蒸汽机如何工作

毫无疑问,现代工业世界崛起的最大单一催化剂是蒸汽机的发展。从最早的泵发动机到最新的蒸汽涡轮机,蒸汽动力的利用推动了现代化。然而,自从近三百年前最早的蒸汽泵开始启动以来,蒸汽动力的基本原理并没有改变。

简单来说,蒸汽机是一种将热能转化为可用机械能的发动机,通常是通过锅炉中的水加热产生蒸汽,蒸汽在气缸中膨胀,驱动往复运动的活塞,反过来又转变为旋转运动,驱动机械的轴或轮。

我们大多数人最熟悉的蒸汽机是为铁路机车提供动力的活塞蒸汽机。水在锅炉中加热产生高压蒸汽,通过阀门将其引入气缸中以推动活塞。与双幕表演通过蒸汽阀,高压蒸汽交替作用在活塞的两侧,驱动活塞前后移动。蒸汽阀由机械阀杆打开和关闭。当一侧活塞被蒸汽压力推动时,另一侧活塞排出废蒸汽。活塞移动连接到称为十字头的水平连杆的活塞杆;这控制了阀杆(记住,允许蒸汽进入气缸的交替端)和移动轮子的驱动杆的运动。为了确保它们一致移动,轮子通过水平连接杆连接在一起。这对我们大多数人来说都是熟悉的画面。但最早的实用蒸汽机要简单得多。

托马斯·纽科门 (Thomas Newcomen) 于 1712 年发明的梁式发动机是蒸汽动力的首次实际应用。然而,它不是通过蒸汽膨胀而是通过冷凝产生能量。蒸汽被引入垂直气缸,迫使活塞上升通过倾斜梁。但为了使活塞向后移动,将水引入汽缸中以冷凝蒸汽并产生部分真空,将活塞向下“吸”,以使横梁向相反方向倾斜。气缸的不断加热和冷却使得该发动机的效率极低;但这只是一个开始。

纽科门设计的首次重大改进是在本世纪后期通过苏格兰工程师詹姆斯·瓦特的工作实现的。瓦特开发了一个单独的冷凝器,使蒸汽在汽缸外冷凝。这意味着气缸始终保持高温,从而显着提高燃油效率。瓦特还推出了“双作用”发动机(如上所述),该发动机在活塞的每个冲程上产生动力,节流阀可以协调发动机的速度,并开始将直线运动转变为圆周运动,从而导致了 19 世纪的爆炸式增长。蒸汽应用。

如今,老式的活塞蒸汽机已被蒸汽涡轮机取代,蒸汽涡轮机的效率明显更高,功率重量比也更高。蒸汽轮机特别适合发电,如今世界上大多数发电机都是由蒸汽轮机驱动的。然而,尽管技术应用极为现代化,人们对蒸汽动力近乎原始的热爱依然强烈。也许是因为我们本能地明白,我们现在生活的世界是通过水和铁的这种简单但革命性的应用建造的。


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