蒸汽机

蒸汽机是一个能够将水蒸汽中的动能转换为功的热机，由于其中的燃烧过程在热机外部进行，属于热机中的外燃机。泵、火车头和轮船曾使用蒸汽机驱动。蒸汽机在工业革命中起了基本的作用。它为其他机械提供动力 ，还有它的操作不受地理位置及天气情况影响。 今天的核能发电及火力发电仍使用蒸汽涡轮发动机来将热能转换为电能。蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽膨胀推动活塞做功。世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗于1世纪发明的汽转球，它比工业革命早了二千年，但它只不过是个雏形而已。约1679年法国物理学家丹尼斯·帕潘在观察蒸汽冒出他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。于此同时萨缪尔·莫兰（英语：Samuel Morey）也提出了蒸汽机的主意。1698年托马斯·塞维利（英语：Thomas Savery）、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特改良出早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。早期的蒸汽机使用蒸汽凝结时产生的真空来做功，后来的则使用蒸汽膨胀来做功。最初的真空蒸汽机被用来将矿井里的水抽出来。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝结时造成真空。活塞另一面的空气压力推动活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。第一个巨大的改善是将气缸与凝结缸通过一个阀门分开。瓦特在伯明翰发明了这个改进。这个改进提高了蒸汽机的效率。下一个改进是将阀门的操作自动化。这些早期的真空蒸汽机的效率有限，但它们比较安全，因为它们的压力比较低，在物质发生损坏的情况下机器向内收缩，而不是向外爆炸。它们的效率受外部气压、气缸变形、燃烧和沸腾的效率和凝结能力的限制。理论最高效率受水在普通大气压下比较低的沸腾温度限制。使用高温高压的蒸汽为蒸汽机的效率带来了巨大的提高。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故。安全阀在这里带来了很大的改进，在压力过高的情况下安全阀放气减压。但真正保证安全只有依靠建造、运行和维护的经验和安全规则。锅炉分两种：高压蒸汽机引擎有多种造型，但最主要的是往复活塞和汽轮机。带压蒸汽技发明后，下一个重要的改进是使用双动活塞，带压蒸汽在一个汽缸压力降低到普通大气压或在其凝结过程中可以推动另一个汽缸。大多数往复式引擎今天使用这个技术。汽缸完全封闭来防止蒸汽逃散。一根滑杆通过一根摇臂轴（英语：Rocker arm）和曲臂（英语：Crank (mechanism)）将往复运动转换为旋转运动。另一个曲臂和轴承用来控制阀门。假如两个双动活塞同时使用，一般它们的曲臂相正好差90度，这样一个引擎在任何时候都做功。另一种蒸汽机由多个直径不断增大的单动汽缸组成。一般由三个汽缸组成。称为三胀式蒸汽机。从锅炉出来的高压蒸汽首先推动第一个和最小的一个活塞（蒸汽首先在高压气缸做功）。当这个活塞开始回退时一部分扩张的蒸气被驱入第二个汽缸推动它的活塞（高压缸排出的蒸汽在中压气缸继续做功），这样继续使用在第一个汽缸膨胀的蒸汽。第三个汽缸则使用在第二个汽缸中膨胀的蒸汽（中压缸排出的蒸汽在低压气缸继续做功）。这些分级做功的方式是为了更加有效的利用蒸汽的内能。因蒸汽流量不变，后两级随蒸汽压力减小气缸越来越大，对最后一级有时人们也使用两个小一些的气缸并联来取代最大的气缸，而保持总容积相同，以便于制造和安放。这种蒸汽机尤其对海上的轮船非常重要，因为它的蒸汽经三个汽缸做功后不断减压，蒸气温度更低，更易冷凝然后以液态重新泵入锅炉加热。海上的轮船必须节约用水，因为它可能很长时间无法补充水，而陆上的蒸汽机则可以不断加水。一直到第二次世界大战大多数商船都使用这种蒸汽机。1905年以前所有的战舰也使用这种蒸汽机。它的总体效率较单胀式高，但后面两个中、低压气缸体积递增，使整台设备更为庞大，自重更重，功率密度降低，因此仅限于船用和固定的工业用途。另一种往复式蒸汽机是单流蒸汽机。在这些蒸汽机中阀门由凸轮来控制。汽缸容积最小时入汽阀门打开。然后入汽阀门关闭，蒸汽膨胀。汽缸容积最大时汽缸侧面的排气阀门打开。这些排气口与凝结腔相连，它们使汽缸内的压力降低到大气压以下。轴承的惯性使活塞重新向上运动。单流蒸汽机总是组成蒸汽机组一起运行。单流蒸汽机入气口和出气口的温度恒定，不像其它蒸汽机那样不断变化。高压汽轮机由一系列带有螺旋桨式的桨叶的转盘组成。这些旋轮与不动的定轮交替，定轮的作用是导引气流的方向。这样的蒸汽机比往复蒸汽机要平稳。其名称又叫做蒸气透平，主要作为发电机用的原动机。旋转蒸汽机是一种比较新的蒸汽机设计。比如螺杆膨胀机。蒸汽机中有锅炉及其他压力容器，因此有许多潜在的安全性问题。过去蒸汽泄漏及锅炉爆炸（英语：Boiler_explosion）曾造成许多的伤亡。在不同的国家有许多的标准，借由严格的法令、测试、训练、生产、使用及认证来确保其安全性。其失效模式有：蒸汽设备一般有两套独立的机制来确保锅炉内的压力不致过高，第一套可以由使用者调整，第二套则是最后的失效安全装置。这类的安全阀一般是用一个简单的杠杆连接到锅炉上的泄压阀，另一端杠杆连接重物或是弹簧，以控制锅炉内的压力，若压力大于控制值，泄压阀就会打开。早期泄压阀可以由蒸汽机的操作员调整，因此当工程师为了让蒸汽机产生更多能量而将调整阀门，允许更大的压力，因此造成许多事故。最近的安全阀使用一个可调整的弹簧-负载阀，但是平常是锁住不允许调整的，因此操作员无法直接调整安全阀，在运作上也比较安全操作。锅炉的顶盖板可能会有铅制的保险丝插塞（英语：fusible plug），若锅炉水位下降，锅炉顶盖板的温度会上升，少量蒸汽会漏出，警告操作员，操作员可能需要手动灭火。不过除了最小型的锅炉外，蒸汽漏出对于减少火势的帮助不大。而插塞的面积一般也没有大到可以使蒸气压力明显下降的程度。假如插塞的面积再扩大，漏出的蒸汽就有可能会危害操作员。1769年尼古拉·约瑟夫·居纽首次用他的“蒸汽车”展示了自动的蒸汽车的可行性。这辆车可以说是第一辆汽车。这辆车作为运输工具不太有用，但用来拖农具却很不错。一直到20世纪初蒸汽机汽车依然可以与其它驱动方式的汽车抗衡。今天大多数汽车是用内燃机驱动的。蒸汽机汽车最大的缺点是它至少需要30秒钟时间来获得足够的压力。世界上第一列蒸汽机火车是1804年2月21日理查德·特拉维斯克在威尔士展示的。现代蒸汽机的最大的优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能，比最初的蒸气机转换效率提升许多。不像内燃机那样对其燃料很挑剔。此外没有蒸汽机的话原子能难以低成本地被使用。原子反应堆既不直接产生机械能、电能，原子反应堆实际上只是产生热并加热水，水沸腾后产生的蒸汽通过蒸汽机来转化为有用的功。蒸汽不一定需要通过燃烧来产生，比如使用太阳能聚热器也可以产生蒸汽推动蒸汽机。另一种有类似优点的小巧的外燃机是斯特林发动机。其缺点是它在许多情况下难以运行。现代的混合动力汽车就是为了弥补这个缺点而设计的。尤其在高山上蒸汽机机车的优点显著，因为它们也可以在比较低的气压下运行。当南美洲将用柴油-电力机车取代它们的蒸汽机车后这一点就被发现了。在高山上他们不得不使用功率比较高的柴油机车。在瑞士和奥地利新的齿轨铁路使用现代的蒸汽机，这些蒸汽机只需要一个人来运行，比起过去的蒸汽机它节省60%的燃料，比起电力机和柴油机它轻50%，因此对齿轨的磨损小得多。在日内瓦湖上也有一艘新的蒸汽机船，它是世界上第一艘遥控的蒸汽机船。朗肯循环是蒸汽机的基本热力学循环，其中用到了在简易发电设备中常用的元件，并且用到了水的相变化（将水煮沸产生水蒸汽，将水蒸汽冷凝产生液态水）来实现热和功的转换。热能由外界加入此封闭工质回路中，废热会由冷凝器排出。几乎所有的发电应用都是使用朗肯循环。在1990年代，世界上约90%的电力是由朗肯循环产生的，几乎包括了所有使用太阳热能、生质能、火力、核能的发电厂。朗肯循环得名自苏格兰的博学家威廉·约翰·麦夸恩·兰金。以前量测蒸汽机的效率是用“duty”来计算，duty的概念最早是由瓦特引进，为了要描述他蒸汽机的效率比纽科门蒸汽机效率提升了多少效率。duty是燃烧一蒲式耳（约94磅）的煤可以输出多少英尺-磅（英语：foot-pounds）的功。纽科门蒸汽机最好的duty约有七百万，但大部分只有五百万。瓦特最早的低压蒸汽机设计是可以提供到最多二千五百万的duty，但平均只有一千七百万，即使如此，就已经是纽科门蒸汽机的三倍。瓦特的高压蒸汽机早期可以提升到六千五百万的duty。现在蒸汽机的效率定义为蒸汽机产生的机械功除以燃烧燃料产生能量之间的比值。根据热力学第二定律，任何纯热机的效率无法超过卡诺循环的效率。而卡诺循环的效率与循环中的温差有关。因此蒸汽机的蒸汽温度越高（过热蒸汽），而其做功后蒸汽温度越低，其温差越大，它的效率就越高。蒸汽机用的朗肯循环，其热效率又被工作流体所限制。若压力没有超过工作流体的临界压力，兰金循环可以运作的温度范围其实很小。在蒸汽机中，因为考虑不锈钢的潜变限制，蒸汽入口处的温度只能高到565°C，而冷凝器的温度约为30度，其理论的卡诺效率约为63%，但现代燃煤的火力发电厂效率只到42%。由于其入口温度低于燃气涡轮发动机的温度，也使得兰金循环常是气机-蒸汽联合循环中的最后一级循环。实际上一个将使用后的蒸汽直接排入大气的蒸汽机（包括锅炉）的效率可以达到5%，加上冷凝器效率可以提高到25%或更好。一个使用废气加热的发电站可以达到30%的效率。首先让燃气推动一个燃气轮机后再进入锅炉的装置可以达到60%的效率。热电联产装置利用余热供暖，综合热效率可达90%。降级效率的原因之一是冷凝器的温度比周围温度高。通过使用热交换器使用余热来预热空气可以降低这个损失。蒸汽机不一定需要蒸汽来操作，任何高压气可以用来操作蒸汽机。有时人们用高压气来操作小的模型来测试一个新型式的可行性。