蒸汽機的工作原理

【專家解說】：">化學能-內(nèi)能-機械能
主要是一個汽缸，汽缸運動到右側(cè)末端時，打開右側(cè)進氣閥向汽缸右側(cè)沖高壓水蒸汽，打開左側(cè)排氣閥，高壓水蒸汽推動活塞向左運動，運動最左端時，打開左側(cè)進氣閥關閉右側(cè)排氣閥，向汽缸左側(cè)沖高壓水蒸汽，使汽缸活塞向右運動。將汽缸活塞的往復運動通過聯(lián)桿滑塊曲軸轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。各閥門的開關也是通過聯(lián)桿滑塊帶動滑閥進行的。常見在老式蒸氣機車（火車）上，因效率低、燒煤灰大、污染大被淘汰。

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蒸汽機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現(xiàn)曾引起了18世紀的工業(yè)革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，后來才逐漸讓位于內(nèi)燃機和汽輪機等。

16世紀末到17世紀后期，英國的采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相當?shù)囊?guī)模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現(xiàn)場又有豐富而廉價的煤作為燃料。現(xiàn)實的需要促使許多人，如英國的帕潘、薩弗里、紐科門等就致力于“以火力提水”的探索和試驗。

薩弗里制成的世界上第一臺實用的蒸汽提水機，在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽，然后關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內(nèi)蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經(jīng)進水管吸入容器中；關閉進水閥，重開進汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經(jīng)排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時，關閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環(huán)，用兩個蛋形容器交替工作，可連續(xù)排水。

薩弗里的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過六米。為了從幾十米深的礦井汲水，須將提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的。

紐科門及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機，用以驅(qū)動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機。這種蒸汽機先在英國，后來在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型產(chǎn)品直到19世紀初還在制造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低，這主要是由于蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價低廉的產(chǎn)煤區(qū)才得到推廣。

1764年，英國的儀器修理工瓦特為格拉斯哥大學修理紐科門蒸汽機模型時，注意到了這一缺點，并于1765年發(fā)明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，并于1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構來驅(qū)動提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。

1782年前后，瓦特將機器進一步改進，完成了兩項重要發(fā)明：在活寒工作行程的中途，關閉進汽閥，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率；使蒸汽在活塞兩面都作功(雙作用式)，以提高輸出功率。這時的活塞既要向下拉動杠桿又要向上推動杠桿，扇形平衡杠桿和拉鏈已不再適用，瓦特使發(fā)明了平行四邊形機構。瓦特還于18世紀末將曲柄連桿機構用在蒸汽機上。

瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速地發(fā)展，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍應用的蒸汽機，并使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機最主要的發(fā)明人。

自18世紀晚期起，蒸汽機不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產(chǎn)量在20多年內(nèi)(從1766年到1789年)增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，加速了資金的積累，并對運輸業(yè)提出了迫切要求。

在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始于1776年,經(jīng)過不斷改進，至1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙脫”號。此后，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百余年之久。

1801年，英國的特里維西克提出了可移動的蒸汽機的概念，1803年，這種利用軌道的可移動蒸汽機首先在煤礦區(qū)出現(xiàn)，這就是機車的雛型。英國的斯蒂芬森將機車不斷改進，于1829年創(chuàng)造了“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節(jié)載有30位乘客的車廂，時速達46公里/時，引起了各國的重視，開創(chuàng)了鐵路時代。

19世紀末，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。

蒸汽機的發(fā)展在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉(zhuǎn)、運行可靠、制造和維修方便等優(yōu)點，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。

蒸汽機按蒸汽在活塞一側(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；按蒸汽是在一個汽缸中膨脹或依次連續(xù)在多個汽缸中膨脹，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。

簡單蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調(diào)速機構和飛輪等部分組成，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)流閥進入滑閥室，受滑閥控制交替地進入汽缸的左側(cè)或右側(cè)，推動活塞運動。

蒸汽機的發(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。初期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀初才達到0.35～0.7兆帕，20世紀20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世紀末還不超過250℃，而到20世紀30年代曾用到450～480℃。

至于效率，瓦特初期連續(xù)運轉(zhuǎn)的蒸汽機，按燃料熱值計總效率不超過3％；到1840年，最好的凝汽式蒸汽機總效率可達8％；到20世紀，蒸汽機最高效率可達到20％以上。

在轉(zhuǎn)速方面，18世紀末瓦特蒸汽機僅40～50轉(zhuǎn)/分；20世紀初轉(zhuǎn)速達到100～300轉(zhuǎn)/分，個別蒸汽機曾達到2500轉(zhuǎn)/分。在功率方面，最初單機功率僅幾馬力，20世紀初的一臺船用蒸汽機的功率可達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)了多級膨脹的蒸汽機。蒸汽機因受到潤滑油閃點的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過400℃，機車，船用等移動式蒸汽機還略低一些，多數(shù)不高于350℃?？紤]到膨脹的可能性和結構的經(jīng)濟性，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功率的進一步提高。

蒸汽機的出現(xiàn)和改進促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，但同時經(jīng)濟的發(fā)展反過來又向蒸汽機提出了更高的要求，如要求蒸汽機功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對蒸汽機作過許多改進，不斷擴大它的使用范圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機和內(nèi)燃機的發(fā)展，蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落。

蒸汽機的弱點是：離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；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；它是一種往復式機器，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，最終以其重量輕，體積小、熱效率高和操作靈活等優(yōu)點，在船舶和機車上逐漸取代了蒸汽機。汽輪機則以其熱效率高、單機功率大、轉(zhuǎn)速高、單位功率重量輕和運行平穩(wěn)等優(yōu)點，將蒸汽機排擠出了電站。

接著電動機又以其使用方便，代替了蒸汽機在工業(yè)設備中的應用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高，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，蒸汽機仍有發(fā)揮作用的余地。

蒸汽機有很大的歷史作用，它曾推動了機械工業(yè)甚至社會的發(fā)展。隨著它的發(fā)展而建立的熱力學和機構學為汽輪機和內(nèi)燃機的發(fā)展奠定了基礎；汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質(zhì)的特點，和采用凝汽器以降低排汽壓力的優(yōu)點，摒棄了往復運動和間斷進汽的缺點；內(nèi)燃機繼承了蒸汽機的基本結構和傳動形式，采用了將燃油直接輸入汽缸內(nèi)燃燒的方式，形成了熱效率高得多的熱力循環(huán)；同時，蒸汽機所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調(diào)速器，閥門和密封件等，均是構成多種現(xiàn)代機械的基本元件。
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