silnik Parowyedytuj
Zobacz także: silnik parowy#sprawność Zobacz także: oś czasu mocy silnika parowego
silnik Tłokowyedytuj
silniki parowe i turbiny pracują w cyklu Rankine ’ a, który ma maksymalną sprawność Carnota 63% dla praktycznych silników, z elektrowniami parowymi zdolnymi do osiągnięcia sprawności w średnim zakresie 40%.
sprawność silników parowych jest przede wszystkim związana z temperaturą i ciśnieniem pary oraz liczbą stopni lub rozszerzeń. Wydajność silnika parowego poprawiła się wraz z odkryciem zasad działania, co doprowadziło do rozwoju nauki o termodynamice. Zobacz wykres: sprawność silnika parowego
w pierwszych silnikach parowych kocioł był uważany za część silnika. Dziś są one uważane za oddzielne, więc konieczne jest, aby wiedzieć, czy podana sprawność jest ogólna, która obejmuje kocioł, czy tylko silnika.
porównanie sprawności i mocy wczesnych silników parowych jest trudne z kilku powodów: 1) nie było standardowej wagi dla buszu węgla, który mógłby wynosić od 82 do 96 funtów (37 do 44 kg). 2) nie było standardowej wartości opałowej dla węgla i prawdopodobnie nie było sposobu pomiaru wartości opałowej. Węgle miały znacznie wyższą wartość opałową niż dzisiejsze węgle parowe, z czasem wymienianymi 13 500 BTU/Funt (31 megadżuli/kg). 3) wydajność została zgłoszona jako „duty”, co oznacza, ile funtów stóp (lub niutonometrów) wody roboczej zostało wyprodukowanych, ale wydajność mechanicznego pompowania nie jest znana.
pierwszy tłokowy silnik parowy, opracowany przez Thomasa Newcomena około 1710 roku, był nieco ponad pół procent (0,5%) sprawny. Działał z parą pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznym wciągniętym do cylindra przez ładunek, a następnie skondensowany przez rozpylenie zimnej wody do cylindra wypełnionego parą, powodując częściowe podciśnienie w cylindrze i ciśnienie atmosferyczne w celu zepchnięcia tłoka w dół. Użycie cylindra jako naczynia do skraplania pary również ochłodziło cylinder, tak że część ciepła w przychodzącej parze w następnym cyklu została utracona w ogrzewaniu cylindra, zmniejszając wydajność cieplną. Ulepszenia wprowadzone przez Johna Smeatona do silnika Newcomen zwiększyły sprawność do ponad 1%.
James Watt wprowadził kilka ulepszeń do silnika Newcomen, z których najważniejszym był zewnętrzny skraplacz, który uniemożliwiał chłodzenie cylindra wodą chłodzącą. Silnik Watta działał z parą o nieco wyższym ciśnieniu atmosferycznym. Ulepszenia Watta zwiększyły wydajność o ponad 2,5.Brak ogólnych zdolności mechanicznych, w tym wykwalifikowanych mechaników, obrabiarek i metod produkcji, ograniczył sprawność rzeczywistych silników i ich konstrukcję do około 1840 roku.
silniki o wyższym ciśnieniu zostały opracowane przez Olivera Evansa i niezależnie przez Richarda Trevithicka. Silniki te nie były zbyt wydajne, ale miały wysoki stosunek mocy do masy, dzięki czemu mogły być używane do zasilania lokomotyw i łodzi.
regulator odśrodkowy, który po raz pierwszy został użyty przez Watta do utrzymania stałej prędkości, pracował poprzez Dławienie pary wlotowej, co obniżyło ciśnienie, powodując utratę wydajności w silnikach o wysokim (powyżej atmosferycznym) ciśnieniu. Późniejsze metody kontroli zmniejszyły lub wyeliminowały straty ciśnienia.
ulepszony mechanizm zaworowy silnika parowego Corliss (opatentowany. 1849) był w stanie lepiej dostosować prędkość przy zmiennym obciążeniu i zwiększyć sprawność o około 30%. Silnik Corliss miał oddzielne Zawory i nagłówki dla pary wlotowej i wylotowej, więc gorąca para podawcza nigdy nie kontaktowała się z portami wydechowymi chłodnicy i zaworem. Zawory działały szybko, co zmniejszało ilość dławienia pary i powodowało szybszą reakcję. Zamiast obsługiwać zawór dławiący, regulator był używany do regulacji rozrządu zaworu w celu uzyskania zmiennego odcięcia pary. Zmienna cut off była odpowiedzialna za znaczną część wzrostu wydajności silnika Corliss.
inni przed Corliss mieli przynajmniej część tego pomysłu, w tym Zachariah Allen, który opatentował variable cut off, ale brak popytu, zwiększone koszty i złożoność oraz słabo rozwinięta technologia obróbki opóźniły wprowadzenie do Corliss.
szybki silnik Portera-Allena (ok. 1862) pracował z prędkością od trzech do pięciu razy większą niż inne silniki podobnej wielkości. Wyższa prędkość zminimalizowała ilość kondensacji w cylindrze, co skutkowało zwiększeniem wydajności.
Silniki złożone dały dalszą poprawę sprawności. Do 1870 roku na okrętach stosowano potrójne silniki rozprężne. Silniki złożone pozwalały okrętom przewozić mniej węgla niż fracht. W niektórych lokomotywach stosowano złożone silniki, ale nie były one powszechnie stosowane ze względu na ich złożoność mechaniczną.
bardzo dobrze zaprojektowana i zbudowana lokomotywa parowa w czasach swojej świetności osiągała sprawność około 7-8%. Najbardziej wydajna konstrukcja silnika parowego tłokowego (na etap) był silnik uniflow, ale do czasu, gdy okazało się, że para była wypierana przez silniki wysokoprężne, które były jeszcze bardziej wydajne i miały tę zaletę, że wymagają mniej pracy przy przeładunku węgla i ropy naftowej, będąc bardziej gęstym paliwem, wyparł mniej ładunku.
korzystając ze statystyk zebranych na początku lat 40., Kolej Santa Fe zmierzyła wydajność swojej floty lokomotyw parowych w porównaniu z jednostkami FT, które dopiero co oddały do użytku w znacznej liczbie. Ustalono, że koszt tony paliwa używanego w silnikach parowych wynosił 5,04 USD i wynosił średnio 20,37 km. Olej napędowy kosztował 11,61 dolarów, ale wyprodukował 133,13 Mil pociągowych na tonę. W rezultacie diesle przejechały sześć razy więcej niż parowce wykorzystujące paliwo, które kosztowały tylko dwa razy więcej. Było to spowodowane znacznie lepszą sprawnością cieplną silników wysokoprężnych w porównaniu do pary. Pociągami używanymi jako standard milage były ładunki o masie 4000 ton, które były wówczas normalnym tankowcem l (sic).
– Jim Valle, ” jak wydajny jest silnik parowy?”
turbina Parowaedytuj
turbina parowa jest najbardziej wydajną maszyną parową i z tego powodu jest powszechnie stosowana do wytwarzania energii elektrycznej. Rozprężanie pary w turbinie jest prawie ciągłe, co sprawia, że turbina jest porównywalna z bardzo dużą liczbą etapów rozprężania. Elektrownie parowe pracujące w punkcie krytycznym charakteryzują się wydajnością w zakresie niskich 40%. Turbiny wytwarzają bezpośredni ruch obrotowy i są znacznie bardziej kompaktowe i ważą znacznie mniej niż silniki tłokowe i mogą być sterowane z bardzo stałą prędkością. Podobnie jak w przypadku turbiny gazowej, turbina parowa pracuje najbardziej wydajnie przy pełnej mocy i słabo przy niższych prędkościach. Z tego powodu, pomimo wysokiego stosunku mocy do masy, turbiny parowe były stosowane głównie w aplikacjach, w których mogą pracować ze stałą prędkością. W wytwarzaniu prądu przemiennego utrzymanie bardzo stałej prędkości turbiny jest konieczne do utrzymania prawidłowej częstotliwości.
silniki Stirlingaedytuj
silnik z cyklu Stirlinga ma najwyższą teoretyczną sprawność spośród wszystkich silników termicznych, ale ma niski stosunek mocy wyjściowej do masy, dlatego silniki Stirlinga o praktycznych rozmiarach są zwykle duże. Efekt wielkości silnika Stirlinga wynika z jego zależności od rozszerzania się gazu wraz ze wzrostem temperatury i praktycznych ograniczeń temperatury pracy elementów silnika. W przypadku gazu idealnego, zwiększając jego temperaturę bezwzględną dla danej objętości, tylko proporcjonalnie zwiększa jego ciśnienie, dlatego też, gdy niskie ciśnienie silnika Stirlinga jest atmosferyczne, jego praktyczna różnica ciśnień jest ograniczona przez limity temperatury i zwykle nie przekracza kilku atmosfer, co powoduje, że ciśnienie tłoka silnika Stirlinga jest bardzo niskie, a zatem do uzyskania użytecznej mocy wyjściowej wymagane są stosunkowo duże obszary tłoków.