Vapore engineEdit
Vedi anche: motore a Vapore#Efficienza energetica Vedi anche: Timeline di vapore potenza
Pistone engineEdit
motori a Vapore e turbine a operare sul ciclo Rankine, che ha un massimo di Carnot, rendimento del 63% per la pratica di motori con turbina a vapore, centrali elettriche in grado di raggiungere l’efficienza nella metà del 40% gamma.
L’efficienza dei motori a vapore è principalmente legata alla temperatura e alla pressione del vapore e al numero di stadi o espansioni. L’efficienza del motore a vapore è migliorata con la scoperta dei principi operativi, che hanno portato allo sviluppo della scienza della termodinamica. Vedi grafico: Efficienza del motore a vapore
Nei primi motori a vapore la caldaia era considerata parte del motore. Oggi sono considerati separati, quindi è necessario sapere se l’efficienza dichiarata è complessiva, che include la caldaia o solo del motore.
Il confronto tra efficienza e potenza dei primi motori a vapore è difficile per diversi motivi: 1) non c’era un peso standard per un moggio di carbone, che poteva essere ovunque da 82 a 96 libbre (da 37 a 44 kg). 2) Non c’era alcun valore di riscaldamento standard per il carbone e probabilmente non c’era modo di misurare il valore di riscaldamento. I carboni avevano un valore di riscaldamento molto più elevato rispetto ai carboni a vapore odierni, con 13.500 BTU/libbra (31 megajoule/kg) a volte menzionati. 3) L’efficienza è stata riportata come “dovere”, ovvero quante libbre di piede (o newton-metri) di acqua di sollevamento del lavoro sono state prodotte, ma l’efficienza di pompaggio meccanica non è nota.
Il primo motore a vapore a pistoni, sviluppato da Thomas Newcomen intorno al 1710, era poco più del mezzo percento (0,5%) efficiente. Funzionava con vapore a pressione atmosferica vicina aspirata nel cilindro dal carico, quindi condensata da uno spruzzo di acqua fredda nel cilindro riempito di vapore, causando un vuoto parziale nel cilindro e la pressione dell’atmosfera per far scendere il pistone. Utilizzando il cilindro come il recipiente in cui condensare il vapore anche raffreddato il cilindro, in modo che parte del calore nel vapore in entrata sul ciclo successivo è stato perso nel riscaldamento del cilindro, riducendo l’efficienza termica. I miglioramenti apportati da John Smeaton al motore Newcomen hanno aumentato l’efficienza a oltre l ‘ 1%.
James Watt apportò diversi miglioramenti al motore Newcomen, il più significativo dei quali era il condensatore esterno, che impediva all’acqua di raffreddamento di raffreddare il cilindro. Il motore di Watt funzionava con vapore leggermente al di sopra della pressione atmosferica. I miglioramenti di Watt hanno aumentato l’efficienza di un fattore superiore a 2,5.La mancanza di abilità meccaniche generali, tra cui meccanica specializzata, macchine utensili e metodi di produzione, limitò l’efficienza dei motori reali e il loro design fino al 1840 circa.
Motori a pressioni più elevate sono stati sviluppati da Oliver Evans e indipendentemente da Richard Trevithick. Questi motori non erano molto efficienti, ma avevano un elevato rapporto potenza-peso, permettendo loro di essere utilizzati per alimentare locomotive e barche.
Il regolatore centrifugo, che era stato utilizzato per la prima volta da Watt per mantenere la velocità costante, funzionava strozzando il vapore in ingresso, che abbassava la pressione, con conseguente perdita di efficienza sui motori ad alta pressione (sopra l’atmosfera). I metodi di controllo successivi hanno ridotto o eliminato questa perdita di pressione.
Il meccanismo di valvola migliorato del motore a vapore Corliss (brevettato. 1849) era meglio in grado di regolare la velocità con carico variabile e una maggiore efficienza di circa il 30%. Il motore Corliss aveva valvole e intestazioni separate per il vapore di ingresso e di scarico in modo che il vapore di alimentazione calda non contattasse mai le porte di scarico e le valvole del dispositivo di raffreddamento. Le valvole erano ad azione rapida, che ha ridotto la quantità di strozzamento del vapore e ha portato a una risposta più rapida. Invece di azionare una valvola di limitazione, il governatore è stato utilizzato per regolare la fasatura della valvola per dare un taglio di vapore variabile. Il taglio variabile era responsabile di una parte importante dell’aumento di efficienza del motore Corliss.
Altri prima di Corliss avevano almeno una parte di questa idea, tra cui Zachariah Allen, che brevettò il taglio variabile, ma la mancanza di domanda, l’aumento dei costi e della complessità e la tecnologia di lavorazione poco sviluppata ritardarono l’introduzione fino a Corliss.
Il motore ad alta velocità Porter-Allen (ca. 1862) funzionava da tre a cinque volte la velocità di altri motori di dimensioni simili. La maggiore velocità ha ridotto al minimo la quantità di condensa nel cilindro, con conseguente aumento dell’efficienza.
I motori composti hanno dato ulteriori miglioramenti nell’efficienza. Nel 1870 i motori a tripla espansione venivano utilizzati sulle navi. I motori composti consentivano alle navi di trasportare meno carbone del trasporto merci. Motori composti sono stati utilizzati su alcune locomotive, ma non sono stati ampiamente adottati a causa della loro complessità meccanica.
Una locomotiva a vapore molto ben progettato e costruito utilizzato per ottenere circa 7-8% di efficienza nel suo periodo di massimo splendore. Il motore a vapore alternativo più efficiente (per stadio) era il motore uniflow, ma quando appariva che il vapore veniva spostato dai motori diesel, che erano ancora più efficienti e avevano il vantaggio di richiedere meno manodopera per la movimentazione del carbone e del petrolio, essendo un combustibile più denso, spostava meno carico.
Utilizzando le statistiche raccolte durante i primi anni 1940, la Santa Fe Railroad misurò l’efficienza della loro flotta di locomotive a vapore rispetto alle unità FT che stavano appena mettendo in servizio in numero significativo. Essi hanno determinato che il costo di una tonnellata di combustibile olio utilizzato nei motori a vapore è stato di $5.04 e ha prodotto 20.37 treno miglia di larghezza del sistema in media. Il carburante diesel costa $11,61 ma ha prodotto 133,13 miglia di treno per tonnellata. In effetti, i diesel correvano sei volte tanto quanto i piroscafi che utilizzavano carburante che costava solo il doppio. Ciò era dovuto alla migliore efficienza termica dei motori diesel rispetto al vapore. Persumably i treni utilizzati come standard milage erano 4.000 tonnellate di merci consiste che era la normale concia l (sic) in quel momento.
— Jim Valle, ” Quanto è efficiente un motore a vapore?”
Turbina a vaporeedit
La turbina a vapore è il motore a vapore più efficiente e per questo motivo è universalmente utilizzata per la generazione elettrica. L’espansione del vapore in una turbina è quasi continua, il che rende una turbina paragonabile a un numero molto elevato di stadi di espansione. Le centrali a vapore che operano nel punto critico hanno efficienze nella gamma bassa del 40%. Le turbine producono un movimento rotatorio diretto e sono molto più compatte e pesano molto meno dei motori alternativi e possono essere controllate a una velocità molto costante. Come nel caso della turbina a gas, la turbina a vapore funziona in modo più efficiente a piena potenza e male a velocità più basse. Per questo motivo, nonostante il loro elevato rapporto potenza / peso, le turbine a vapore sono state utilizzate principalmente in applicazioni in cui possono essere eseguite a velocità costante. Nella generazione elettrica AC è necessario mantenere una velocità della turbina estremamente costante per mantenere la frequenza corretta.
Motori Stirling
Il motore a ciclo Stirling ha la più alta efficienza teorica di qualsiasi motore termico ma ha un basso rapporto potenza / peso, quindi i motori Stirling di dimensioni pratiche tendono ad essere grandi. L’effetto dimensionale del motore Stirling è dovuto alla sua dipendenza dall’espansione di un gas con un aumento della temperatura e limiti pratici sulla temperatura di lavoro dei componenti del motore. Per un gas ideale, aumentando la sua temperatura assoluta per un dato volume, aumenta solo proporzionalmente la sua pressione, quindi, dove la bassa pressione del motore Stirling è atmosferica, la sua differenza di pressione pratica è limitata dai limiti di temperatura e non è tipicamente superiore a un paio di atmosfere, rendendo le pressioni del pistone del motore Stirling molto basse, quindi sono necessarie aree di pistone relativamente grandi per ottenere potenza utile.