gőzgép
Lásd még: gőzgép # hatékonyság Lásd még: a gőzteljesítmény idővonala
dugattyús hajtómű
gőzgépek és turbinák a Rankine cikluson működnek, amelynek maximális Karnot hatékonysága 63% a gyakorlati motorok esetében, a gőzturbinás erőművek képesek a 40% – os tartomány közepén hatékonyságot elérni.
a gőzgépek hatékonysága elsősorban a gőz hőmérsékletével és nyomásával, valamint a fokozatok vagy bővítések számával függ össze. A gőzgép hatékonysága javult, amikor felfedezték a működési elveket, ami a termodinamika tudományának fejlődéséhez vezetett. Lásd a grafikont: gőzgép-hatékonyság
a legkorábbi gőzgépekben a kazánt a motor részének tekintették. Ma különnek tekintik őket, ezért meg kell tudni, hogy a megadott hatékonyság általános-e, amely magában foglalja a kazánt vagy csak a motort.
a korai gőzgépek hatékonyságának és teljesítményének összehasonlítása több okból is nehéz: 1) nem volt szabványos súly a szén véka számára, amely bárhol lehet 82-96 Font (37-44 kg). 2) a szén esetében nem volt szabványos fűtési érték, valószínűleg nem lehetett mérni a fűtési értéket. A szeneknek sokkal magasabb fűtési értéke volt, mint a mai gőzszéneknek, az 13,500 BTU/Font (31 megajoules/kg) néha említették. 3) hatékonyság számoltak be, mint “kötelesség”, ami azt jelenti, hogy hány láb font (vagy newton-méter) munka emelő víz termeltek, de a mechanikai szivattyúzási hatékonyság nem ismert.
Az első dugattyús gőzgép, amelyet Thomas Newcomen fejlesztett ki 1710 körül, valamivel több mint fél százalék (0, 5%) volt hatékony. Gőzzel működött, közel légköri nyomáson, amelyet a terhelés a hengerbe húzott, majd hideg víz spray-vel kondenzált a gőzzel töltött hengerbe, ami részleges vákuumot okozott a hengerben, és a légkör nyomása a dugattyút lefelé vezette. A henger használata, mint a gőz kondenzálására szolgáló edény, szintén lehűtötte a hengert, így a következő ciklusban a bejövő gőzben lévő hő egy része elveszett a henger felmelegedésében, csökkentve a hőhatékonyságot. A John Smeaton által a Newcomen motorra tett fejlesztések több mint 1% – ra növelték a hatékonyságot.
James Watt számos fejlesztést hajtott végre a Newcomen motoron, amelyek közül a legjelentősebb a külső kondenzátor, amely megakadályozta a hűtővíz hűtését a hengeren. Watt motorja gőzzel működött, kissé a légköri nyomás felett. A Watt fejlesztései több mint 2,5-szeresére növelték a hatékonyságot.Az általános mechanikai képesség hiánya, beleértve a képzett mechanikát, szerszámgépeket és gyártási módszereket, 1840-ig korlátozta a tényleges motorok hatékonyságát és tervezését.
a nagyobb nyomású motorokat Oliver Evans és Richard Trevithick fejlesztette ki. Ezek a motorok nem voltak túl hatékonyak, de nagy teljesítmény-súly arányúak voltak, lehetővé téve számukra, hogy mozdonyok és hajók táplálására használják őket.
a centrifugális kormányzó, amelyet először Watt használt az állandó sebesség fenntartásához, a bemeneti gőz fojtásával dolgozott, amely csökkentette a nyomást, ami a magas (légköri feletti) nyomású motorok hatékonyságának elvesztését eredményezte. A későbbi ellenőrzési módszerek csökkentették vagy megszüntették ezt a nyomásvesztést.
a Corliss gőzgép továbbfejlesztett szelepmechanizmusa (szabadalmaztatott. 1849) jobban tudta beállítani a sebességet változó terheléssel, a hatékonyság pedig körülbelül 30% – kal nőtt. A Corliss motornak külön szelepei és fejlécei voltak a bemeneti és a kipufogógáz számára, így a forró betápláló gőz soha nem került érintkezésbe a hűtő kipufogónyílásaival és a szelepekkel. A szelepek gyorsan működtek, ami csökkentette a gőz fojtásának mennyiségét, és gyorsabb reagálást eredményezett. A fojtószelep működtetése helyett a kormányzót a szelep időzítésének beállítására használták, hogy a változó gőzt levágják. A cut off változó felelős volt a Corliss motor hatékonyságának növelésének jelentős részéért.
mások előtt Corliss volt legalább egy része ennek az ötletnek, beleértve Zachariah Allen, aki szabadalmaztatott változó levágta, de a kereslet hiánya, a megnövekedett költségek és a komplexitás és a rosszul fejlett megmunkálási technológia késleltetett bevezetése, amíg Corliss.
A Porter-Allen nagysebességű motor (kb. 1862) más hasonló méretű motorok sebességének három-ötszörösével működött. A nagyobb sebesség minimalizálta a kondenzáció mennyiségét a hengerben, ami nagyobb hatékonyságot eredményezett.
az összetett motorok tovább javították a hatékonyságot. Az 1870-es évekre hármas bővítő motorokat használtak hajókon. Az összetett motorok lehetővé tették a hajók számára, hogy kevesebb szenet szállítsanak, mint a teherszállítás. Néhány mozdonyon összetett motorokat használtak, de mechanikai összetettségük miatt nem voltak széles körben elfogadva.
egy nagyon jól megtervezett és épített gőzmozdony, amely 7-8% – os hatékonyságot ért el fénykorában. A leghatékonyabb dugattyús gőzgép design (per szakasz) volt, a uniflow motor, de mire megjelent a steam az volt, hogy elmozdult által dízelmotorok, amelyek még hatékonyabb volt az előnye igénylő kevesebb munkaerő szén kezelése, valamint az olaj, hogy egy sűrűbb üzemanyag, hontalan kevesebb, rakomány.
az 1940-es évek elején összegyűjtött statisztikák alapján a Santa Fe vasút mérte gőzmozdony-flottájuk hatékonyságát az éppen üzembe helyezett FT egységekhez képest jelentős számban. Megállapították, hogy a gőzgépekben használt egy tonna olaj üzemanyag ára 5,04 dollár volt, és átlagosan 20,37 kilométer volt. A dízel üzemanyag 11,61 dollárba került, de tonnánként 133,13 vonat mérföldet termelt. Valójában a dízelek hatszor futottak, mint a gőzösök, amelyek csak kétszer annyit költenek. Ennek oka a dízelmotorok sokkal jobb hőhatékonysága volt a gőzhöz képest. Tartósan a milage szabványként használt vonatok 4000 tonnás áruszállítást tartalmaztak, amely akkoriban a normál tannage l (sic) volt.
– Jim Valle, ” mennyire hatékony a gőzgép?”
Steam turbineEdit
a gőzturbina a leghatékonyabb gőzgép, ezért általánosan használják az elektromos generációhoz. A turbina gőzbővülése szinte folyamatos,ami a turbinát nagyon sok tágulási szakaszhoz hasonlítja. A kritikus ponton működő gőzerőművek hatékonysága az alacsony 40% – os tartományban van. A turbinák közvetlen forgómozgást produkálnak, sokkal kompaktabbak és súlyuk jóval kisebb, mint a dugattyús motoroké, és nagyon állandó sebességgel vezérelhetők. Mint a gázturbina esetében, a gőzturbina a leghatékonyabban működik teljes teljesítmény mellett, rosszul lassabb sebességgel. Ezért a nagy teljesítmény-súly arány ellenére a gőzturbinákat elsősorban olyan alkalmazásokban használják, ahol állandó sebességgel futtathatók. A váltakozó áramú elektromos generációban rendkívül állandó turbina sebesség fenntartása szükséges a megfelelő frekvencia fenntartásához.
Stirling motorokszerkesztés
a Stirling ciklusú motor a legnagyobb elméleti hatékonysággal rendelkezik minden hőmotorhoz, de alacsony kimeneti teljesítmény / súly arány, ezért a gyakorlati méretű Stirling motorok általában nagyok. A Stirling motor mérethatása annak köszönhető, hogy a hőmérséklet emelkedésével, valamint a motoralkatrészek üzemi hőmérsékletének gyakorlati korlátozásával függ a gáz tágulásától. Az ideális gáz, növelve annak abszolút hőmérséklet egy adott mennyiség, az csak növeli a nyomást arányosan, ezért, ahol az alacsony nyomás a Stirling motor légköri, a gyakorlati nyomás különbség az, hogy korlátozza a hőmérséklet határértékek általában nem több, mint egy pár légkör, így a dugattyú nyomás a Stirling motor nagyon alacsony, ezért viszonylag nagy dugattyús területeken szükséges ahhoz, hogy hasznos kimeneti teljesítmény.