornish motort Trevithick és mások fejlesztették ki az 1810 -es években. Ez egy összetett ciklusú motor volt, amely nagynyomású gőzt használt kiterjedten, majd kondenzálta az alacsony nyomású gőzt, így viszonylag hatékony. A cornwalli motor szabálytalan mozgással és nyomatékkal rendelkezett a ciklusban, főleg a szivattyúzásra korlátozva. A korni motorokat a 19. század végéig bányákban és vízellátásban használták.

Vízszintesen álló motor

A helyhez kötött gőzgépek korai építői úgy vélték, hogy a vízszintes hengerek túlzottan kopnak. Motorjaikat ezért a dugattyútengely függőleges helyzetben helyezte el. Idővel a vízszintes elrendezés népszerűbbé vált, lehetővé téve a kompakt, de erőteljes motorok felszerelését kisebb helyiségekben.

A vízszintes motor hegye az 1849-ben szabadalmaztatott Corliss gőzgép volt, amely négy szelepes ellenáramú motor volt, külön gőz- és kipufogószelepekkel, valamint automatikus változtatható gőzmegszakítóval. Amikor Corliss megkapta a Rumford -érmet , a bizottság azt mondta, hogy "Watt korától fogva egyetlen találmány sem növelte ennyire a gőzgép hatékonyságát". Amellett, hogy 30% -kal kevesebb gőzt használt, egyenletesebb sebességet biztosított a változó gőzmegszakítás miatt, így kiválóan alkalmas gyártásra, különösen pamutfonásra.

Közúti járművek

Az első kísérleti közúti gőzhajtású járműveket a 18. század végén építették, de csak azután, hogy Richard Trevithick 1800 körül kifejlesztette a nagynyomású gőz használatát, a mobil gőzgépek gyakorlati javaslattá váltak. A 19. század első felében nagy előrelépés történt a gőzjárművek tervezése terén, és az 1850 -es évekre életképessé vált ezek kereskedelmi alapon történő előállítása. Ezt a fejlődést tompította az a jogszabály, amely korlátozta vagy megtiltotta a gőzhajtású járművek közúti használatát. A járműtechnika fejlesztése az 1860 -as évektől az 1920 -as évekig folytatódott. A gőzös közúti járműveket számos alkalmazáshoz használták. A 20. században a belső égésű motor technológia gyors fejlődése a gőzgép, mint a járművek hajtóerejének kereskedelmi alapon történő megszűnéséhez vezetett, és a második világháború után viszonylag keveset használtak . Ezen járművek nagy részét a rajongók szerezték be megőrzésre, és számos példa létezik még. Az 1960-as években Kaliforniában a légszennyezési problémák rövid ideig érdeklődést váltottak ki a gőzhajtású járművek fejlesztése és tanulmányozása iránt, mint a szennyezés csökkentésének lehetséges eszközei. A gőzrajongók érdeklődésétől, az alkalmi replika járművektől és a kísérleti technológiától eltekintve jelenleg gőzjárművek nem készülnek.

Tengeri hajtóművek

A 19. század vége felé az összetett motorok széles körben elterjedtek. Az összetett motorok egymás után nagyobb hengerekbe szívták ki a gőzt, hogy a nagyobb térfogatot csökkentett nyomáson el tudják fogadni, ezáltal javítva a hatékonyságot. Ezeket a szakaszokat bővítésnek nevezték, a kettős és hármas tágulású motorok gyakoriak voltak, különösen a hajózásban, ahol a hatékonyság fontos volt a szállított szén tömegének csökkentése érdekében. A gőzmotorok a 20. század elejéig továbbra is az erőforrás domináns erőforrásai maradtak, amikor a gőzturbina , az elektromos motorok és a belsőégésű motorok tervezésének előrehaladása fokozatosan a dugattyús gőzgépek cseréjét eredményezte, a hajózással a XX. a gőzturbinára támaszkodva.

Gőzmozdonyok

A gőzgépek fejlődésének előrehaladtával a 18. században különféle kísérletek történtek ezek alkalmazására az utakon és a vasúton. 1784 -ben William Murdoch , skót feltaláló egy gőzös úti mozdonyt épített. A gőzös mozdony korai modelljét John Fitch gőzhajó -úttörő tervezte és gyártotta az Egyesült Államokban, valószínűleg az 1780 -as vagy 1790 -es években. Gőzmozdonya belső lapátos kerekeket használt, amelyeket sínek vagy vágányok vezettek.

Az első teljes körűen működő vasúti gőzmozdonyt Richard Trevithick építette az Egyesült Királyságban, és 1804. február 21-én lezajlott a világ első vasúti utazása, amikor Trevithick névtelen gőzmozdonya vonatot húzott a villamospályán a Pen-y-darrenből vasmű közelében Merthyr Tydfil a Abercynon dél Wales . A tervezés számos fontos újítást tartalmazott, beleértve a nagynyomású gőz használatát, amely csökkentette a motor súlyát és növelte hatékonyságát. Trevithick 1804-ben meglátogatta Newcastle környékét, és az északkelet-angliai vasúti vasutak a gőzmozdonyok kísérletezésének és fejlesztésének vezető központjává váltak.

Trevithick folytatta saját kísérletekben a trió a mozdonyok, amely a végén a Catch Me, aki képes 1808 Csak négy évvel később, a sikeres kéthengeres mozdony Salamanca által Matthew Murray használta a széle Kötöttpályás fogasléces Middleton Railway . 1825 -ben George Stephenson építette a Stocktoni és Darlingtoni Vasúthoz tartozó Locomotiont . Ez volt az első nyilvános gőzvasút a világon, majd 1829 -ben megépítette a Rakétát, amely belépett és megnyerte az Esőháborús próbákat . A Liverpool és a Manchester vasút 1830 -ban nyitotta meg kapuit, kizárólag a gőzerőt használva személy- és tehervonatok számára.

A gőzmozdonyokat egészen a huszadik század végéig gyártották olyan helyeken, mint Kína és a volt Kelet -Németország (ahol a DR 52.80 osztályt gyártották).

Gőzturbinák

Az utolsó jelentősebb fejlődése a gőzgép kialakítása volt a használata a gőz turbinákat kezdve a késő része a 19. században. A gőzturbinák általában hatékonyabbak, mint a dugattyús dugattyús típusú gőzgépek (több száz lóerő feletti teljesítmény esetén), kevesebb mozgó alkatrészük van, és a forgóerőt közvetlenül a hajtórúd -rendszer vagy hasonló eszköz helyett biztosítják . A gőzturbinák gyakorlatilag felváltották a dugattyús motorokat a villamosenergia -termelő állomásokon a 20. század elején, ahol a hatékonyság, a generátorok szolgálatának megfelelő nagyobb fordulatszám és a zökkenőmentes forgás előnyös volt. Ma a legtöbb elektromos energiát gőzturbinák szolgáltatják. Az Egyesült Államokban az elektromos energia 90% -át ilyen módon állítják elő különféle hőforrások felhasználásával. A gőzturbinákat széles körben alkalmazták nagy hajók meghajtására a 20. század nagy részében.

Jelenlegi fejlődés

Bár a dugattyús gőzgép már nincs széles körben elterjedve a kereskedelemben, különböző vállalatok vizsgálják vagy használják ki a motorban rejlő lehetőségeket a belső égésű motorok alternatívájaként. A svédországi Energiprojekt AB vállalat előrelépést tett a gőz erejének kihasználásához szükséges modern anyagok felhasználásában. Az Energiprojekt gőzgépének hatékonysága nagynyomású motoroknál eléri a 27–30% -ot. Ez egylépéses, 5 hengeres motor (vegyület nélkül), túlhevített gőzzel, és kb. 4 kg (8,8 font) gőz / kWh.

Gőzgépek alkatrészei és tartozékai

A gőzüzem két alapvető alkotóeleme: a kazán vagy gőzfejlesztő , és a "motoros egység", amelyet "gőzgépnek" neveznek. A helyhez kötött épületek álló gőzgépeiben a kazán és a motor különálló épületekben lehet, bizonyos távolságra egymástól. Hordozható vagy mobil használatra, például gőzmozdonyokhoz , a kettő együtt van felszerelve.

A széles körben használt dugattyús motor jellemzően öntöttvas hengerből, dugattyúból, hajtórúdból és gerendából, vagy hajtókarból és lendkerékből, valamint egyéb függesztőelemekből állt. A gőzt felváltva egy vagy több szelep szállította és szívta ki. A fordulatszám -szabályozás vagy automatikus volt, szabályozó segítségével, vagy kézi szeleppel. A hengeröntvény gőzellátó és kipufogó nyílásokat tartalmazott.

A kondenzátorral felszerelt motorok külön típusúak, mint a légkörbe kipufogó motorok.

Más összetevők gyakran jelen vannak; szivattyúk (például befecskendező ), amelyek működés közben vizet szolgáltatnak a kazánhoz, kondenzátorok a víz visszavezetéséhez és a párologtatás látens hőjének visszanyeréséhez , valamint túlmelegedők a gőz hőmérsékletének telített gőzpontja fölé emelésére, és különféle mechanizmusok a huzat a tűztérhez. Szén használatakor lánc- vagy csavaros tárolómechanizmus, valamint annak hajtómotorja vagy motorja tartozhat az üzemanyagnak az adagolótartályból (bunker) a tűztérbe történő áthelyezéséhez.

Hőforrás

A víz forralásához és a gőz hőmérsékletének emeléséhez szükséges hő különböző forrásokból származhat, leggyakrabban éghető anyagok égésével, megfelelő levegőellátással zárt térben (pl. Égéstér , tűzhely , kemence ). Abban az esetben, modell vagy játék gőzgépek és néhány teljes körű esetekben a hőforrás lehet egy elektromos fűtőelem .

Kazánok

A kazánok nyomástartó edények, amelyek forrásban lévő vizet tartalmaznak, és olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek a lehető leghatékonyabban továbbítják a hőt a vízbe .

A két leggyakoribb típus:

Vízcsöves kazán

A vizet forró gázzal körülvett csöveken vezetik át.

Tűzcső kazán

A forró gázt vízbe merített csöveken vezetik át, ugyanez a víz a tűzhelyet körülvevő vízköpenyben is kering, és nagy teljesítményű mozdonykazánokban a tűzhelyen lévő csöveken (termikus szifonok és biztonsági keringetők) is áthalad.

A tűzcsöves kazánok voltak a fő típusok a korai nagynyomású gőzöknél (tipikus gőzmozdony-gyakorlat), de a 19. század végén gazdaságosabb vízcsöves kazánok nagymértékben kiszorították őket tengeri meghajtásra és nagyméretű helyhez kötött alkalmazásokra.

Sok kazán megemeli a gőz hőmérsékletét, miután elhagyta a kazán azon részét, ahol a vízzel érintkezik. Ismert, mint a túlhevítés kiderül „ nedves gőz ” a „ túlhevített gőzzel ”. Elkerüli a gőz páralecsapódását a motor hengereiben, és jelentősen nagyobb hatékonyságot biztosít .

Motoros egységek

Egy gőzgépben egy dugattyú, gőzturbina vagy bármely más hasonló mechanikai munkát végző eszköz magas nyomáson és hőmérsékleten gőzt szállít, és alacsonyabb nyomáson és hőmérsékleten gőzt biztosít, a gőzkülönbségből kihasználva. energiát a mechanikai munkák elvégzésére.

Ezeket a "motoros egységeket" önmagukban gyakran "gőzgépeknek" nevezik. A sűrített levegőt vagy más gázokat használó motorok csak olyan részletekben különböznek a gőzgépektől, amelyek a gáz jellegétől függenek, bár a sűrített levegőt a gőzgépekben változtatás nélkül használták.

Hideg mosogató

Mint minden hőmotor esetében, a primer energia nagy részét hulladékhőként kell kibocsátani viszonylag alacsony hőmérsékleten.

A legegyszerűbb hűtőborda a gőzt a környezetbe vezeti. Ezt gyakran használják a gőzmozdonyokon, hogy elkerüljék a kondenzátorok súlyát és tömegét. A felszabaduló gőz egy része a kéményen keresztül szellőzik, hogy növelje a tűzveszteséget, ami nagymértékben növeli a motor teljesítményét, de csökkenti a hatékonyságot.

Néha a motorból származó hulladékhő önmagában is hasznos, és ilyen esetekben nagyon magas összhatékonyság érhető el.

Az állóerőművek gőzgépei felületi kondenzátorokat használnak hűtőbordaként. A kondenzátorokat az óceánokból, folyókból, tavakból származó víz áramlása, és gyakran hűtőtornyok hűtik, amelyek elpárologtatják a vizet, és így biztosítják a hűtési energiát. A keletkező sűrített forró vizet ( kondenzátumot ) ezután visszaszivattyúzzák nyomás alá és visszaküldik a kazánba. A száraz típusú hűtőtorony hasonló az autóradiátorokhoz, és olyan helyeken használják, ahol költséges a víz. A hulladékhőt elpárologtató (nedves) hűtőtornyok is kibocsáthatják, amelyek másodlagos külső vízkört használnak, amely elpárologtatja az áramlás egy részét a levegőbe.

Folyami hajók eredetileg használt jet kondenzátor , amelyben a hideg vizet a folyóból fecskendeznek a gőz a motort. Hűtővíz és kondenzátum keveréke. Míg ezt a tengeri hajókra is alkalmazták, általában néhány nap működés után a kazánt lerakják sóval, csökkentve a teljesítményt és növelve a kazán robbanásának kockázatát. Körülbelül 1834 -től a felszíni kondenzátorok használata a hajókon megszüntette a kazánok szennyeződését és javította a motor hatékonyságát.

Az elpárolgott víz nem használható fel későbbi célokra (kivéve valahol az esőt), míg a folyóvíz újra felhasználható. A gőzölő kazán tápvizét, amelyet tisztán kell tartani, minden esetben el kell különíteni a hűtővíztől vagy a levegőtől.

Vízszivattyú

A legtöbb gőzgép rendelkezik nyomás alatti kazánvíz -ellátással, így azok folyamatosan működhetnek. A közüzemi és ipari kazánok általában többlépcsős centrifugális szivattyúkat használnak ; azonban más típusokat használnak. Az alacsonyabb nyomású kazán tápvízellátásának másik módja az injektor , amely általában a kazánból származó gőzsugarat használ. Az injektorok az 1850 -es években váltak népszerűvé, de már nem használják széles körben, kivéve az olyan alkalmazásokat, mint a gőzmozdonyok. A gőzkazánon keresztül keringő víz nyomása teszi lehetővé, hogy a vizet egy légköri nyomáson jóval 100 ° C (212 ° F) forráspont fölé emelje, és ezáltal növelje a víz hatékonyságát. a gőzciklus.

Felügyelet és ellenőrzés

Biztonsági okokból szinte minden gőzgép fel van szerelve a kazán felügyeletére szolgáló mechanizmusokkal, például nyomásmérővel és egy vízüveggel a vízszint figyelésére.

Sok motorok, helyhez kötött és mobil is fel van szerelve egy kormányzó , hogy szabályozza a sebességet a motor anélkül, hogy az emberi beavatkozás.

A gőzgépek teljesítményének elemzésére a leghasznosabb eszköz a gőzgép mutatója. A korai verziókat 1851 -ben használták, de a legsikeresebb mutatót Charles Richard fejlesztette ki a nagysebességű motorok feltalálójának és gyártójának, Charles Richard, és 1862 -ben mutatták be a londoni kiállításon. ciklus, amely különböző problémák észlelésére és a fejlett lóerő kiszámítására használható. Mérnökök, szerelők és biztosítási ellenőrök rutinszerűen használták. A motorjelző belső égésű motorokon is használható. Lásd az alábbi ábrát az indikátor diagramról ( a Motoros egységek típusa részben).

Kormányzó

A centrifugális kormányzót James Watt 1788 -ban fogadta el gőzgépen való használatra, miután Watt partnere, Boulton meglátta a Boulton & Watt lisztgyár berendezésén . A kormányzó valójában nem tudott beállított sebességet tartani, mert új állandó sebességet feltételezne a terhelés változásaira reagálva. A kormányzó kisebb változásokat is képes volt kezelni, például azokat, amelyeket a kazán hőterhelése okoz. Ezenkívül hajlamos volt az oszcillációra, amikor sebességváltozás történt. Következésképpen a csak ezzel a szabályzóval felszerelt motorok nem voltak alkalmasak állandó sebességet igénylő műveletekre, például pamutfonásra. A kormányzót idővel továbbfejlesztették, és párosuló gőzmegszakítással párosították, a terhelés változására reagáló jó fordulatszám -szabályozás a 19. század vége felé elérhető volt.

A motor konfigurációja

Egyszerű motor

Egyszerű motorban vagy "egyetlen tágulási motorban" a gőz töltése áthalad a teljes tágulási folyamaton egy egyedi hengerben, bár egy egyszerű motor egy vagy több hengert tartalmazhat. Ezután kimerül közvetlenül a légkörbe vagy kondenzátorba. Ahogy a gőz kitágul a nagynyomású motoron áthaladva, annak hőmérséklete csökken, mert nem kerül hő a rendszerbe; ezt adiabatikus tágulásnak nevezik, és azt eredményezi, hogy a gőz magas hőmérsékleten belép a hengerbe, és alacsonyabb hőmérsékleten távozik. Ez a henger minden egyes ütemben felmelegedési és hűtési ciklust okoz, ami a hatástalanság forrása.

A dugattyús gőzgépekben a domináns hatékonyságveszteség a henger kondenzációja és az újrapárolgás. A gőzhenger és a szomszédos fém alkatrészek/nyílások a gőzbevezetés telítettségi hőmérséklete és a kipufogónyomásnak megfelelő telítési hőmérséklet között körülbelül félúton működnek. Amint nagynyomású gőzt engednek be a munkahengerbe, a magas hőmérsékletű gőz nagy része vízcseppként kondenzálódik a fémfelületekre, jelentősen csökkentve a kiterjedt munkához rendelkezésre álló gőzt. Amikor a táguló gőz eléri az alacsony nyomást (különösen a kipufogó löket során), a korábban lerakódott vízcseppek, amelyek éppen a hengerben/nyílásokon belül keletkeztek, most felforrnak (újrapárologtatás), és ez a gőz nem működik tovább a hengerben.

A gőzgép henger tágulási arányának gyakorlati korlátai vannak, mivel a henger felületének növekedése súlyosbítja a henger kondenzációját és az újbóli párolgást. Ez kizárja az elméleti előnyöket, amelyek az egyes hengerek nagy tágulási arányával járnak.

Összetett motorok

Egy módszert az energiaveszteség csökkentésére egy nagyon hosszú hengerre 1804-ben talált ki Arthur Woolf brit mérnök , aki 1805 -ben szabadalmaztatta Woolf nagynyomású összetett motorját . Az összetett motorban a kazánból származó nagynyomású gőz kitágul egy nagynyomású (HP) henger , és ezután belép egy vagy több ezt követő alacsonyabb nyomású (LP) palackok . A gőz teljes kitágulása most több hengerben történik, és az egyes hengereken belüli teljes hőmérséklet -csökkenés jelentősen csökken. Ha a gőzt kisebb hőmérséklettartományú lépésekben (minden hengeren belül) bővíti, a kondenzáció és az újrapárolgási hatékonyság problémája (fent leírtak) csökken. Ez csökkenti a henger fűtésének és hűtésének nagyságát, növelve a motor hatékonyságát. Ha több hengerben állítja be a tágulást, akkor csökkenthetők a nyomatékváltozások. Ahhoz, hogy az alacsonyabb nyomású palackból egyenlő munkát nyerjen, nagyobb palacktérfogatra van szüksége, mivel ez a gőz nagyobb térfogatot foglal el. Ezért a furat és ritkán a löket megnő az alacsony nyomású palackokban, ami nagyobb hengereket eredményez.

A kettős tágulású (általában összetett ) motorok két lépcsőben bővítették a gőzt. A párokat meg lehet ismételni, vagy a nagy, alacsony nyomású palack munkáját fel lehet osztani úgy, hogy az egyik nagynyomású palack kimerül az egyikbe vagy a másikba, így háromhengeres elrendezést kapunk, ahol a henger és a dugattyú átmérője nagyjából megegyezik. tömegeket könnyebb kiegyensúlyozni.

A kéthengeres vegyületeket a következőképpen lehet elrendezni:

• Keresztvegyületek : A hengerek egymás mellett vannak.
• Tandemvegyületek : A hengerek végétől végéig közös hajtórudat hajtanak
• Szögvegyületek : A hengerek V -ben (általában 90 ° -os szögben) vannak elrendezve, és közös forgattyút hajtanak.

A vasúti munkában használt kéthengeres vegyületeknél a dugattyúk a hajtókarokhoz vannak csatlakoztatva, mint egy kéthengeres egyszerűvel, 90 ° -os fázison kívül egymással ( negyedelve ). Amikor a kettős expanziós csoportot duplikálják, négyhengeres vegyületet állítanak elő, a csoporton belüli egyes dugattyúk általában 180 ° -ban kiegyensúlyozottak, a csoportok egymáshoz képest 90 ° -ban vannak beállítva. Az egyik esetben (az első típusú Vauclain-vegyület ) a dugattyúk ugyanabban a fázisban dolgoztak, közös keresztfejet és forgattyút hajtva, ismét 90 ° -ra állítva, mint egy kéthengeres motor esetében. A háromhengeres összetett elrendezésnél az LP hajtókarokat vagy 90 ° -ra, a HP-t 135 ° -ra állították a másik kettőhöz, vagy bizonyos esetekben mindhárom hajtókar 120 ° -ra volt állítva.

A keverés elfogadása gyakori volt ipari egységeknél, közúti hajtóműveknél és szinte egyetemes hajómotoroknál 1880 után; nem volt általánosan népszerű a vasúti mozdonyokban, ahol gyakran bonyolultnak tekintették. Ez részben a zord vasúti működési környezetnek és a terhelésmérő által biztosított korlátozott helynek köszönhető (különösen Nagy -Britanniában, ahol a keverés soha nem volt gyakori, és 1930 után sem alkalmazták). Bár sohasem volt többségben, sok más országban népszerű volt.

Többszörös bővítésű motorok

Logikus kiterjesztése az összetett motornak (fent leírt), hogy a hatékonyság növelése érdekében a bővítést még több szakaszra osztja. Az eredmény a többszörös bővítésű motor . Az ilyen motorok három vagy négy tágulási fokozatot használnak, és hármas-, illetve négyszeres tágulású motoroknak nevezik őket. Ezek a motorok fokozatosan növekvő átmérőjű hengereket használnak. Ezeket a hengereket úgy tervezték, hogy egyenlő részekre osszák fel a munkát minden bővítési szakaszban. A kettős tágulású motorhoz hasonlóan, ha a hely prémium, akkor két kisebb henger használható az alacsony nyomású fokozathoz. A többszörös tágulású motoroknál a hengerek jellemzően sorban voltak elrendezve, de számos más formációt is alkalmaztak. A 19. század végén a Yarrow-Schlick-Tweedy kiegyensúlyozó "rendszert" alkalmazták néhány tengeri hármas tágulású motoron . Az YST motorok az alacsony nyomású tágulási fokozatokat két henger között osztották fel, a motor mindkét végén egyet. Ez lehetővé tette a főtengely kiegyensúlyozottabbá válását, ami simább, gyorsabban reagáló motort eredményezett, kevesebb rezgéssel. Ez tette népszerűvé a négyhengeres hármas tágulású motort a nagy utasszállító bélések (például az olimpiai osztály ) körében, de ezt végül a gyakorlatilag rezgésmentes turbina motor váltotta fel . Megjegyzendő azonban, hogy a második világháborús Liberty hajók hajtására hármas terjeszkedésű, dugattyús gőzgépeket használtak , ami messze a legnagyobb számú egyforma hajó. Több mint 2700 hajót építettek az Egyesült Államokban eredeti brit tervezés alapján.

Ebben a részben a kép egy háromszoros bővítésű motor animációját mutatja. A gőz balról jobbra halad a motoron. Az egyes hengerek szeleptartója a megfelelő henger bal oldalán található.

A szárazföldi gőzgépek gőzüket a légkörbe vezethették, mivel a tápvíz általában könnyen rendelkezésre állt. Az első világháború előtt és alatt a tágulási motor uralta a tengeri alkalmazásokat, ahol a hajók nagy sebessége nem volt elengedhetetlen. Ezt azonban felváltotta a brit találmány szerinti gőzturbina, ahol sebességre volt szükség, például hadihajókban, például a dreadnought csatahajókban és az óceánjárókban . Az 1905-ös HMS  Dreadnought volt az első nagy hadihajó, amely felváltotta a dugattyús motor bevált technológiáját az akkor újszerű gőzturbinával.

A motoros egységek típusai

Dugattyú

A legtöbb dugattyús motorban a gőz megfordítja áramlási irányát minden ütésnél (ellenáram), belépve és kimerítve a henger ugyanazon végéből. A teljes motorciklus a forgattyú forgatását és két dugattyús löketet foglal el; a ciklus négy eseményből is áll - felvétel, tágulás, kipufogó, kompresszió. Ezeket az eseményeket szelepek vezérlik, amelyek gyakran a henger melletti gőzládában működnek ; A szelepek terjeszteni a gőzt a nyitó és záró gőz portok kommunikál a henger végét (ek) és hajtja szelep fogaskerék , amelyek sok fajta.

A legegyszerűbb szelep fogaskerekek rögzített hosszúságú eseményeket adnak a motorciklus során, és gyakran csak egy irányba forgatják a motort. Sokan azonban rendelkeznek egy irányváltó mechanizmussal, amely ezenkívül eszközöket biztosíthat a gőz megtakarításához, mivel a sebesség és a lendület a fokozatosan "lezáró határ " leállításával, vagy inkább a belépési esemény lerövidítésével nő; ez arányosan meghosszabbítja a bővítési időszakot. Mivel azonban egy és ugyanaz a szelep általában mindkét gőzáramot szabályozza, a belépéskor bekövetkező rövid megszakítás hátrányosan befolyásolja a kipufogó- és kompressziós időszakokat, amelyeket ideális esetben mindig állandó értéken kell tartani; ha a kipufogó esemény túl rövid, akkor a kipufogó gőzök összessége nem tudja kiüríteni a hengert, elfojtva azt és túlzott nyomást ( "visszarúgás" ).

Az 1840 -es és 1850 -es években megpróbálták leküzdeni ezt a problémát különféle szabadalmazott szelep fogaskerekekkel, különálló, változtatható határoló tágulási szeleppel a fő tolószelep hátoldalán; utóbbinak általában fix vagy korlátozott határértéke volt. A kombinált beállítás tisztán közelítette az ideális eseményeket, a megnövekedett súrlódás és kopás rovására, és a mechanizmus általában bonyolult volt. A szokásos kompromisszumos megoldás az volt, hogy a lapot a szelep dörzsölő felületeinek meghosszabbításával biztosítják, úgy, hogy átfedjék a bemeneti oldali nyílást, aminek következtében a kipufogóoldal hosszabb ideig nyitva marad a bevezetés lezárása után oldal történt. Ezt a célt azóta általában kielégítőnek tekintik a legtöbb célra, és lehetővé teszi az egyszerűbb Stephenson , Joy és Walschaerts indítványok alkalmazását. A Corliss , majd később a szelepes fogaskerekek külön be- és kipufogószelepekkel rendelkeztek, amelyeket kioldó mechanizmusok vagy bütykök hajtottak meg , hogy az ideális eseményeket biztosítsák; ezeknek a fogaskerekeknek a többsége soha nem járt sikerrel a helyhez kötött piacon kívül, számos más probléma miatt, beleértve a szivárgást és a kényesebb mechanizmusokat.

Tömörítés

Mielőtt a kipufogó fázis teljesen befejeződne, a szelep kipufogó oldala bezárul, és elzárja a kipufogó gőz egy részét a hengerben. Ez határozza meg azt a kompressziós fázist, ahol gőzpárna képződik, amely ellen a dugattyú működik, miközben sebessége gyorsan csökken; ezenkívül kiküszöböli a nyomás- és hőmérsékleti sokkot, amelyet egyébként a nagynyomású gőz hirtelen belépése okozna a következő ciklus elején.

Vezet

A fenti hatások tovább fokozza azáltal, hogy ólom : mint később kiderült, a belső égésű motor , azt találtuk előnyösnek, mivel a késői 1830-as években, hogy előre a felvételi fázisban, így a szelep vezetést úgy, hogy felvételi történik egy kicsit, mielőtt a végén a kipufogási ütemben annak érdekében, hogy kitöltse a hézag térfogat , amely a portok és a henger végeit (nem része a dugattyú-lökettérfogat), mielőtt a gőz kezdi kifejteni erőfeszítést a dugattyú.

Uniflow (vagy szivárgásmentes) motor

Az Uniflow motorok megpróbálják orvosolni a szokásos ellenáramlási ciklusból adódó nehézségeket, amikor minden ütés során a nyílást és a henger falait lehűti az elhaladó kipufogó gőz, míg a melegebb bejövő gőz az energiájának egy részét pazarolja a munka helyreállítására hőfok. Az uniflow célja a hiba kiküszöbölése és a hatékonyság javítása azáltal, hogy minden löket végén egy további nyílást biztosít, amelyet a dugattyú fed le, így a gőz csak egy irányba áramlik. Ezáltal az egyszerűen táguló uniflow motor a klasszikus összetett rendszerek hatékonyságával egyenértékű hatékonyságot biztosít a kiemelkedő részterhelési teljesítmény mellett, és összehasonlítható hatékonysággal a kisebb, ezer lóerő alatti motoroknál. Azonban a hőtágulási gradiens egyhengeres motorok a hengerfal mentén termelnek gyakorlati nehézségeket.

Turbinás motorok

A gőzturbina egy vagy több hajtótengelyre szerelt forgórészből (forgó tárcsa) áll, váltakozva a turbinaházhoz rögzített állórészekkel (statikus tárcsákkal). A forgórészek külső peremén a lapátok légcsavarhoz hasonló elrendezése van. A gőz ezekre a lapátokra hat, és forgó mozgást eredményez. Az állórész egy hasonló, de rögzített lapátsorból áll, amelyek a gőzáramot a következő rotorfokozatra irányítják át. A gőzturbina gyakran kimerül egy vákuumot biztosító felületi kondenzátorba . A gőzturbinák fokozatai általában úgy vannak elrendezve, hogy a maximális potenciális munkát kivonják egy meghatározott gőzsebességből és -nyomásból, ami változó méretű nagy- és alacsony nyomású fokozatok sorozatát eredményezi. A turbinák csak akkor hatékonyak, ha viszonylag nagy sebességgel forognak, ezért általában redukciós fogaskerekekhez vannak csatlakoztatva, hogy alacsonyabb sebességű alkalmazásokat vezessenek be, például hajó propellereit. A nagy villamosenergia -termelő állomások túlnyomó többségében a turbinák redukciós áttétel nélkül, közvetlenül kapcsolódnak a generátorokhoz. A tipikus fordulatszám 3600 fordulat / perc (RPM) az Egyesült Államokban 60 hertzes teljesítmény mellett, és 3000 fordulat / perc Európában és más országokban 50 hertzes villamosenergia -rendszerrel. Az atomenergia -alkalmazásokban a turbinák jellemzően a fordulatszám felével, 1800 RPM és 1500 RPM sebességgel működnek. A turbina rotor is csak akkor képes energiát szolgáltatni, ha egy irányba forog. Ezért hátrameneti fokozatra vagy sebességváltóra van szükség általában ott, ahol az ellenkező irányú teljesítményre van szükség.

A gőzturbinák közvetlen forgóerőt biztosítanak, ezért nincs szükségük összekapcsoló mechanizmusra, hogy az oda -vissza mozgó forgómozgást alakítsák át. Így simább forgóerőt termelnek a kimenő tengelyen. Ez alacsonyabb karbantartási igényt és kisebb kopást jelent az általuk hajtott gépeken, mint egy hasonló dugattyús motor.

A gőzturbinák fő felhasználási területe a villamosenergia -termelés (az 1990 -es években a világ villamosenergia -termelésének mintegy 90% -a gőzturbinák felhasználásával történt), azonban a nagy gázturbinás egységek és a tipikus kombinált ciklusú erőművek közelmúltban elterjedt alkalmazása csökkentette a ezt a százalékot a gőzturbinák 80% -os rendszeréhez. A villamosenergia -termelésben a turbina nagy fordulatszáma jól illeszkedik a modern villamosenergia -generátorok sebességéhez, amelyek jellemzően közvetlenül kapcsolódnak hajtóerőikhez. A tengeri szolgálatban (a Turbinia úttörőjeként ) a redukciós áttétellel rendelkező gőzturbinák (bár a Turbinia közvetlen turbinákkal rendelkezik a hajtóművekhez redukciós sebességváltó nélkül) uralták a nagy hajók meghajtását a 20. század végén, hatékonyabbak (és sokkal kevesebb karbantartást igényelnek) mint a dugattyús gőzgépek. Az elmúlt évtizedekben a dugattyús dízelmotorok és a gázturbinák szinte teljesen kiszorították a gőzhajtást tengeri alkalmazásokhoz.

Gyakorlatilag minden atomerőmű villamos energiát termel a víz melegítésével, hogy gőzt biztosítson, amely meghajtja az elektromos generátorhoz csatlakoztatott turbinát . Az atomenergia-hajtású hajók és tengeralattjárók vagy gőzturbinát használnak közvetlenül a fő meghajtáshoz, a generátorok kiegészítő energiát biztosítanak, vagy pedig turbo-elektromos erőátvitelt alkalmaznak , ahol a gőz turbógenerátor- meghajtást hajt meg villamos motorok meghajtásával. Korlátozott számú gőzturbinás vasúti mozdonyt gyártottak. Néhány nem sűrített közvetlen hajtású mozdony némi sikerrel járt Svédországban a hosszú távú fuvarozási műveletekben és az expressz utasszállításban Nagy-Britanniában , de nem ismétlődtek meg. Máshol, nevezetesen az Egyesült Államokban, fejlettebb, elektromos átvitellel rendelkező terveket építettek kísérletileg, de nem reprodukálták. Kiderült, hogy a gőzturbinák nem voltak ideálisak a vasúti környezethez, és ezek a mozdonyok nem tudták kiszorítani a klasszikus dugattyús gőzgépet úgy, ahogy a modern dízel- és elektromos vontatás tette.

Oszcilláló hengerű gőzgépek

Az oszcilláló hengeres gőzgép az egyszerű tágulási gőzgép egyik változata, amely nem igényel szelepeket a gőz be- és kihajtásához a hengerbe. A szelepek helyett az egész henger meginog, vagy oszcillál, úgy, hogy a hengerben lévő egy vagy több lyuk egybeesik a rögzített portfelületen vagy a forgószerelvényben lévő lyukakkal . Ezeket a hajtóműveket egyszerűsége miatt főleg játékokban és modellekben használják, de teljes méretű működő motorokban is használták, főleg olyan hajókon, ahol kompaktságukat értékelik.

Rotációs gőzgépek

Lehetőség van dugattyú nélküli forgómotoron , például Wankel -motoron alapuló mechanizmus használatára a hagyományos dugattyús gőzgép hengerei és szelephajtása helyett . Sok ilyen motort terveztek James Watt idejétől napjainkig, de viszonylag keveset építettek fel, és még kevesebben mentek mennyiségi gyártásba; további részletekért lásd a cikk alján található linket. A fő probléma a rotorok tömítésének nehézsége, hogy gőzzáróvá tegyék a kopást és a hőtágulást ; az ebből eredő szivárgás nagyon hatástalanná tette őket. A kiterjedt munkavégzés hiánya vagy a levágás szabályozásának bármely eszköze szintén komoly probléma sok ilyen kivitelnél.

Az 1840 -es évekre egyértelmű volt, hogy a koncepciónak veleszületett problémái vannak, és a forgó motorokat némileg gúnyosan kezelték a műszaki sajtóban. Az elektromos áram színre lépése, valamint a dinamó közvetlen, nagy sebességű motorból történő vezetésének nyilvánvaló előnyei azonban az 1880-as és 1890-es években az érdeklődés újjáéledéséhez vezettek, és néhány terv korlátozott sikerrel járt.

A kevés mennyiségben gyártott kivitel közül figyelemre méltó a stockholmi Hult Brothers Rotary Steam Engine Company, és a Beauchamp Tower gömbmotorja . A Tower hajtóműveit a Nagy Keleti Vasút használta világító dinamók meghajtására a mozdonyokon, az Admiralitás pedig a királyi haditengerészet hajóinak dinamóinak hajtására . Ezeket a réses alkalmazásokat végül gőzturbinák váltották fel.

Rakéta típusa

Az aeolipile a gőz felhasználását jelenti a rakéta-reakció elvével , bár nem közvetlen meghajtásra.

A modern időkben korlátozottan alkalmazták a gőzt a rakétákhoz - különösen a rakétaautókhoz. A gőzrakéta úgy működik, hogy egy nyomástartó edényt magas nyomáson forró vízzel töltenek meg, és kinyitják a megfelelő fúvókához vezető szelepet. A nyomásesés azonnal felforralja a víz egy részét, és a gőz egy fúvókán keresztül távozik, ami hajtóerőt hoz létre.

Ferdinand Verbiest kocsiját 1679 -ben aeolipile hajtotta meg.

Biztonság

A gőzgépek kazánokat és más alkatrészeket tartalmaznak, amelyek nyomástartó edények , amelyek nagy potenciális energiát tartalmaznak. A gőzök és a kazánrobbanások (jellemzően BLEVE -k ) okozhatnak és okoztak a múltban nagy életveszélyt. Bár a szabványokban eltérések lehetnek a különböző országokban, a biztonság érdekében szigorú jogi, tesztelési, képzési, gyártási, üzemeltetési és tanúsítási előírásokat alkalmaznak.

A hibamódok a következők lehetnek:

• a kazán túlnyomásos
• elégtelen víz a kazánban, ami túlmelegedést és az edény meghibásodását okozza
• üledék és vízkő felhalmozódása, amelyek helyi forró pontokat okoznak, különösen a szennyezett tápvizet használó folyami csónakokban
• a kazán nyomástartó edényének meghibásodása a nem megfelelő építés vagy karbantartás miatt.
• gőz távozása a csővezetékből/kazánból forrázást okozva

A gőzgépek gyakran két független mechanizmussal rendelkeznek annak biztosítására, hogy a kazánban ne legyen túl magas nyomás; az egyiket a felhasználó állíthatja be, a második jellemzően végső hibamentes. Az ilyen biztonsági szelepek hagyományosan egy egyszerű kart használtak a kazán tetején lévő zárószelep rögzítésére. A kar egyik végén súly vagy rugó volt, amely megakadályozta a szelepet a gőznyomás ellen. A korai szelepeket a motorvezetők állíthatták, ami sok balesethez vezetett, amikor egy vezető leeresztette a szelepet, hogy nagyobb gőznyomást és nagyobb teljesítményt biztosítson a motorból. Az újabb típusú biztonsági szelep állítható rugós szelepet használ, amely úgy van reteszelve, hogy a kezelők nem módosíthatják annak beállítását, hacsak nem tömítenek el szabálytalanul egy tömítést. Ez az elrendezés lényegesen biztonságosabb.

A kazán tűzhelyének koronájában ólom olvadó dugók lehetnek. Ha a vízszint csökken, és így a tűztér koronájának hőmérséklete jelentősen megnő, az ólom megolvad, és a gőz kiszökik, figyelmeztetve a kezelőket, akik ezután manuálisan elfojthatják a tüzet. A legkisebb kazánok kivételével a gőz elvezetése kevés hatással van a tűz csillapítására. A dugók területe is túl kicsi ahhoz, hogy jelentősen csökkentse a gőznyomást, és nyomásmentesítse a kazánt. Ha nagyobbak lennének, a kiszabaduló gőz mennyisége önmagában is veszélyeztetné a személyzetet.

Gőzciklus

A Rankine -ciklus a gőzgép alapvető termodinamikai alapja. A ciklus az alkatrészek elrendezése, amelyet általában az egyszerű áramtermeléshez használnak, és a víz fázisváltását (forrásban lévő víz gőzt termel, kipufogó gőzt kondenzálva, folyékony vizet előállítva) használ fel, hogy praktikus hő- és energiakonverziós rendszert biztosítson. A hőt kívülről egy zárt hurokba szállítják, és a hozzáadott hő egy részét munkára alakítják, és a hulladékhőt kondenzátorban távolítják el. A Rankine -ciklust gyakorlatilag minden gőzenergia -termelő alkalmazásban használják. Az 1990-es években, Rankine gőz ciklus keletkezett mintegy 90% -a az összes elektromos használják szerte a világon, köztük szinte minden nap- , a biomassza , szén és a nukleáris erőművek . Nevét William John Macquorn Rankine skót polihisztorról kapta .

A Rankine -ciklust néha gyakorlati Carnot -ciklusnak is nevezik, mivel hatékony turbina használatakor a TS -diagram kezd hasonlítani a Carnot -ciklusra. A fő különbség az, hogy a hő hozzáadása (a kazánban) és az elutasítás (a kondenzátorban) izobár (állandó nyomás) folyamat a Rankine -ciklusban, és izotermikus (állandó hőmérséklet ) folyamat az elméleti Carnot -ciklusban. Ebben a ciklusban szivattyút használnak a munkafolyadék nyomás alá helyezésére, amelyet a kondenzátorból folyadékként, nem pedig gázként kapnak. A munkafolyadék folyékony formában történő szivattyúzása a ciklus során a szállításhoz szükséges energia kis töredékét igényli ahhoz képest, mint amennyi a munkafolyadék gáznemű kompresszorban történő összenyomásához szükséges (mint a Carnot -ciklusban ). A dugattyús gőzgép ciklusa eltér a turbináktól, mert a hengerben vagy a gőzbevezető csatornákban kondenzáció és újrapárolgás következik be.

A Rankine -ciklusban lévő munkafolyadék zárt hurkú rendszerként működhet, ahol a munkafolyadékot folyamatosan újrahasznosítják, vagy lehet „nyílt hurkú” rendszer, ahol a kipufogógáz közvetlenül a légkörbe kerül, és külön vízforrás. a kazán táplálása biztosított. Általában a víz a választott folyadék kedvező tulajdonságai, például nem mérgező és nem reaktív kémiája, bősége, alacsony költsége és termodinamikai tulajdonságai miatt . A higany a higanygőzturbina munkafolyadéka . Az alacsony forráspontú szénhidrogének bináris ciklusban használhatók .

A gőzgép nagyban hozzájárult a termodinamikai elmélet fejlődéséhez; azonban a tudományos elmélet egyetlen alkalmazása, amely befolyásolta a gőzgépet, a gőz és a légköri nyomás kihasználásának eredeti elképzelései, valamint a hő és gőz tulajdonságainak ismerete volt. A Watt által gőzgépen végzett kísérleti mérések a külön kondenzátor kifejlesztéséhez vezettek. Watt önállóan fedezte fel a látens hőt , amit Joseph Black , az eredeti felfedező is megerősített , aki Wattnak is tanácsot adott a kísérleti eljárásokban. Watt tisztában volt a víz forráspontjának nyomásváltozásával is. Ellenkező esetben a motor fejlesztései inkább mechanikus jellegűek voltak. A Rankine -ciklus termodinamikai koncepciói megadták a mérnököknek a hatékonyság kiszámításához szükséges megértést, ami elősegítette a modern nagynyomású és hőmérsékletű kazánok és a gőzturbina kifejlesztését.

Hatékonyság

A motorkerékpár hatékonyságát úgy lehet kiszámítani, hogy elosztjuk a mechanikus munka által kibocsátott energiát a motor által termelt energiával az égő üzemanyaggal.

A gőzgép energiahatékonyságának történelmi mércéje a "kötelessége" volt. A vám fogalmát először Watt vezette be annak érdekében, hogy szemléltesse, mennyivel hatékonyabbak a hajtóművei a korábbi Newcomen tervekhez képest . Duty száma száj- font a munka által szállított égő egy véka (94 font) szenet. A Newcomen tervek legjobb példáinak kötelessége körülbelül 7 millió volt, de a legtöbb közel volt az 5 millióhoz. A Watt eredeti, alacsony nyomású kivitelei akár 25 milliót is képesek voltak szállítani, de átlagosan körülbelül 17. Ez háromszoros javulás volt az átlagos Newcomen-tervhez képest. A nagynyomású gőzzel felszerelt korai wattos motorok ezt 65 millióra javították.

Egyetlen hőmotor sem lehet hatékonyabb, mint a Carnot-ciklus , amelyben a hőt egy magas hőmérsékletű tartályból egy alacsony hőmérsékletűre szállítják, és a hatékonyság a hőmérsékletkülönbségtől függ. A legnagyobb hatékonyság érdekében a gőzgépeket a lehető legmagasabb gőzhőmérsékleten ( túlhevített gőz ) kell üzemeltetni , és a hulladékhőt a lehető legalacsonyabb hőmérsékleten kell felszabadítani.

A Rankine -ciklus hatékonyságát általában a munkafolyadék korlátozza. Anélkül, hogy a nyomás elérné a munkafolyadék szuperkritikus szintjét, a ciklus működési hőmérsékletének tartománya kicsi; gőzturbinákban a turbinák belépési hőmérséklete jellemzően 565 ° C (a rozsdamentes acél kúszási határa), a kondenzátor hőmérséklete pedig 30 ° C körül van. Ez körülbelül 63% -os elméleti Carnot-hatékonyságot eredményez , szemben a modern széntüzelésű erőmű 42% -os tényleges hatékonyságával. Ez az alacsony turbina belépési hőmérséklet (összehasonlítva egy gázturbinával ), ezért a Rankine-ciklust gyakran használják mélypontként a kombinált ciklusú gázturbinás erőművekben.

A Rankine -ciklus egyik fő előnye másokkal szemben az, hogy a tömörítési szakaszban viszonylag kevés munkára van szükség a szivattyú meghajtásához, mivel a munkafolyadék ekkor folyékony fázisban van. A folyadék sűrítésével a szivattyú által igényelt munka a turbina (vagy a dugattyús motor) teljesítményének csak 1-3% -át emészti fel, és sokkal nagyobb hatékonysághoz járul hozzá egy valódi ciklushoz. Ennek előnye némileg elveszik az alacsonyabb hőadalék -hőmérséklet miatt. A gázturbinák például a turbinák belépési hőmérséklete megközelíti az 1500 ° C -ot. Mindazonáltal a tényleges nagy gőzciklusok és a nagy modern egyszerű ciklusú gázturbinák hatékonysága meglehetősen jól illeszkedik.

A gyakorlatban egy gördülő gőzgép ciklusa, amely a gőzt a légkörbe vezeti, jellemzően 1–10%-os hatékonysággal rendelkezik (a kazánnal együtt), de kondenzátor, Corliss szelepek, többszörös tágulás és magas gőznyomás hozzáadásával. /hőmérséklet, akkor jelentősen javulhat, történelmileg 10-20%tartományba eshet, és nagyon ritkán valamivel magasabbra.

Egy modern, nagy villamos erőmű (több száz megawatt teljesítményű) gőzmelegítéssel , gazdaságosítóval stb. 40% körüli hatékonyságot ér el, a leghatékonyabb egységek megközelítik az 50% -os hőhatást.

Lehetőség van a hulladékhő elkülönítésére is kapcsolt energiatermeléssel , amelyben a hulladékhőt alacsonyabb forráspontú munkafolyadék melegítésére vagy távfűtés hőforrásaként használják telített kisnyomású gőzzel.

• 

  Gőzmozdony - GNR N2 osztály, 1744, Weybourne nr. Sheringham , Norfolk

• 

  A gőzhajtású kerékpár John van de Riet, a Dortmund

• 

  Brit lóvontatású tűzoltóautó gőzhajtású vízpumpával

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások

Hivatkozások

További irodalom

• Thurston, Robert Henry (1878). A gőzgép növekedésének története . A nemzetközi tudományos sorozat. New York: D. Appleton és társasága. OCLC  16507415 .
• Charles Algernon Parsons (1911), The Steam Turbine (1. kiadás), Cambridge: Cambridge University Press , Wikidata  Q19099885(előadás)

Külső linkek

• Animált motorok - Különféle motorokat illusztrál
• Howstuffworks - "Hogyan működnek a gőzgépek"
• Videó az 1900 -as gőzgépről az Unterwalden lapátos gőzös fedélzetén