motor cu aburi
Vezi și: motor cu aburi#eficiență Vezi și: cronologia puterii aburului
motor cu Piston
motoarele cu aburi și turbinele funcționează pe ciclul Rankine, care are o eficiență Carnot maximă de 63% pentru motoarele practice, cu centrale electrice cu turbină cu abur capabile să obțină eficiență în intervalul mediu de 40%.
eficiența motoarelor cu aburi este în primul rând legată de temperatura și presiunea aburului și de numărul de trepte sau extinderi. Eficiența motorului cu aburi s-a îmbunătățit odată cu descoperirea principiilor de funcționare, ceea ce a dus la dezvoltarea științei termodinamicii. A se vedea graficul:eficiența motorului cu aburi
în primele motoare cu aburi cazanul a fost considerat parte a motorului. Astăzi sunt considerate separate, deci este necesar să știm dacă eficiența declarată este globală, care include cazanul sau doar motorul.
comparațiile eficienței și puterii motoarelor cu aburi timpurii sunt dificile din mai multe motive: 1) nu a existat o greutate standard pentru un bushel de cărbune, care ar putea fi oriunde de la 82 la 96 de lire sterline (37 la 44 kg). 2) nu a existat nici o valoare standard de încălzire pentru cărbune, și, probabil, nici o modalitate de a măsura valoarea de încălzire. Cărbunii au avut o valoare de încălzire mult mai mare decât cărbunii de abur de astăzi, cu 13.500 BTU/kilogram (31 megajouli/kg) menționați uneori. 3) eficiența a fost raportată ca „datorie”, adică câte kilograme de picioare (sau newton-metri) de apă de ridicare a muncii au fost produse, dar eficiența mecanică de pompare nu este cunoscută.
primul motor cu aburi cu piston, dezvoltat de Thomas Newcomen în jurul anului 1710, a fost puțin peste jumătate la sută (0,5%) eficient. A funcționat cu abur la o presiune atmosferică apropiată atrasă în cilindru de sarcină, apoi condensată printr-un spray de apă rece în cilindrul umplut cu abur, provocând un vid parțial în cilindru și presiunea atmosferei pentru a conduce pistonul în jos. Utilizarea cilindrului ca vas în care să condenseze aburul a răcit și cilindrul, astfel încât o parte din căldura din aburul care intră în ciclul următor s-a pierdut în încălzirea cilindrului, reducând eficiența termică. Îmbunătățirile aduse de John Smeaton motorului Newcomen au crescut eficiența la peste 1%.
James Watt a adus mai multe îmbunătățiri motorului Newcomen, dintre care cel mai semnificativ a fost condensatorul extern, care a împiedicat apa de răcire să răcească cilindrul. Motorul lui Watt funcționa cu abur la puțin peste presiunea atmosferică. Îmbunătățirile lui Watt au crescut eficiența cu un factor de peste 2,5.Lipsa capacității mecanice generale, inclusiv mecanici calificați, mașini-unelte și metode de fabricație, a limitat eficiența motoarelor reale și proiectarea lor până în jurul anului 1840.motoarele cu presiune mai mare au fost dezvoltate de Oliver Evans și independent de Richard Trevithick. Aceste motoare nu erau foarte eficiente, dar aveau un raport mare putere-greutate, permițându-le să fie utilizate pentru alimentarea locomotivelor și a bărcilor.
guvernatorul centrifugal, care a fost folosit pentru prima dată de Watt pentru a menține viteza constantă, a lucrat prin limitarea aburului de intrare, care a redus presiunea, rezultând o pierdere de eficiență a motoarelor cu presiune ridicată (deasupra atmosferei). Metodele de control ulterioare au redus sau au eliminat această pierdere de presiune.
mecanismul de supapă îmbunătățit al motorului cu aburi Corliss (brevetat. 1849) a fost mai capabil să regleze viteza cu sarcină variabilă și a crescut eficiența cu aproximativ 30%. Motorul Corliss avea supape și anteturi separate pentru aburul de intrare și evacuare, astfel încât aburul de alimentare fierbinte nu a contactat niciodată orificiile de evacuare și supapele mai reci. Supapele au acționat rapid, ceea ce a redus cantitatea de accelerare a aburului și a dus la un răspuns mai rapid. În loc să opereze o supapă de limitare, guvernatorul a fost folosit pentru a regla sincronizarea supapei pentru a da o întrerupere variabilă a aburului. Întreruperea variabilă a fost responsabilă pentru o parte majoră a creșterii eficienței motorului Corliss.
alții înainte de Corliss au avut cel puțin o parte din această idee, inclusiv Zachariah Allen, care a brevetat variable cut off, dar lipsa cererii, creșterea costurilor și complexității și tehnologia de prelucrare slab dezvoltată au întârziat introducerea până la Corliss.
motorul de mare viteză Porter-Allen (cca. 1862) a funcționat la de trei până la cinci ori viteza altor motoare de dimensiuni similare. Viteza mai mare a minimizat cantitatea de condens din cilindru, rezultând o eficiență sporită.
motoarele compuse au oferit îmbunătățiri suplimentare ale eficienței. În anii 1870, motoarele cu expansiune triplă erau utilizate pe Nave. Motoarele compuse permiteau navelor să transporte mai puțin cărbune decât transportul de marfă. Motoarele compuse au fost utilizate pe unele locomotive, dar nu au fost adoptate pe scară largă din cauza complexității lor mecanice.
o locomotivă cu aburi foarte bine proiectată și construită, folosită pentru a obține o eficiență de aproximativ 7-8% în perioada de glorie. Cel mai eficient design alternativ al motorului cu aburi (pe etapă) a fost motorul uniflow, dar până când a apărut aburul era deplasat de motoarele diesel, care erau și mai eficiente și aveau avantajul de a necesita mai puțină forță de muncă pentru manipularea cărbunelui și a petrolului, fiind un combustibil mai dens, a deplasat mai puțină încărcătură.
folosind statistici colectate la începutul anilor 1940, Calea Ferată Santa Fe a măsurat eficiența flotei lor de locomotive cu aburi în comparație cu unitățile FT pe care tocmai le puneau în funcțiune în număr semnificativ. Ei au stabilit că costul unei tone de combustibil petrolier utilizat în motoarele cu aburi a fost de 5,04 USD și a generat în medie 20,37 mile de tren. Combustibilul Diesel a costat 11,61 USD, dar a produs 133,13 mile de tren pe tonă. De fapt, dieselurile au funcționat de șase ori mai mult decât vapoarele care utilizează combustibil care costă doar de două ori mai mult. Acest lucru s-a datorat eficienței termice mult mai bune a motoarelor diesel în comparație cu aburul. În mod evident, trenurile utilizate ca standard milage erau de 4.000 de tone de marfă, care era tannage l normal (sic) la acel moment.
— Jim Valle, ” cât de eficient este un motor cu aburi?”
turbină cu Aburedit
turbina cu abur este cel mai eficient motor cu aburi și din acest motiv este utilizat universal pentru generarea electrică. Expansiunea aburului într-o turbină este aproape continuă, ceea ce face ca o turbină să fie comparabilă cu un număr foarte mare de etape de expansiune. Centralele electrice cu abur care funcționează la punctul critic au eficiență în intervalul scăzut de 40%. Turbinele produc mișcare de rotație directă și sunt mult mai compacte și cântăresc mult mai puțin decât motoarele cu piston și pot fi controlate la o viteză foarte constantă. Ca și în cazul turbinei cu gaz, turbina cu abur funcționează cel mai eficient la putere maximă și slab la viteze mai mici. Din acest motiv, în ciuda raportului mare putere / greutate, turbinele cu abur au fost utilizate în principal în aplicații în care pot fi rulate la o viteză constantă. În generarea electrică AC menținerea unei turații extrem de constante a turbinei este necesară pentru a menține frecvența corectă.
motoare Stirling
motorul cu ciclu Stirling are cea mai mare eficiență teoretică a oricărui motor termic, dar are un raport redus putere / greutate, prin urmare motoarele Stirling de dimensiuni practice tind să fie mari. Efectul de dimensiune al motorului Stirling se datorează dependenței sale de expansiunea unui gaz cu o creștere a temperaturii și limite practice ale temperaturii de lucru a componentelor motorului. Pentru un gaz ideal, creșterea temperaturii absolute pentru un volum dat, crește doar presiunea proporțional, prin urmare, acolo unde presiunea scăzută a motorului Stirling este atmosferică, diferența sa practică de presiune este constrânsă de limitele de temperatură și nu este de obicei mai mare de câteva atmosfere, ceea ce face ca presiunile pistonului motorului Stirling să fie foarte scăzute, prin urmare sunt necesare zone relativ mari ale pistonului pentru a obține o putere de ieșire utilă.