Stoommachineedit
zie ook: Stoommachinee # efficiëntie zie ook: tijdlijn van stoomkracht
Zuigermachineedit
stoommachines en turbines werken op de Rankinecyclus die een maximaal Carnot-rendement heeft van 63% voor praktische motoren, met stoomturbinecentrales die een rendement kunnen bereiken in het midden van 40%.
het rendement van stoommachines hangt voornamelijk samen met de stoomtemperatuur en-druk en het aantal fasen of uitbreidingen. De efficiëntie van de stoommachine verbeterde naarmate de werkingsprincipes werden ontdekt, wat leidde tot de ontwikkeling van de wetenschap van de thermodynamica. Zie grafiek:Stoommachineefficiëntie
In de vroegste stoommachines werd de ketel beschouwd als onderdeel van de motor. Vandaag worden ze afzonderlijk beschouwd, dus het is noodzakelijk om te weten of de genoemde efficiëntie is algemeen, die de ketel omvat, of alleen van de motor.
vergelijkingen van het rendement en het vermogen van de vroege stoommachines zijn om verschillende redenen moeilijk: 1) Er was geen standaardgewicht voor een bushel kolen, die tussen de 82 en 96 Pond (37 en 44 kg) kon liggen. 2) Er was geen standaard verwarmingswaarde voor Kolen en waarschijnlijk geen manier om de verwarmingswaarde te meten. De kolen hadden een veel hogere verwarmingswaarde dan de huidige stoomkolen, met soms 13.500 BTU/Pond (31 megajoule/kg) genoemd. 3) efficiëntie werd gerapporteerd als “duty”, wat betekent hoeveel voet pond (of newton-meter) van het werk tillen water werd geproduceerd, maar de mechanische pompen efficiëntie is niet bekend.de eerste zuigerstoommachine, ontwikkeld door Thomas Newcomen rond 1710, was iets meer dan een half procent (0,5%) efficiënt. Het werkte met stoom bij bijna Atmosferische druk getrokken in de cilinder door de lading, vervolgens gecondenseerd door een spray van koud water in de met stoom gevulde cilinder, waardoor een gedeeltelijk vacuüm in de cilinder en de druk van de atmosfeer om de zuiger naar beneden te drijven. Met behulp van de cilinder als het vat waarin de stoom condenseren ook de cilinder gekoeld, zodat een deel van de warmte in de inkomende stoom op de volgende cyclus verloren ging bij het verwarmen van de cilinder, waardoor de thermische efficiëntie. Verbeteringen door John Smeaton aan de Newcomen Motor verhoogde de efficiëntie tot meer dan 1%.
James Watt heeft verschillende verbeteringen aangebracht aan de motor van Newcomen, waarvan de belangrijkste de externe condensor was, waardoor het koelwater de cilinder niet kon koelen. Watts motor werkte met stoom bij iets boven de atmosferische druk. De verbeteringen van Watt verhoogden de efficiëntie met een factor van meer dan 2,5.Het gebrek aan algemene mechanische bekwaamheid, met inbegrip van geschoolde mechanica, werktuigmachines, en productiemethoden, beperkte de efficiëntie van de werkelijke motoren en hun ontwerp tot ongeveer 1840.
hogere druk motoren werden ontwikkeld door Oliver Evans en onafhankelijk van elkaar door Richard Trevithick. Deze motoren waren niet erg efficiënt, maar hadden een hoge vermogen-gewichtsverhouding, waardoor ze konden worden gebruikt voor het aandrijven van locomotieven en boten.
De centrifugaalregelaar, die voor het eerst door Watt werd gebruikt om een constant toerental te handhaven, werkte door de inlaatstoom te smoren, waardoor de druk werd verlaagd, wat resulteerde in een verlies aan efficiëntie bij de motoren met hoge (boven atmosferische) druk. Latere controlemethoden verminderden of elimineerden dit drukverlies.
het verbeterde klepmechanisme van de Corliss stoommachine (gepatenteerd. 1849) was beter in staat om de snelheid aan te passen met wisselende belasting en verhoogde efficiëntie met ongeveer 30%. De Corliss motor had aparte kleppen en headers voor de inlaat en uitlaat stoom dus de hete toevoer stoom nooit contact opgenomen met de koeler uitlaat poorten en valving. De kleppen waren snelwerkend, wat de hoeveelheid throttling van de stoom verminderde en resulteerde in een snellere reactie. In plaats van een gasklep te bedienen, werd de regelaar gebruikt om de kleptiming aan te passen om een variabele stoomafschakeling te geven. De variabele cut off was verantwoordelijk voor een groot deel van de efficiëntieverhoging van de Corliss-Motor.anderen vóór Corliss hadden minstens een deel van dit idee, waaronder Zachariah Allen, die een patent op variable cut off had, maar een gebrek aan vraag, hogere kosten en complexiteit en slecht ontwikkelde bewerkingstechnologie vertraagde de introductie tot Corliss.
De Porter-Allen high speed motor (ca. 1862) werkte met drie tot vijf keer de snelheid van andere motoren van vergelijkbare grootte. De hogere snelheid minimaliseerde de hoeveelheid condensatie in de cilinder, wat resulteerde in een verhoogde efficiëntie.
samengestelde motoren gaven verdere verbeteringen in de efficiëntie. Tegen de jaren 1870 werden drievoudige uitbreidingsmotoren gebruikt op schepen. Met samengestelde motoren konden schepen minder kolen vervoeren dan vracht. Samengestelde motoren werden gebruikt op sommige locomotieven, maar werden niet op grote schaal gebruikt vanwege hun mechanische complexiteit.
een zeer goed ontworpen en gebouwde stoomlocomotief die in zijn hoogtijdagen ongeveer 7-8% rendement haalde. De meest efficiënte heen en weer bewegende stoommachine (per fase) was de uniflow Motor, maar tegen de tijd dat het leek stoom werd verplaatst door dieselmotoren, die nog efficiënter waren en had het voordeel dat minder arbeid voor kolen behandeling en olie, een meer dichte brandstof, verplaatst minder lading.
aan de hand van statistieken die werden verzameld tijdens de vroege jaren 1940, de Santa Fe spoorweg gemeten de efficiëntie van hun vloot van stoomlocomotieven in vergelijking met de FT eenheden die ze net in aanzienlijke aantallen in gebruik genomen. Ze bepaalden dat de kosten van een ton olie brandstof gebruikt in stoommachines was $5,04 en leverde 20,37 trein mijlen systeem breed gemiddeld. Diesel kostte $ 11,61 maar produceerde 133,13 trein mijl per ton. In feite, diesels liep zes keer zo ver als stoomboten gebruik te maken van brandstof die slechts twee keer zo veel kosten. Dit was te wijten aan de veel betere thermische efficiëntie van dieselmotoren in vergelijking met stoom. Overtuigend de treinen gebruikt als een kilometerstand standaard waren 4.000 ton vracht bestaat dat was de normale tannage l (sic) op dat moment.
– Jim Valle, ” How efficient is a steam engine?”
stoom turbineEdit
de stoomturbine is de meest efficiënte stoommachine en wordt daarom universeel gebruikt voor elektrische opwekking. Stoomuitzetting in een turbine is bijna continu, waardoor een turbine vergelijkbaar is met een zeer groot aantal expansiefasen. Stoomcentrales die op het kritieke punt werken, hebben een efficiëntie van slechts 40%. Turbines produceren directe roterende beweging en zijn veel compacter en wegen veel minder dan zuigermotoren en kunnen worden geregeld met een zeer constante snelheid. Net als bij de gasturbine werkt de stoomturbine het meest efficiënt bij vol vermogen en slecht bij lagere snelheden. Om deze reden zijn stoomturbines, ondanks hun hoge vermogen / gewichtsverhouding, voornamelijk gebruikt in toepassingen waar ze met een constante snelheid kunnen worden uitgevoerd. In AC elektrische generatie het handhaven van een extreem constante turbine snelheid is noodzakelijk om de juiste frequentie te handhaven.
Stirling motoredit
De Stirling cyclus motor heeft het hoogste theoretische rendement van elke thermische motor, maar het heeft een lage vermogen / gewichtsverhouding, waardoor Stirling motoren van praktische grootte meestal groot zijn. Het grootteeffect van de Stirling-motor is te wijten aan zijn afhankelijkheid van de expansie van een gas met een stijging van de temperatuur en praktische grenzen aan de werktemperatuur van motoronderdelen. Voor een ideaal gas, het verhogen van de absolute temperatuur voor een bepaald volume, alleen verhoogt de druk proportioneel, dus, waar de lage druk van de Stirling motor atmosferisch is, zijn praktische drukverschil wordt beperkt door temperatuurgrenzen en is meestal niet meer dan een paar atmosferen, waardoor de zuigerdrukken van de Stirling motor zeer laag, dus relatief grote zuiger gebieden nodig zijn om nuttig uitgangsvermogen te verkrijgen.