Höyrykonedit
Katso myös: höyrykone#hyötysuhde Katso myös: aikajana höyryvoima
Mäntämoottorimedit
höyrykoneet ja Turbiinit toimivat Rankine-syklillä, jonka Carnot-hyötysuhde on enintään 63% käytännön Moottoreille, höyryturbiinivoimalaitosten saavuttaessa hyötysuhteen 40%: n puolivälissä.
höyrykoneiden hyötysuhde riippuu ensisijaisesti höyryn lämpötilasta ja paineesta sekä vaiheiden tai laajennusten määrästä. Höyrykoneen hyötysuhde parani toimintaperiaatteiden keksimisen myötä, mikä johti termodynamiikan tieteen kehittymiseen. Katso kaavio: höyrykoneen hyötysuhde
varhaisimmissa höyrykoneissa kattila katsottiin osaksi moottoria. Nykyään niitä pidetään erillisinä, joten on tarpeen tietää, onko ilmoitettu tehokkuus on yleistä, joka sisältää kattilan, tai vain Moottorin.
varhaisten höyrykoneiden hyötysuhteen ja tehon vertailu on vaikeaa monestakin syystä: 1) kivihiilen vakalle ei ollut vakiopainoa, joka voisi olla missä tahansa 82-96 paunaa (37-44 kg). 2) kivihiilelle ei ollut standardilämmitysarvoa, eikä lämmitysarvoa todennäköisesti pystytä mittaamaan. Hiilillä oli paljon suurempi lämmitysarvo kuin nykyisillä höyryhiilillä, joskus mainitaan 13 500 BTU/Pauna (31 megajoulea/kg). 3) hyötysuhde raportoitiin nimellä ”duty”, eli kuinka monta jalkakiloa (tai newtonmetriä) työnostovettä tuotettiin, mutta mekaanista pumppaustehoa ei tiedetä.
Thomas Newcomenin vuoden 1710 tienoilla kehittämä ensimmäinen mäntähöyrykone oli hieman yli puoli prosenttia (0,5%) tehokas. Se toimi höyryllä, joka oli lähellä ilmanpainetta, jota kuorma veti sylinteriin, minkä jälkeen se tiivistyi suihkuttamalla kylmää vettä höyryllä täytettyyn sylinteriin aiheuttaen sylinteriin osittaisen tyhjiön ja ilmakehän paineen ajamaan männän alas. Sylinterin käyttäminen astiana, jossa höyry tiivistyy, myös jäähdytti sylinteriä niin, että osa seuraavan kierron sisään tulevan höyryn lämmityksestä menetettiin sylinterin lämmittämisessä, mikä heikensi lämpötehoa. John Smeatonin Newcomenin moottoriin tekemät parannukset nostivat hyötysuhteen yli prosenttiin.
James Watt teki Newcomenin moottoriin useita parannuksia, joista merkittävin oli ulkoinen lauhdutin, joka esti jäähdytysvettä jäähdyttämästä sylinteriä. Wattin moottori toimi höyryllä hieman ilmanpaineen yläpuolella. Wattin parannukset lisäsivät tehokkuutta yli 2,5: llä.Yleisen mekaanisen kyvyn puute, mukaan lukien taitavat mekaniikka, työstökoneet ja valmistusmenetelmät, rajoitti varsinaisten moottoreiden tehokkuutta ja niiden suunnittelua noin vuoteen 1840 asti.
Korkeapainemoottorit kehitti Oliver Evans ja itsenäisesti Richard Trevithick. Nämä moottorit eivät olleet kovin tehokkaita, mutta niiden teho-painosuhde oli suuri, joten niitä voitiin käyttää vetureiden ja veneiden voimanlähteenä.
keskipakoisohjain, jota watti oli ensin käyttänyt Vakionopeuden ylläpitämiseen, toimi kuristamalla sisääntulohöyryä, mikä alensi painetta, minkä seurauksena korkean (ilmakehän) paineen moottoreiden hyötysuhde heikkeni. Myöhemmät ohjausmenetelmät vähensivät tai poistivat tämän painehäviön.
Corlissin höyrykoneen parannettu valvomismekanismi (patentoitu. 1849) pystyi paremmin säätämään nopeutta vaihtelevilla kuormilla ja lisäämään tehokkuutta noin 30%. Corliss-moottorissa oli erilliset venttiilit ja otsakkeet Tulo-ja poistohöyrylle, joten kuuma syöttöhöyry ei koskaan koskettanut jäähdyttimen poistoportteja ja valvomista. Venttiilit olivat nopeatoimisia, mikä vähensi höyryn kuristamista ja nopeutti reagointia. Kuristusventtiilin sijaan säätimellä säädettiin venttiilin ajoitusta niin, että vaihteleva höyrykatkos saatiin pois. Muuttuva katkaisu aiheutti suuren osan Corliss-moottorin hyötysuhteen kasvusta.
muilla Corlissia edeltäneillä oli ainakin osa tästä ideasta, mukaan lukien Zachariah Allen, joka patentoi variable cut offin, mutta kysynnän puute, lisääntynyt hinta ja monimutkaisuus sekä huonosti kehittynyt työstötekniikka viivästyttivät käyttöönottoa Corlissiin asti.
Porter-Allen high speed engine (n. 1862) toimi kolmesta viiteen kertaa nopeammalla nopeudella kuin muut samankokoiset moottorit. Suurempi nopeus minimoi tiivistymisen määrän sylinterissä, mikä lisäsi tehokkuutta.
Yhdistelmämoottorit paransivat tehokkuutta entisestään. 1870-luvulle tultaessa laivoissa käytettiin kolmoislaajennusmoottoreita. Yhdistelmämoottoreiden ansiosta Laivat pystyivät kuljettamaan vähemmän hiiltä kuin rahti. Yhdistelmämoottoreita käytettiin joissakin vetureissa, mutta niitä ei otettu laajalti käyttöön niiden mekaanisen monimutkaisuuden vuoksi.
erittäin hyvin suunniteltu ja rakennettu höyryveturi sai aikoinaan noin 7-8 prosentin hyötysuhteen. Tehokkain edestakaisin höyrykoneen suunnittelu (per vaihe) oli uniflow moottori, mutta kun se ilmestyi höyry oli syrjäyttänyt dieselmoottorit, jotka olivat vieläkin tehokkaampia ja oli etu vaati vähemmän työvoimaa hiilen käsittely ja öljy, on tiheämpi polttoaine, syrjäytti vähemmän rahtia.
1940-luvun alussa kerätyillä tilastoilla Santa Fe Railroad mittasi höyryveturikalustonsa tehokkuutta verrattuna FT-yksiköihin, joita he olivat juuri ottamassa käyttöön merkittäviä määriä. He määrittivät, että tonnin höyrykoneissa käytetyn polttoöljyn hinta oli 5,04 dollaria ja tuottivat keskimäärin 20,37 junamailia järjestelmän leveydellä. Dieselpolttoaine maksoi 11,61 dollaria, mutta tuotti 133,13 junamailia tonnilta. Dieselit kulkivat kuusi kertaa niin pitkälle kuin höyrylaivat, jotka käyttivät polttoainetta, joka maksoi vain kaksi kertaa enemmän. Tämä johtui dieselmoottoreiden huomattavasti paremmasta lämpötehokkuudesta verrattuna höyryyn. Persumably junat käytetään milage standardi oli 4000 tonnia rahti koostuu, joka oli normaali tannage l (sic) tuolloin.
– Jim Valle, ” How efficient is a steam engine?”
höyryturbiini
höyryturbiini on tehokkain höyrykone ja tästä syystä sitä käytetään yleisesti sähköntuotantoon. Höyryn laajeneminen turbiinissa on lähes jatkuvaa, mikä tekee turbiinista verrattavissa hyvin suureen määrään laajenemisvaiheita. Kriittisessä pisteessä toimivien höyryvoimaloiden hyötysuhde on alhainen 40%. Turbiinit tuottavat suoraa pyörimisliikettä ja ovat paljon kompaktimpia ja painavat paljon vähemmän kuin mäntämoottorit, ja niitä voidaan ohjata hyvin vakionopeudella. Höyryturbiini toimii kaasuturbiinin tapaan tehokkaimmin täydellä teholla ja huonosti hitaammilla nopeuksilla. Tästä syystä höyryturbiineja on niiden suuresta teho-painosuhteesta huolimatta käytetty pääasiassa sovelluksissa, joissa niitä voidaan käyttää vakionopeudella. VAIHTOVIRTASÄHKÖTUOTANNOSSA on tarpeen ylläpitää erittäin tasaista turbiinin nopeutta oikean taajuuden ylläpitämiseksi.
Stirling enginesEdit
Stirlingin syklimoottorilla on korkein teoreettinen hyötysuhde kuin millään termisellä moottorilla, mutta sen teho-painosuhde on pieni, joten käytännön kokoiset Stirlingin moottorit ovat yleensä suuria. Stirling-Moottorin kokovaikutus johtuu siitä, että se luottaa kaasun laajenemiseen lämpötilan noustessa ja moottorin osien käyttölämpötilan käytännön rajoituksiin. Ideaalikaasun absoluuttisen lämpötilan lisääminen tietylle tilavuudelle lisää vain sen painetta suhteessa, joten jos Stirling-Moottorin matalapaine on ilmakehässä, sen käytännön paine-eroa rajoittavat lämpötilarajat ja se on tyypillisesti enintään pari ilmakehää, jolloin Stirling-Moottorin männänpaineet ovat hyvin alhaiset, joten suhteellisen suuria mäntäalueita tarvitaan hyödyllisen lähtötehon saamiseksi.