a Vapor engineEdit
Veja também: motor a Vapor#Eficiência Ver também: linha do tempo da máquina a vapor
Pistão engineEdit
os motores a Vapor e turbinas a operar no ciclo de Rankine, que tem um máximo de Carnot, a eficiência de 63% para a prática de motores, com turbina a vapor usinas de energia capaz de alcançar a eficiência em meados de 40% de intervalo.a eficiência dos motores a vapor está principalmente relacionada com a temperatura e pressão do vapor e o número de estágios ou Expansões. A eficiência da máquina a vapor melhorou à medida que os princípios operacionais foram descobertos, o que levou ao desenvolvimento da ciência da termodinâmica. Ver gráfico: eficiência da máquina a vapor
nos primeiros motores a vapor, a caldeira foi considerada parte do motor. Hoje eles são considerados separados, por isso é necessário saber se a eficiência declarada é global, que inclui a caldeira, ou apenas do motor.comparações de eficiência e potência dos primeiros motores a vapor é difícil por várias razões: 1) não havia peso padrão para um alqueire de carvão, que poderia ser em qualquer lugar de 82 a 96 Libras (37 a 44 kg). 2) não havia um valor de aquecimento padrão para o carvão, e provavelmente nenhuma maneira de medir o valor de aquecimento. Os carvão tinham um valor de aquecimento muito maior do que os carvão a vapor de hoje, com 13.500 BTU/Libra (31 megajoules/kg) por vezes mencionados. 3) a eficiência foi relatada como “dever”, significando quantas libras (ou newton-metros) de trabalho de elevação de água foram produzidos, mas a eficiência mecânica de bombeamento não é conhecida.o primeiro motor a vapor de pistão, desenvolvido por Thomas Newcomen por volta de 1710, foi ligeiramente mais de meio por cento (0,5%) eficiente. É operado com vapor a perto de pressão atmosférica desenhado no cilindro pela carga, em seguida, condensado por um spray de água fria no vapor cilindro cheio, causando um vácuo parcial no interior do cilindro e a pressão da atmosfera para dirigir o pistão para baixo. Usando o cilindro como o recipiente no qual condensar o vapor também arrefeceu o cilindro, de modo que parte do calor no vapor de entrada no ciclo seguinte foi perdido no aquecimento do cilindro, reduzindo a eficiência térmica. Melhorias feitas por John Smeaton para o motor Newcomen aumentaram a eficiência para mais de 1%.James Watt fez várias melhorias para o motor Newcomen, o mais significativo dos quais foi o condensador externo, o que impediu a água de resfriamento do cilindro. O motor de Watt funcionava com vapor ligeiramente acima da pressão atmosférica. As melhorias de Watt aumentaram a eficiência por um fator de mais de 2.5.A falta de habilidade mecânica geral, incluindo mecânica especializada, máquinas-ferramentas e métodos de fabricação, limitou a eficiência dos motores reais e seu projeto até cerca de 1840.os motores de maior pressão foram desenvolvidos por Oliver Evans e independentemente por Richard Trevithick. Estes motores não eram muito eficientes, mas tinham alta relação potência / peso, permitindo que fossem usados para carregar locomotivas e barcos.
O regulador centrífugo, que tinha sido usado pela primeira vez por Watt para manter a velocidade constante, trabalhada por estrangular o vapor de entrada, o que reduziu a pressão, resultando em uma perda de eficiência nos motores de alta pressão (acima da atmosfera). Métodos de controle posteriores reduziram ou eliminaram esta perda de pressão.o melhor mecanismo de valving do motor a vapor Corliss (patenteado. 1849) foi melhor capaz de ajustar a velocidade com carga variável e aumento da eficiência em cerca de 30%. O motor Corliss tinha válvulas e cabeçalhos separados para a entrada e escape de vapor de modo que o vapor de alimentação quente nunca entrou em contato com as portas de escape mais frias e valving. As válvulas foram de ação rápida, o que reduziu a quantidade de estrangulamento do vapor e resultou em uma resposta mais rápida. Em vez de operar uma válvula de estrangulamento, o governador foi usado para ajustar o timing da válvula para dar um corte de vapor variável. The variable cut off was responsible for a major portion of the efficiency increase of the Corliss engine.outros antes de Corliss tinha pelo menos parte desta ideia, incluindo Zachariah Allen, que patenteou variável cortada, mas a falta de demanda, aumento de custo e complexidade e Tecnologia de usinagem pouco desenvolvida atrasou a introdução até Corliss.
O motor de alta velocidade Porter-Allen (ca. 1862) operado a três a cinco vezes a velocidade de outros motores de tamanho semelhante. A maior velocidade minimizou a quantidade de condensação no cilindro, resultando em maior eficiência.os motores compostos deram mais melhorias na eficiência. Na década de 1870, motores de expansão tripla estavam sendo usados em navios. Os motores compostos permitiram aos navios transportar menos carvão do que carga. Motores compostos foram usados em algumas locomotivas, mas não foram amplamente adotados por causa de sua complexidade mecânica.
Uma locomotiva a vapor muito bem projetada e construída usada para obter cerca de 7-8% de eficiência em seu auge. O design de motor a vapor alternativo mais eficiente (por estágio) era o motor uniflow, mas quando parecia que o vapor estava sendo deslocado por motores diesel, que eram ainda mais eficientes e tinham a vantagem de exigir menos trabalho para o manuseio de carvão e petróleo, sendo um combustível mais denso, deslocou menos carga.
Usando estatísticas coletadas durante o início da década de 1940, a ferrovia de Santa Fe mediu a eficiência de sua frota de locomotivas a vapor em comparação com as unidades FT que eles estavam apenas colocando em serviço em números significativos. Eles determinaram que o custo de uma tonelada de combustível usado em motores a vapor era de US $5,04 e rendeu 20,37 milhas de trem de largura em média. O combustível diesel custou US $ 11,61, mas produziu 133.13 milhas de trem por tonelada. Na verdade, diesels correu seis vezes mais longe do que steamers utilizando combustível que custa apenas o dobro. Isto foi devido à muito melhor eficiência térmica dos motores diesel em comparação com o vapor. Persumably the trains used as a milage standard were 4,000 ton freight consists which was the normal tannage l (sic) at that time.Jim Valle, ” How efficient is a steam engine?”
turbineEdit a vapor
a turbina a vapor é o motor a vapor mais eficiente e, por esta razão, é universalmente utilizado para a geração elétrica. A expansão do vapor em uma turbina é quase contínua, o que torna uma turbina comparável a um grande número de estágios de expansão. As centrais a vapor que operam no ponto crítico têm eficiências na baixa faixa de 40%. As turbinas produzem movimento rotativo direto e são muito mais compactas e pesam muito menos do que os motores alternativos e podem ser controladas a uma velocidade muito constante. Como é o caso da turbina a gás, a turbina a vapor funciona mais eficientemente em plena potência, e mal a velocidades mais lentas. Por esta razão, apesar da sua elevada relação potência / peso, As turbinas a vapor têm sido utilizadas principalmente em aplicações onde podem ser executadas a uma velocidade constante. Na geração elétrica de CA é necessário manter uma velocidade extremamente constante da turbina para manter a frequência correta.o motor de ciclo de Stirling tem a maior eficiência teórica de qualquer motor térmico, mas tem uma baixa potência de saída em relação ao peso, portanto, os motores de Stirling de tamanho prático tendem a ser grandes. O efeito de tamanho do motor de Stirling é devido à sua dependência da expansão de um gás com um aumento na temperatura e limites práticos sobre a temperatura de funcionamento dos componentes do motor. Para um gás ideal, aumentando a sua temperatura absoluta de um determinado volume, só aumenta a pressão, proporcionalmente, portanto, onde a baixa pressão do motor Stirling é atmosférico, sua prática a diferença de pressão é restrito por limites de temperatura e normalmente não mais do que um par de atmosferas, fazendo com que o pistão pressões do motor Stirling muito baixo, daí relativamente grande de pistão áreas são necessárias para obter a potência útil potência.