蒸汽機(jī)的原理？全套的

【專家解說】：蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。直到20世紀(jì)初，它仍然是世界上最重要的原動(dòng)機(jī)，后來才逐漸讓位于內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等。 蒸汽機(jī)按蒸汽在活塞一側(cè)或兩側(cè)工作，可分為單作用和雙作用式；按汽缸布置方式，可分為立和臥式；按蒸汽是在一個(gè)汽缸 中膨脹或依次連續(xù)在多個(gè)汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分為回流式和單流式；按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式、大氣式和背壓式。 簡單蒸汽機(jī)主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、滑閥配汽機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。從鍋爐來的新蒸汽，經(jīng)主汽閥和節(jié)流閥進(jìn)入滑閥室，受滑閥控制交替地進(jìn)入汽缸的左側(cè)或右側(cè)，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。 蒸汽機(jī)的發(fā)展首先體現(xiàn)在功率和效率的提高，而這又主要取決于蒸汽參數(shù)的提高。初期蒸汽機(jī)的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀(jì)初才達(dá)到0.35～0.7兆帕，20世紀(jì)20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世紀(jì)末還不超過250℃，而到20世紀(jì)30年代曾用到450～480℃。 至于效率，瓦特初期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的蒸汽機(jī)，按燃料熱值計(jì)總效率不超過3％；到1840年，最好的凝汽式蒸汽機(jī)總效率可達(dá)8％；到20世紀(jì)，蒸汽機(jī)最高效率可達(dá)到20％以上。 在轉(zhuǎn)速方面，18世紀(jì)末瓦特蒸汽機(jī)僅40～50轉(zhuǎn)/分；20世紀(jì)初轉(zhuǎn)速達(dá)到100～300轉(zhuǎn)/分，個(gè)別蒸汽機(jī)曾達(dá)到2500轉(zhuǎn)/分。在功率方面，最初單機(jī)功率僅幾馬力，20世紀(jì)初的一臺(tái)船用蒸汽機(jī)的功率可達(dá)25000馬力。 隨著蒸汽參數(shù)和功率的提高，蒸汽已不可能在一個(gè)汽缸中繼續(xù)膨脹，還必須在相連接的汽缸中繼續(xù)膨脹，于是出現(xiàn)了多級(jí)膨脹的蒸汽機(jī)。蒸汽機(jī)因受到潤滑油閃點(diǎn)的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過400℃，機(jī)車，船用等移動(dòng)式蒸汽機(jī)還略低一些，多數(shù)不高于350℃。考慮到膨脹的可能性和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，常用壓力在2.5兆帕以下。蒸汽參數(shù)受到限制，從而也限制了蒸汽機(jī)功率的進(jìn)一步提高。 蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和改進(jìn)促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展反過來又向蒸汽機(jī)提出了更高的要求，如要求蒸汽機(jī)功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對(duì)蒸汽機(jī)作過許多改進(jìn)，不斷擴(kuò)大它的使用范圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，蒸汽機(jī)因存在不可克服的弱點(diǎn)而逐漸衰落。 優(yōu)點(diǎn)】 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。不象內(nèi)燃機(jī)那樣它對(duì)其燃料不挑剔。此外沒有蒸汽機(jī)的話原子能無法被使用。原子反應(yīng)堆即不直接產(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蒸汽機(jī)來轉(zhuǎn)化為有用的功。蒸汽不一定需要通過燃燒來產(chǎn)生，比如使用太陽能聚熱器也可以產(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。現(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放棄使用功率比較高的柴油機(jī)車，取而代之的還是功率雖然不如柴油機(jī)車但不受海拔限制的蒸汽機(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)人來運(yùn)行，比起過去的蒸汽機(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。 【缺點(diǎn)】 蒸汽機(jī)的弱點(diǎn)是：離不開鍋爐，整個(gè)裝置既笨重又龐大；新蒸汽的壓力和溫度不能過高，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高；它是一種往復(fù)式機(jī)器，慣性力限制了轉(zhuǎn)速的提高；工作過程是不連續(xù)的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。 因此，拋棄了笨重鍋爐的內(nèi)燃機(jī)，最終以其重量輕，體積小、熱效率高和操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，在船舶和機(jī)車上逐漸取代了蒸汽機(jī)。汽輪機(jī)則以其熱效率高、單機(jī)功率大、轉(zhuǎn)速高、單位功率重量輕和運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，將蒸汽機(jī)排擠出了電站。 接著電動(dòng)機(jī)又以其使用方便，代替了蒸汽機(jī)在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用。然而小功率蒸汽機(jī)熱效率比汽輪機(jī)高，所以在產(chǎn)煤區(qū)或只有劣質(zhì)燃料的地區(qū)或某些特殊場合，蒸汽機(jī)仍有發(fā)揮作用的余地。

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