Dampmaskinrediger
Se også: Dampmaskin # Effektivitet Se også: Tidslinje for dampkraft
Stempelmotor
Dampmaskiner og turbiner opererer På Rankine-syklusen som har en Maksimal Carnoteffektivitet på 63% for praktiske motorer, med dampturbinkraftverk i stand til å oppnå effektivitet i midten av 40% rekkevidde.effektiviteten til dampmaskiner er primært relatert til damptemperatur og trykk og antall trinn eller utvidelser. Dampmotorens effektivitet forbedret etter hvert som driftsprinsippene ble oppdaget, noe som førte til utviklingen av vitenskapen om termodynamikk. Se graf:Dampmotor Effektivitet
i tidligste dampmaskiner kjelen ble ansett som en del av motoren. I dag betraktes de som separate, så det er nødvendig å vite om oppgitt effektivitet er samlet, som inkluderer kjelen, eller bare av motoren.
Sammenligninger av effektivitet og kraft av de tidlige dampmotorer er vanskelig av flere grunner: 1) det var ingen standardvekt for en bushel av kull, som kunne være hvor som helst fra 82 til 96 pounds (37 til 44 kg). 2) det var ingen standard oppvarmingsverdi for kull, og sannsynligvis ingen måte å måle oppvarmingsverdi. Kulene hadde mye høyere oppvarmingsverdi enn dagens dampkull, med 13 500 BTU / pund (31 megajoules / kg) noen ganger nevnt. 3) Effektivitet ble rapportert som «plikt», noe som betyr hvor mange fotpund (eller newton-meter) arbeidsløftevann ble produsert, men den mekaniske pumpeeffektiviteten er ikke kjent.den første stempeldampmaskinen, utviklet av Thomas Newcomen rundt 1710, var litt over en halv prosent (0,5%) effektiv. Den opererte med damp ved nær atmosfærisk trykk trukket inn i sylinderen av lasten, deretter kondensert av en spray av kaldt vann inn i den dampfylte sylinderen, noe som forårsaket et delvis vakuum i sylinderen og atmosfærens trykk for å drive stempelet ned. Ved å bruke sylinderen som fartøyet for å kondensere dampen, kjøles også sylinderen, slik at noe av varmen i den innkommende dampen i neste syklus gikk tapt i oppvarming av sylinderen, noe som reduserte termisk effektivitet. Forbedringer Gjort Av John Smeaton Til Newcomen-motoren økte effektiviteten til over 1%.James Watt gjorde flere forbedringer Av Newcomen-motoren, den mest betydningsfulle av Disse var den eksterne kondensatoren som forhindret kjølevannet i å kjøle ned sylinderen. Watts motor opererte med damp ved litt over atmosfærisk trykk. Watts forbedringer økte effektiviteten med en faktor på over 2,5.Mangelen på generell mekanisk evne, inkludert dyktig mekanikk, maskinverktøy og produksjonsmetoder, begrenset effektiviteten til faktiske motorer og deres design til rundt 1840.Motorer Med Høyere trykk ble utviklet Av Oliver Evans og uavhengig Av Richard Trevithick. Disse motorene var ikke veldig effektiv, men hadde høy effekt-til-vekt-forhold, slik at de kan brukes til å drive lokomotiver og båter.sentrifugalregulatoren, som Først Hadde blitt brukt Av Watt for å opprettholde konstant hastighet, jobbet ved å strupe innløpsdampen, noe som senket trykket, noe som resulterte i tap av effektivitet på de høye (over atmosfæriske) trykkmotorer. Senere kontrollmetoder reduserte eller eliminert dette trykktapet.
den forbedrede ventilmekanismen Til corliss dampmotor (Patentert. 1849) var bedre i stand til å justere hastigheten med varierende belastning og økt effektivitet med ca 30%. Corliss-motoren hadde separate ventiler og hoder for innløps-og eksosdampen, slik at den varme matedampen aldri kontaktet kjølerens eksosporter og ventil. Ventilene var hurtigvirkende, noe som reduserte mengden gasspjeld av dampen og resulterte i raskere respons. I stedet for å operere en gasspjeldventil, ble guvernøren brukt til å justere ventiltimingen for å gi en variabel dampkutt. Variabelen cut off var ansvarlig for en stor del Av effektivitetsøkningen Av Corliss-motoren.Andre før Corliss hadde i det minste en del av denne ideen, Inkludert Zachariah Allen, som patenterte variabel avskåret, men mangel på etterspørsel, økte kostnader og kompleksitet og dårlig utviklet maskineringsteknologi forsinket introduksjonen til Corliss.Porter-Allen høyhastighetsmotor (ca. 1862) opererte fra tre til fem ganger hastigheten til andre lignende motorer. Den høyere hastigheten minimerte mengden kondens i sylinderen, noe som resulterte i økt effektivitet.
Sammensatte motorer ga ytterligere forbedringer i effektiviteten. På 1870-tallet ble det brukt triple ekspansjonsmotorer på skip. Sammensatte motorer tillot skip å bære mindre kull enn frakt. Sammensatte motorer ble brukt på noen lokomotiver, men ble ikke allment vedtatt på grunn av deres mekaniske kompleksitet.
et veldig godt designet og bygget damplokomotiv pleide å få rundt 7-8% effektivitet i sin storhetstid. Den mest effektive stempeldampmotordesignen (per trinn) var uniflow-motoren, men da det så ut til at damp ble fortrengt av dieselmotorer, som var enda mer effektive og hadde fordelen av å kreve mindre arbeid for kullhåndtering og olje, som et mer tett drivstoff, forskjøvet mindre last.
Ved å Bruke statistikk samlet inn tidlig på 1940-tallet, målte Santa Fe Railroad effektiviteten til deres flåte av damplokomotiver i sammenligning med FT-enhetene som de bare satte i bruk i betydelig antall. De bestemte seg for at kostnaden for et tonn oljebrensel brukt i dampmotorer var $ 5,04 og ga 20,37 tog miles system bredt i gjennomsnitt. Dieselbrensel kostet $11,61, men produserte 133,13 tog miles per tonn. I virkeligheten løp dieselbiler seks ganger så langt som dampbåter som brukte drivstoff som koster bare dobbelt så mye. Dette skyldtes den mye bedre termiske effektiviteten til dieselmotorer sammenlignet med damp. Persumably togene som brukes som en kjørelengde standard var 4000 tonn frakt består som var normal tannage l (sic) på den tiden.
— Jim Valle, » Hvor effektiv er en dampmaskin ?»
Dampturbinedit
dampturbinen er den mest effektive dampmaskinen og brukes derfor universelt til elektrisk generering. Damputvidelse i en turbin er nesten kontinuerlig, noe som gjør en turbin sammenlignbar med et meget stort antall ekspansjonstrinn. Dampkraftverk som opererer på det kritiske punktet, har effektivitet i det lave 40% – området. Turbiner produserer direkte roterende bevegelse og er langt mer kompakte og veier langt mindre enn stempelmotorer og kan styres til en svært konstant hastighet. Som tilfellet er med gassturbinen, fungerer dampturbinen mest effektivt ved full effekt, og dårlig ved lavere hastigheter. Av denne grunn, til tross for deres høye effekt / vektforhold, har dampturbiner primært blitt brukt i applikasjoner der de kan kjøres med konstant hastighet. I AC elektrisk generasjon opprettholde en ekstremt konstant turbinhastighet er nødvendig for å opprettholde riktig frekvens.
Stirling-motorenrediger
Stirling-syklusmotoren har den høyeste teoretiske effektiviteten til noen termisk motor, men Den har et lavt utgangseffekt til vektforhold, Derfor Har Stirling-motorer av praktisk størrelse en tendens til å være store. Størrelseseffekten Av Stirling-motoren skyldes at den er avhengig av utvidelse av en gass med en økning i temperatur og praktiske begrensninger på arbeidstemperaturen til motorkomponenter. For en ideell gass, som øker sin absolutte temperatur for et gitt volum, øker bare trykket proporsjonalt, derfor, hvor Lavt trykk I Stirling-motoren er atmosfærisk, er dens praktiske trykkforskjell begrenset av temperaturgrenser og er vanligvis ikke mer enn et par atmosfærer, noe som gjør stempeltrykket til Stirling-motoren svært lavt, derfor er det nødvendig med relativt store stempelområder for å oppnå nyttig utgangseffekt.