Ångmotoredit
se även: ångmotor#effektivitet Se även: tidslinje för ångkraft
Kolvmotoredit
ångmotorer och turbiner arbetar på Rankine-cykeln som har en maximal Carnot-effektivitet på 63% för praktiska motorer, med ångturbinkraftverk som kan uppnå effektivitet i mitten av 40% – intervallet.
ångmotorns effektivitet är främst relaterad till ångtemperaturen och trycket och antalet steg eller utvidgningar. Ångmotorns effektivitet förbättrades när driftsprinciperna upptäcktes, vilket ledde till utvecklingen av vetenskapen om termodynamik. Se diagram:ångmotorns effektivitet
i de tidigaste ångmotorerna ansågs pannan vara en del av motorn. Idag anses de vara separata, så det är nödvändigt att veta om den angivna effektiviteten är övergripande, vilket inkluderar pannan eller bara motorn.
jämförelser av effektivitet och kraft hos de tidiga ångmotorerna är svåra av flera skäl: 1) Det fanns ingen standardvikt för en bushel kol, som kan vara allt från 82 till 96 pund (37 till 44 kg). 2) Det fanns inget standardvärmevärde för kol, och förmodligen inget sätt att mäta värmevärdet. Kolen hade mycket högre värmevärde än dagens ångkol, med 13 500 BTU/Pund (31 megajoule/kg) som ibland nämns. 3) effektivitet rapporterades som” plikt”, vilket betyder hur många fotpund (eller newton-meter) arbetslyftvatten producerades, men den mekaniska pumpeffektiviteten är inte känd.
den första kolvångmotorn, utvecklad av Thomas Newcomen omkring 1710, var drygt en halv procent (0,5%) effektiv. Den drivs med ånga vid nära atmosfärstryck dras in i cylindern av lasten, kondenseras sedan av en spray med kallt vatten i den ångfyllda cylindern, vilket orsakar ett partiellt vakuum i cylindern och atmosfärens tryck för att driva kolven ner. Med hjälp av cylindern som kärlet för att kondensera ångan kyldes också cylindern, så att en del av värmen i den inkommande ångan på nästa cykel förlorades vid uppvärmning av cylindern, vilket minskade värmeeffektiviteten. Förbättringar gjorda av John Smeaton till Newcomen-motorn ökade effektiviteten till över 1%.
James Watt gjorde flera förbättringar av Newcomen-motorn, varav den viktigaste var den externa kondensorn, vilket hindrade kylvattnet från att kyla cylindern. Watts motor drivs med ånga vid något över atmosfärstrycket. Watts förbättringar ökade effektiviteten med en faktor över 2.5.Bristen på allmän mekanisk förmåga, inklusive skicklig mekanik, verktygsmaskiner och tillverkningsmetoder, begränsade effektiviteten hos faktiska motorer och deras design Fram till omkring 1840.
motorer med högre tryck utvecklades av Oliver Evans och oberoende av Richard Trevithick. Dessa motorer var inte särskilt effektiva men hade hög effekt-vikt-förhållande, så att de kunde användas för att driva lok och båtar.centrifugalregulatorn, som först hade använts av Watt för att upprätthålla konstant hastighet, arbetade genom att stryka inloppsångan, vilket sänkte trycket, vilket resulterade i en effektivitetsförlust på de höga (över atmosfäriska) tryckmotorerna. Senare kontrollmetoder minskade eller eliminerade denna tryckförlust.
den förbättrade ventilmekanismen för Corliss ångmotor (patenterad. 1849) kunde bättre justera hastigheten med varierande belastning och ökad effektivitet med cirka 30%. Corliss-motorn hade separata ventiler och rubriker för inlopps-och avgasångan så att den heta matningsångan aldrig kontaktade de svalare avgasportarna och ventilerna. Ventilerna var snabbverkande, vilket minskade mängden gasning av ångan och resulterade i snabbare respons. Istället för att använda en gasventil användes guvernören för att justera ventiltiden för att ge en variabel ångavskärning. Den variabla avstängningen var ansvarig för en stor del av effektivitetsökningen hos Corliss-motorn.
andra före Corliss hade åtminstone en del av den här tanken, inklusive Zachariah Allen, som patenterade variabel avstängning, men brist på efterfrågan, ökad kostnad och komplexitet och dåligt utvecklad bearbetningsteknik försenade introduktionen tills Corliss.
Porter-Allen höghastighetsmotor (ca. 1862) drivs med från tre till fem gånger hastigheten hos andra liknande motorer. Den högre hastigheten minimerade mängden kondensation i cylindern, vilket resulterade i ökad effektivitet.
sammansatta motorer gav ytterligare förbättringar i effektiviteten. Vid 1870-talet användes trippelutvidgningsmotorer på fartyg. Sammansatta motorer tillät fartyg att transportera mindre kol än Gods. Sammansatta motorer användes på vissa lok men antogs inte allmänt på grund av deras mekaniska komplexitet.
ett mycket väldesignat och byggt ånglok brukade komma runt 7-8% effektivitet i sin storhetstid. Den mest effektiva fram-och återgående ångmotordesignen (per steg) var uniflow-motorn, men när det verkade som om ångan förskjutits av dieselmotorer, som var ännu effektivare och hade fördelen att kräva mindre arbete för kolhantering och olja, som var ett tätare bränsle, förskjutit mindre Last.
med hjälp av statistik som samlats in under början av 1940-talet mätte Santa Fe Railroad effektiviteten hos sin flotta ånglok i jämförelse med FT-enheterna som de just tog i bruk i betydande antal. De bestämde att kostnaden för ett ton oljebränsle som användes i ångmotorer var $5.04 och gav i genomsnitt 20.37 tågmiljoner i hela systemet. Dieselbränsle kostade $11.61 men producerade 133.13 tåg miles per ton. I själva verket sprang dieslar sex gånger så långt som ångbåtar som använde bränsle som bara kostade dubbelt så mycket. Detta berodde på dieselmotorernas mycket bättre termiska effektivitet jämfört med ånga. Persumably tåg som används som en milage standard var 4000 ton gods består vilket var den normala tannage l (sic) vid den tiden.
— Jim Valle, ” hur effektiv är en ångmotor?”
Ångturbineedit
ångturbinen är den mest effektiva ångmotorn och används därför universellt för elproduktion. Ångutvidgningen i en turbin är nästan kontinuerlig, vilket gör en turbin jämförbar med ett mycket stort antal expansionssteg. Ångkraftverk som arbetar vid den kritiska punkten har effektivitet i det låga 40% – området. Turbiner producerar direkt roterande rörelse och är mycket mer kompakta och väger mycket mindre än kolvmotorer och kan styras till inom en mycket konstant hastighet. Som det är fallet med gasturbinen fungerar ångturbinen mest effektivt vid full effekt och dåligt vid lägre hastigheter. Av denna anledning, trots deras höga effekt / viktförhållande, har ångturbiner främst använts i applikationer där de kan köras med konstant hastighet. I VÄXELSTRÖMSPRODUKTION är det nödvändigt att upprätthålla en extremt konstant turbinhastighet för att upprätthålla rätt frekvens.
Stirling enginesEdit
Stirling-cykelmotorn har den högsta teoretiska effektiviteten hos någon termisk motor men den har en låg uteffekt till viktförhållande, därför tenderar Stirling-motorer av praktisk storlek att vara stora. Stirlingmotorns storlekseffekt beror på dess beroende av expansion av en gas med en ökning av temperaturen och praktiska gränser för motorkomponenternas arbetstemperatur. För en idealisk gas, som ökar sin absoluta temperatur för en given volym, ökar endast trycket proportionellt, därför, där Stirlingmotorns låga tryck är atmosfäriskt, begränsas dess praktiska tryckskillnad av temperaturgränser och är vanligtvis inte mer än ett par atmosfärer, vilket gör Stirlingmotorns kolvtryck mycket lågt, därför krävs relativt stora kolvområden för att erhålla användbar uteffekt.