蒸汽機(jī)為什么不能成為現(xiàn)代的交通工具?

【專家解說(shuō)】：1769年尼古拉·約瑟夫·居紐首次用他的“蒸汽車”展示了自動(dòng)的蒸汽車的可行性。這輛車可以說(shuō)是第一輛汽車。這輛車作為運(yùn)輸工具不太有用，但用來(lái)拖農(nóng)具卻很不錯(cuò)。 一直到20世紀(jì)初蒸汽機(jī)汽車依然可以與其它驅(qū)動(dòng)方式的汽車抗衡。今天大多數(shù)汽車是用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的。蒸汽機(jī)汽車最大的缺點(diǎn)是它至少需要30秒鐘時(shí)間來(lái)獲得足夠的壓力。 世界上第一列蒸汽機(jī)火車是1804年2月21日理查德·特拉維斯克在威,爾,士展示的。 現(xiàn)代蒸汽機(jī)的最大的優(yōu)點(diǎn)是它幾乎可以利用所有的燃料將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。不像內(nèi)燃機(jī)那樣對(duì)其燃料很挑剔。此外沒有蒸汽機(jī)的話原,子,能無(wú)法被使用。原,子,反,應(yīng),堆既不直接產(chǎn)生機(jī)械能，又不直接產(chǎn)生電能，原,子,反,應(yīng),堆實(shí)際上只是加熱水，這個(gè)水被沸騰后的蒸汽通過(guò)蒸汽機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)化為有用的功。蒸汽不一定需要通過(guò)燃燒來(lái)產(chǎn)生，比如使用太陽(yáng)能聚熱器也可以產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)蒸汽機(jī)。 另一種有類似優(yōu)點(diǎn)的小巧的外燃機(jī)是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。其缺點(diǎn)是它在許多情況下難以運(yùn)行?，F(xiàn)代的混合動(dòng)力汽車就是為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。 尤其在高山上蒸汽機(jī)機(jī)車的優(yōu)點(diǎn)顯著，因?yàn)樗鼈円部梢栽诒容^低的氣壓下運(yùn)行。當(dāng)南美洲將用柴油-電力機(jī)車取代它們的蒸汽機(jī)車后這一點(diǎn)就被發(fā)現(xiàn)了。在高山上他們不得不使用功率比較高的柴油機(jī)車。 在瑞士和奧地利新的齒軌鐵路使用現(xiàn)代的蒸汽機(jī)，這些蒸汽機(jī)只需要一個(gè)人來(lái)運(yùn)行，比起過(guò)去的蒸汽機(jī)它節(jié)省60%的燃料，比起電力機(jī)和柴油機(jī)它輕50%，因此對(duì)齒軌的磨損小得多。在日內(nèi)瓦湖上也有一艘新的蒸汽機(jī)船，它是世界上第一艘遙控的蒸汽機(jī)船。 顯然任何純的熱機(jī)的效率無(wú)法超過(guò)卡諾循環(huán)的效率。而卡諾循環(huán)的效率與循環(huán)中的溫差有關(guān)。因此蒸汽機(jī)的蒸汽溫度越高，而其做功后蒸汽溫度越低，它的效率就越高。 實(shí)際上一個(gè)將使用后的蒸汽直接排入大氣的蒸汽機(jī)(包括鍋爐)的效率可以達(dá)到5%，加上冷凝器效率可以提高到25%或更好。一個(gè)使用廢氣加熱的發(fā)電站可以達(dá)到30%的效率。首先讓燃?xì)馔苿?dòng)一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)后再進(jìn)入鍋爐的裝置可以達(dá)到60%的效率。熱電聯(lián)產(chǎn)裝置利用余熱供暖，綜合熱效率可達(dá)90%。 降級(jí)效率的原因之一是冷凝器的溫度比周圍溫度高。通過(guò)使用熱交換器使用余熱來(lái)預(yù)熱空氣可以降低這個(gè)損失。 蒸汽機(jī)不一定需要蒸汽來(lái)操作，任何高壓氣可以用來(lái)操作蒸汽機(jī)。有時(shí)人們用高壓氣來(lái)操作小的模型來(lái)測(cè)試一個(gè)新型式的可行性。 早期的真空蒸汽機(jī)的效率有限，但它們比較安全，因?yàn)樗鼈兊膲毫Ρ容^低，在物質(zhì)發(fā)生損壞的情況下機(jī)器向內(nèi)收縮，而不是向外爆炸。它們的效率受外部氣壓、氣缸變形、燃燒和沸騰的效率和凝結(jié)能力的限制。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限制。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機(jī)的效率帶來(lái)了巨大的提高。但這種蒸汽機(jī)比真空蒸汽機(jī)危險(xiǎn)得多。鍋爐和機(jī)器的爆炸造成了許多大事故。安全閥在這里帶來(lái)了很大的改進(jìn)，在壓力過(guò)高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全只有依靠建造、運(yùn)行和維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和安全規(guī)則。 帶壓蒸汽技術(shù)被發(fā)明后下一個(gè)重要的改進(jìn)是使用雙動(dòng)活塞，帶壓蒸汽在一個(gè)汽缸壓力降低到普通大氣壓或在其凝結(jié)過(guò)程中可以推動(dòng)另一個(gè)汽缸。大多數(shù)往復(fù)式引擎今天使用這個(gè)技術(shù)。汽缸完全封閉來(lái)防止蒸汽逃散。一根滑桿通過(guò)一根搖臂軸和曲壁將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)曲壁和軸承用來(lái)控制閥門。 另一種蒸汽機(jī)由多個(gè)直徑不斷增大的單動(dòng)汽缸組成。一般由三個(gè)汽缸組成。稱為三脹式蒸汽機(jī)。 從鍋爐出來(lái)的高壓蒸汽首先推動(dòng)第一個(gè)和最小的一個(gè)活塞(蒸汽首先在高壓氣缸做功)。當(dāng)這個(gè)活塞開始回退時(shí)一部分?jǐn)U張的蒸氣被驅(qū)入第二個(gè)汽缸推動(dòng)它的活塞(高壓缸排出的蒸汽在中壓氣缸繼續(xù)做功)，這樣繼續(xù)使用在第一個(gè)汽缸膨脹的蒸汽。第三個(gè)汽缸則使用在第二個(gè)汽缸中膨脹的蒸汽(中壓缸排出的蒸汽在低壓氣缸繼續(xù)做功)。這些分級(jí)做功的方式是為了更加有效的利用蒸汽的內(nèi)能。 有時(shí)人們也使用兩個(gè)面積總和與最大的那個(gè)活塞的面積相同的小一些的活塞來(lái)取代最大的那個(gè)活塞，這樣的引擎可以四步工作，比較平穩(wěn)。 這種蒸汽機(jī)尤其對(duì)海上的輪船非常重要，因?yàn)樗恼羝谧龉Φ倪^(guò)程中不斷減壓后可以重新進(jìn)入鍋爐加熱。海上的輪船必須節(jié)約用水，因?yàn)樗赡芎荛L(zhǎng)時(shí)間無(wú)法補(bǔ)充水，而陸上的蒸汽機(jī)則可以不斷加水。一直到二,戰(zhàn)，大多數(shù)商船都使用這種蒸汽機(jī)。1905年以前所有的戰(zhàn),艦也使用這種蒸汽機(jī)。缺點(diǎn)是它的效率稍低。 另一種往復(fù)式蒸汽機(jī)是單流蒸汽機(jī)。在這些蒸汽機(jī)中閥門由凸輪來(lái)控制。汽缸容積最小時(shí)入汽閥門打開。然后入汽閥門關(guān)閉，蒸汽膨脹。汽缸容積最大時(shí)汽缸側(cè)面的排氣閥門打開。這些排氣口與凝結(jié)腔相連，它們使汽缸內(nèi)的壓力降低到大氣壓以下。軸承的慣性使活塞重新向上運(yùn)動(dòng)。單流蒸汽機(jī)總是組成蒸汽機(jī)組一起運(yùn)行。單流蒸汽機(jī)入氣口和出氣口的溫度恒定，不像其它蒸汽機(jī)那樣不斷變化。 高壓汽輪機(jī)由一系列帶有螺旋槳式的槳葉的轉(zhuǎn)盤組成。這些旋輪與不動(dòng)的定輪交替，定輪的作用是導(dǎo)引氣流的方向。這樣的蒸汽機(jī)比往復(fù)蒸汽機(jī)要平穩(wěn)。 1883年瑞,典,工,程,師,拉,瓦,爾設(shè)計(jì)制造出了第一臺(tái)單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)，隨后在1884年英,國(guó),工,程,師,帕,森,斯設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)單級(jí)反動(dòng)式汽輪機(jī)，雖然當(dāng)時(shí)的汽輪機(jī)和我們現(xiàn)在的汽輪機(jī)相比結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是從此推動(dòng)了汽輪機(jī)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用，被廣泛應(yīng)用在電站、航海和大型工業(yè)中。 在60年代，世界工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家生產(chǎn)的汽輪機(jī)已經(jīng)達(dá)到500-600MW等級(jí)水平。1972年瑞士BBC公司制造的1300MW雙軸全速汽輪機(jī)在美,國(guó)投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到24Mpa，蒸汽溫度538°C，3600rpm;1974年西,德KWU公司制造的1300MW單軸半速(1500 rpm)飽和蒸汽參數(shù)汽輪機(jī)投入運(yùn)行，;1982年世界上最大的1200MW單軸全速汽輪機(jī)在前蘇聯(lián)投入運(yùn)行，壓力24 Mpa，蒸汽溫度540°C。 目前世界各國(guó)都在研究大容量、高參數(shù)汽輪機(jī)的研究和開發(fā)，如俄羅斯正在研究2000MW汽輪機(jī)。主要是大容量汽輪機(jī)有如下特點(diǎn): 降低單位功率投資成本。如800MW機(jī)組比500MW汽輪機(jī)的千瓦造價(jià)低17%;1200MW機(jī)組比800MW機(jī)組的千瓦造價(jià)低15%-20%。 提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。如法國(guó)的600MW機(jī)組比國(guó)產(chǎn)的125MW機(jī)組的熱耗率低276kj/kW.h，每年可節(jié)約燃煤4萬(wàn)噸。 加快電網(wǎng)建設(shè)速度，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。 提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力。 汽輪機(jī)按照工作原理分為沖動(dòng)式汽輪機(jī)和反動(dòng)式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)是一種以蒸汽為動(dòng)力，并將蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是現(xiàn)代火力發(fā)電廠中應(yīng)用最廣泛的原動(dòng)機(jī)。汽輪機(jī)具有單機(jī)功率大、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 沖動(dòng)式汽輪機(jī)蒸汽主要在靜葉中膨脹，在動(dòng)葉中只有少量的膨脹。 反動(dòng)式汽輪機(jī)蒸汽在靜葉和動(dòng)葉中膨脹，而且膨脹程度相同。 由于反動(dòng)級(jí)不能作成部分進(jìn)汽，因此第一級(jí)調(diào)節(jié)級(jí)通常采用單列沖動(dòng)級(jí)或雙列速度級(jí)。如,中,國(guó),引,進(jìn),美,國(guó),西,屋技術(shù)生產(chǎn)的300MW、600MW機(jī)組。目前世界上生產(chǎn)沖動(dòng)式汽輪機(jī)的企業(yè)有:美,國(guó),通,用、英,國(guó),通,用、日,本,東,芝和,日,立、俄,羅,斯的列寧格勒金屬工廠等。制造反動(dòng)式汽輪機(jī)的有美,國(guó),西,屋,公,司、日,本,三,菱、英,國(guó),帕,森,斯,公,司、法,國(guó),電,器,機(jī),械,公,司等，德,國(guó),西,門,子。沖動(dòng)式汽輪機(jī)為隔板型，如中國(guó)產(chǎn)的300MW高中壓合缸汽輪機(jī);反動(dòng)式汽輪機(jī)為轉(zhuǎn)鼓型(或筒型)，如中國(guó)上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)的300MW、600MW汽輪機(jī)。 汽輪機(jī)按照蒸汽參數(shù)(壓力和溫度)分為: 低壓汽輪機(jī):主蒸汽壓力小于1.47Mpa; 中壓汽輪機(jī):主蒸汽壓力在1.96-3.92Mpa; 高壓汽輪機(jī):主蒸汽壓力在5.88-9.8Mpa; 超高壓汽輪機(jī):主蒸汽壓力在11.77-13.93Mpa; 亞臨界壓力汽輪機(jī):主蒸汽壓力在15.69-17.65Mpa; 超臨界壓力汽輪機(jī):主蒸汽壓力大于22.15Mpa; 超超臨界壓力汽輪機(jī):主蒸汽壓力大于32Mpa; 由于冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，使得汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)也有了很大改進(jìn)。目前的大機(jī)組普遍采用了高中壓合缸的雙層結(jié)構(gòu)，高中壓轉(zhuǎn)子采用一根轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高、中、低壓轉(zhuǎn)子全部采用整鍛結(jié)構(gòu)，軸承較多地采用了可傾瓦結(jié)構(gòu)。目前各國(guó)都在進(jìn)行大容量、高參數(shù)機(jī)組的開發(fā)和設(shè)計(jì)，如,俄,羅,斯正在開發(fā)的2000MW汽輪機(jī)。日,本正在開發(fā)一種新的合金材料，將使高中、低壓轉(zhuǎn)子一體化成為可能。