Steam engineEdit
Siehe auch: Dampfmaschine#Effizienz Siehe auch: Zeitleiste der Dampfleistung
Piston engineEdit
Dampfmaschinen und Turbinen arbeiten nach dem Rankine-Zyklus, der für praktische Motoren einen maximalen Carnot-Wirkungsgrad von 63% aufweist, wobei Dampfturbinenkraftwerke einen Wirkungsgrad im mittleren Bereich von 40% erreichen können.
Der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen hängt in erster Linie von der Dampftemperatur und dem Dampfdruck sowie der Anzahl der Stufen oder Erweiterungen ab. Die Effizienz der Dampfmaschine verbesserte sich, als die Funktionsprinzipien entdeckt wurden, was zur Entwicklung der Wissenschaft der Thermodynamik führte. Siehe Grafik:Dampfmaschineneffizienz
In den frühesten Dampfmaschinen wurde der Kessel als Teil des Motors betrachtet. Heute sind sie getrennt betrachtet, so ist es notwendig zu wissen, ob die Effizienz insgesamt ist, die den Kessel enthält, oder nur des Motors.
Vergleiche von Wirkungsgrad und Leistung der frühen Dampfmaschinen sind aus mehreren Gründen schwierig: 1) es gab kein Standardgewicht für einen Scheffel Kohle, das zwischen 82 und 96 Pfund (37 bis 44 kg) liegen konnte. 2) Es gab keinen Standardheizwert für Kohle und wahrscheinlich keine Möglichkeit, den Heizwert zu messen. Die Kohlen hatten einen viel höheren Heizwert als die heutigen Dampfkohlen, wobei manchmal 13.500 BTU / Pfund (31 Megajoule / kg) erwähnt wurden. 3) Effizienz wurde als „Pflicht“ gemeldet, was bedeutet, wie viele Fuß Pfund (oder Newtonmeter) Arbeit Heben Wasser produziert wurden, aber die mechanische Pumpleistung ist nicht bekannt.Die erste Kolbendampfmaschine, die um 1710 von Thomas Newcomen entwickelt wurde, war etwas mehr als ein halbes Prozent (0,5%) effizient. Es arbeitete mit Dampf bei nahezu atmosphärischem Druck, der von der Last in den Zylinder gezogen und dann durch einen Strahl kalten Wassers in den mit Dampf gefüllten Zylinder kondensiert wurde, wodurch ein Unterdruck im Zylinder und der Druck der Atmosphäre den Kolben antreiben. Die Verwendung des Zylinders als Behälter zum Kondensieren des Dampfes kühlte auch den Zylinder ab, so dass ein Teil der Wärme im einströmenden Dampf beim nächsten Zyklus beim Erwärmen des Zylinders verloren ging, wodurch der thermische Wirkungsgrad verringert wurde. Verbesserungen von John Smeaton am Newcomen-Motor erhöhten den Wirkungsgrad auf über 1%.James Watt hat mehrere Verbesserungen am Newcomen-Motor vorgenommen, von denen der wichtigste der externe Kondensator war, der verhinderte, dass das Kühlwasser den Zylinder kühlte. Watt’s Motor arbeitete mit Dampf bei etwas über Atmosphärendruck. Die Verbesserungen von Watt erhöhten die Effizienz um einen Faktor von über 2,5.Der Mangel an allgemeinen mechanischen Fähigkeiten, einschließlich qualifizierter Mechaniker, Werkzeugmaschinen und Herstellungsmethoden, beschränkte die Effizienz der tatsächlichen Motoren und ihres Designs bis etwa 1840.
Motoren mit höherem Druck wurden von Oliver Evans und unabhängig von Richard Trevithick entwickelt. Diese Motoren waren nicht sehr effizient, hatten aber ein hohes Leistungsgewicht, so dass sie zum Antrieb von Lokomotiven und Booten verwendet werden konnten.
Der Zentrifugalregler, der zuerst von Watt verwendet worden war, um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, drosselte den Einlassdampf, wodurch der Druck gesenkt wurde, was zu einem Effizienzverlust bei den Motoren mit hohem (über atmosphärischem) Druck führte. Spätere Regelverfahren reduzierten oder beseitigten diesen Druckverlust.
Der verbesserte Ventilmechanismus der Corliss-Dampfmaschine (Patentiert. 1849) konnte die Geschwindigkeit bei variierender Last besser einstellen und den Wirkungsgrad um etwa 30% steigern. Der Corliss-Motor hatte separate Ventile und Sockel für den Einlass- und Auslassdampf, so dass der heiße Speisedampf niemals die kühleren Auslassöffnungen und Ventile berührte. Die Ventile waren schnell wirkend, was die Drosselung des Dampfes verringerte und zu einer schnelleren Reaktion führte. Anstatt ein Drosselventil zu betätigen, wurde der Regler verwendet, um die Ventilsteuerung so einzustellen, dass ein variabler Dampf abgeschaltet wird. Die variable Abschaltung war für einen Großteil der Effizienzsteigerung des Corliss-Motors verantwortlich.Andere vor Corliss hatten zumindest einen Teil dieser Idee, einschließlich Zachariah Allen, der variable Cut Off patentierte, aber mangelnde Nachfrage, erhöhte Kosten und Komplexität und schlecht entwickelte Bearbeitungstechnologie verzögerten die Einführung bis Corliss.
Der Porter-Allen Hochgeschwindigkeitsmotor (ca. 1862) arbeitete mit der drei- bis fünffachen Geschwindigkeit anderer Motoren ähnlicher Größe. Die höhere Drehzahl minimierte die Kondensationsmenge im Zylinder, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad führte.
Compound-Motoren führten zu weiteren Effizienzsteigerungen. In den 1870er Jahren wurden dreifache Expansionsmotoren auf Schiffen verwendet. Zusammengesetzte Motoren ermöglichten es Schiffen, weniger Kohle als Fracht zu transportieren. Bei einigen Lokomotiven wurden Verbundmotoren verwendet, die jedoch aufgrund ihrer mechanischen Komplexität nicht weit verbreitet waren.
Eine sehr gut konstruierte und gebaute Dampflokomotive hatte in ihrer Blütezeit einen Wirkungsgrad von 7-8%. Das effizienteste Kolbendampfmaschinendesign (pro Stufe) war der Uniflow-Motor, aber zu dem Zeitpunkt, als es erschien, wurde Dampf durch Dieselmotoren verdrängt, die noch effizienter waren und den Vorteil hatten, dass sie weniger Arbeit für den Kohleumschlag benötigten und Öl, ein dichterer Brennstoff, verdrängte weniger Fracht.
Anhand von Statistiken, die in den frühen 1940er Jahren gesammelt wurden, maß die Santa Fe Railroad die Effizienz ihrer Flotte von Dampflokomotiven im Vergleich zu den FT-Einheiten, die sie gerade in bedeutender Zahl in Dienst stellten. Sie stellten fest, dass die Kosten für eine Tonne Ölkraftstoff, der in Dampfmaschinen verwendet wurde, 5,04 US-Dollar betrugen und im Durchschnitt 20,37 Zugmeilen systemweit ergaben. Dieselkraftstoff kostete 11,61 US-Dollar, produzierte aber 133,13 Zugmeilen pro Tonne. In der Tat liefen Diesel sechsmal so weit wie Dampfer, die Kraftstoff verwendeten, der nur doppelt so viel kostete. Dies war auf den viel besseren thermischen Wirkungsgrad von Dieselmotoren im Vergleich zu Dampf zurückzuführen. Persumably waren die Züge, die als Kilometerstandard benutzt wurden, 4.000 Tonnen Fracht, die die normale Gerbung l (sic) zu dieser Zeit war.Jim Valle: „Wie effizient ist eine Dampfmaschine?“
Dampfturbineedit
Die Dampfturbine ist die effizienteste Dampfmaschine und wird aus diesem Grund universell zur Stromerzeugung eingesetzt. Die Dampfausdehnung in einer Turbine ist nahezu kontinuierlich, was eine Turbine mit einer sehr großen Anzahl von Expansionsstufen vergleichbar macht. Dampfkraftwerke, die am kritischen Punkt arbeiten, haben Wirkungsgrade im niedrigen 40% -Bereich. Turbinen erzeugen eine direkte Drehbewegung und sind viel kompakter und wiegen weit weniger als Kolbenmotoren und können auf eine sehr konstante Geschwindigkeit gesteuert werden. Wie bei der Gasturbine arbeitet die Dampfturbine bei voller Leistung am effizientesten und bei langsameren Drehzahlen am schlechtesten. Aus diesem Grund werden Dampfturbinen trotz ihres hohen Leistungs-Gewichts-Verhältnisses vor allem dort eingesetzt, wo sie mit konstanter Drehzahl betrieben werden können. Bei der Wechselstromerzeugung ist die Aufrechterhaltung einer extrem konstanten Turbinendrehzahl erforderlich, um die korrekte Frequenz aufrechtzuerhalten.
Stirlingmotorenbearbeiten
Der Stirling-Zyklusmotor hat den höchsten theoretischen Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschinen, hat jedoch ein geringes Verhältnis von Ausgangsleistung zu Gewicht. Der Größeneffekt des Stirlingmotors beruht auf seiner Abhängigkeit von der Expansion eines Gases mit einem Temperaturanstieg und praktischen Grenzen für die Arbeitstemperatur von Motorkomponenten. Für ein ideales Gas erhöht die Erhöhung seiner absoluten Temperatur für ein gegebenes Volumen nur seinen Druck proportional, daher ist, wo der niedrige Druck des Stirlingmotors atmosphärisch ist, seine praktische Druckdifferenz durch Temperaturgrenzen eingeschränkt und beträgt typischerweise nicht mehr als ein paar Atmosphären, wodurch die Kolbendrücke des Stirlingmotors sehr niedrig sind, daher sind relativ große Kolbenflächen erforderlich, um eine nützliche Ausgangsleistung zu erhalten.