Parní motor - Steam engine

Model paprskového motoru s paralelním propojením Jamese Watta pro dvojí akci.
Mlýn motor z Stott Park Bobbin Mill , Cumbria, Anglie
Parní lokomotiva z východního Německa . Tato třída motoru byla postavena v letech 1942–1950 a fungovala až do roku 1988.
Parní orba od Kemny

Parní stroj je tepelný motor , který vykonává mechanické práce s použitím páry jako jeho pracovní tekutinou . Parní stroj využívá sílu vytvářenou tlakem páry k tlačení pístu tam a zpět uvnitř válce. Tato tlačná síla může být transformována ojnicí a setrvačníkem na rotační sílu pro práci . Termín „parní stroj“ je obecně aplikován pouze na pístové motory, jak bylo právě popsáno, nikoli na parní turbínu . Parní motory jsou motory s vnějším spalováním , kde se pracovní kapalina odděluje od spalin. Ideální termodynamický cyklus použitý k analýze tohoto procesu se nazývá Rankinův cyklus . Obecně se termín parní stroj může vztahovat buď na kompletní parní zařízení (včetně kotlů atd.), Jako jsou železniční parní lokomotivy a přenosné motory , nebo se může vztahovat pouze na pístové nebo turbínové stroje, jako u paprskového motoru a stacionární páry motoru .

Ačkoli zařízení poháněná párou byla známá již jako aeolipil v prvním století našeho letopočtu, s několika dalšími způsoby použití zaznamenanými v 16. a 17. století je Thomas Savery považován za vynálezce prvního komerčně používaného zařízení poháněného párou, parního čerpadla. který využíval tlak páry působící přímo na vodu. První komerčně úspěšný motor, který dokázal na stroj přenášet nepřetržitou energii, vyvinul v roce 1712 Thomas Newcomen . James Watt provedl zásadní zlepšení tím, že odstranil použitou páru do samostatné nádoby pro kondenzaci, což výrazně zlepšilo množství práce získané na jednotku spotřebovaného paliva. V 19. století poháněly továrny průmyslové revoluce stacionární parní stroje . Parní stroje nahradily plachty lodím na lopatkových parnících a parní lokomotivy provozované na železnici.

Pístové parní stroje s vratným pohybem byly dominantním zdrojem energie až do počátku 20. století, kdy pokroky v konstrukci elektromotorů a spalovacích motorů vedly k postupné výměně parních strojů v komerčním využití. Parní turbíny nahradily pístové motory při výrobě energie kvůli nižším nákladům, vyšší provozní rychlosti a vyšší účinnosti.

Dějiny

Rané experimenty

Prvním zaznamenaným rudimentárním „motorem“ poháněným párou byl aeolipil popsaný hrdinou Alexandrie , řeckým matematikem a inženýrem v římském Egyptě v prvním století našeho letopočtu. V následujících stoletích bylo několik známých „motorů“ poháněných párou, stejně jako aeolipil, v podstatě experimentální zařízení, která vynálezci používali k prokázání vlastností páry. Základní zařízení parní turbíny popsal Taqi al-Din v osmanském Egyptě v roce 1551 a Giovanni Branca v Itálii v roce 1629. Španělský vynálezce Jerónimo de Ayanz y Beaumont obdržel v roce 1606 patenty na 50 vynálezů poháněných párou, včetně vodního čerpadla pro odvodnění zaplavených dolů. Denis Papin , Huguenot , provedl v roce 1679 užitečnou práci na parním digestoři a v roce 1690 poprvé použil píst ke zvedání závaží.

Čerpací motory

Prvním komerčním zařízením poháněným párou byla vodní pumpa vyvinutá v roce 1698 Thomasem Saverym . Používá kondenzační páru k vytvoření vakua, které zvedá vodu zespodu, a poté pomocí tlaku páry ji zvýší. Malé motory byly účinné, i když větší modely byly problematické. Měli velmi omezenou výšku zdvihu a byli náchylní k výbuchům kotle . Saveryho motor se používal v dolech, na čerpacích stanicích a dodával vodu do vodních kol pohánějících textilní stroje. Saveryho motor byl levný. Bento de Moura Portugal zavedlo vylepšení Saveryho stavby „aby bylo schopné pracovat samo“, jak popsal John Smeaton ve Filosofických transakcích publikovaných v roce 1751. Výroba pokračovala až do konce 18. století. V roce 1820 byl stále znám nejméně jeden motor.

Pístové parní stroje

Parní stroj Jacoba Leupolda , 1720

Prvním komerčně úspěšným motorem, který dokázal na stroj přenášet nepřetržitou energii, byl atmosférický motor , který vynalezl Thomas Newcomen kolem roku 1712. Vylepšoval se na parním čerpadle Savery pomocí pístu, jak navrhoval Papin. Newcomenův motor byl relativně neefektivní a většinou se používal k čerpání vody. Fungovalo to vytvořením částečného vakua kondenzací páry pod pístem uvnitř válce. Bylo použito k vypouštění důlních děl v hloubkách původně nepraktických tradičními prostředky a k poskytování opakovaně použitelné vody pro pohon vodních kol v továrnách umístěných mimo vhodnou „hlavu“. Voda, která prošla kolem kola, byla čerpána do zásobní nádrže nad kolem. V roce 1780 James Pickard patentoval použití setrvačníku a klikového hřídele k zajištění rotačního pohybu z vylepšeného motoru Newcomen.

V roce 1720 popsal Jacob Leupold dvouválcový vysokotlaký parní stroj. Vynález byl publikován v jeho hlavní práci „Theatri Machinarum Hydraulicarum“. Motor používal dva těžké písty k zajištění pohybu vodního čerpadla. Každý píst byl zvýšen tlakem páry a gravitací se vrátil do své původní polohy. Oba písty sdílely společný čtyřcestný otočný ventil připojený přímo k parnímu kotli.

Early Watt čerpací motor

Další velký krok nastal, když James Watt vyvinul (1763–1775) vylepšenou verzi Newcomenova motoru se samostatným kondenzátorem . Boultonovy a Wattovy rané motory používaly o polovinu méně uhlí než vylepšená verze Newcomen od Johna Smeatona . Newcomenovy a Wattovy rané motory byly „atmosférické“. Byly poháněny tlakem vzduchu tlačícím píst do částečného vakua generovaného kondenzující párou, namísto tlaku expandující páry. Válce motoru musely být velké, protože jedinou použitelnou silou, která na ně působila, byl atmosférický tlak .

Watt svůj motor dále vyvíjel a upravoval jej tak, aby poskytoval rotační pohyb vhodný pro řízení strojů. To umožnilo umístit továrny mimo řeky a zrychlilo tempo průmyslové revoluce.

Vysokotlaké motory

Význam vysokého tlaku spolu se skutečnou hodnotou nad okolní teplotou závisí na době, ve které byl tento termín použit. Pro rané použití termínu Van Reimsdijk odkazuje na páru, která má dostatečně vysoký tlak, aby mohla být vyčerpána do atmosféry bez spoléhání na vakuum, aby mohla vykonávat užitečnou práci. Ewing 1894 , s. 22 uvádí, že Wattovy kondenzační motory byly v té době známy jako nízkotlaké ve srovnání s vysokotlakými nekondenzujícími motory stejného období.

Wattův patent zabránil ostatním ve výrobě vysokotlakých a složených motorů. Krátce poté, co Wattův patent vypršel v roce 1800, Richard Trevithick a samostatně Oliver Evans v roce 1801 představili motory využívající vysokotlakou páru; Trevithick získal patent na vysokotlaký motor v roce 1802 a Evans do té doby vyrobil několik pracovních modelů. Ty byly pro danou velikost válce mnohem silnější než předchozí motory a mohly být dostatečně malé pro dopravní aplikace. Poté technologický vývoj a vylepšení výrobních technik (částečně způsobené přijetím parního stroje jako zdroje energie) vedly k návrhu účinnějších motorů, které by mohly být menší, rychlejší nebo výkonnější, v závislosti na zamýšlené aplikaci.

Motor Cornish byl vyvinut Trevithickem a dalšími v roce 1810. Jednalo se o motor složeného cyklu, který expanzivně využíval vysokotlakou páru, poté kondenzoval nízkotlakou páru, čímž byl relativně účinný. Cornishův motor měl během cyklu nepravidelný pohyb a točivý moment, což ho omezovalo hlavně na čerpání. Cornish motory byly použity v dolech a pro zásobování vodou až do konce 19. století.

Horizontální stacionární motor

První stavitelé stacionárních parních strojů se domnívali, že horizontální válce budou vystaveny nadměrnému opotřebení. Jejich motory byly proto uspořádány s osou pístu ve svislé poloze. Časem se horizontální uspořádání stalo populárnějším, což umožnilo montáž kompaktních, ale výkonných motorů do menších prostor.

Vrcholem horizontálního motoru byl parní stroj Corliss , patentovaný v roce 1849, což byl čtyřventilový protiproudý motor se samostatným přívodem páry a výfukovými ventily a automatickým proměnným vypínáním páry. Když Corliss dostal Rumfordovu medaili , výbor řekl, že „žádný vynález od dob Watta tak nezvyšoval účinnost parního stroje“. Kromě toho, že používá o 30% méně páry, poskytuje rovnoměrnější rychlost díky variabilnímu odlučování páry, takže je vhodný pro výrobu, zejména pro předení bavlny.

Silniční vozidla

Parní lokomotiva z Anglie

První experimentální silniční parní vozidla byla postavena na konci 18. století, ale teprve poté, co Richard Trevithick vyvinul používání vysokotlaké páry, kolem roku 1800, se mobilní parní stroje staly praktickým návrhem. V první polovině 19. století došlo k velkému pokroku v konstrukci parních vozidel a v padesátých letech 19. století bylo životaschopné je vyrábět na komerčním základě. Tento pokrok byl tlumen legislativou, která omezovala nebo zakazovala používání parních vozidel na silnicích. Vylepšení technologie vozidel pokračovala od 60. let do 20. let 20. století. Parní silniční vozidla byla použita pro mnoho aplikací. Ve 20. století vedl rychlý rozvoj technologie spalovacích motorů k zániku parního stroje jako zdroje pohonu vozidel na komerčním základě, přičemž relativně málo jich zůstalo v provozu i po druhé světové válce . Mnoho z těchto vozidel získali nadšenci pro uchování a řada příkladů stále existuje. V 60. letech 20. století způsobily problémy se znečištěním ovzduší v Kalifornii krátké období zájmu o vývoj a studium parních vozidel jako možného prostředku ke snížení znečištění. Kromě zájmu nadšenců páry, příležitostného vozidla s replikami a experimentální technologie se v současné době nevyrábí žádná parní vozidla.

Námořní motory

Námořní parní stroj se třemi expanzemi na oceánografu Hercules z roku 1907

Blízko konce 19. století se široce začaly používat složené motory. Složené motory odsávaly páru do postupně větších válců, aby pojaly vyšší objemy při snížených tlacích, což poskytuje lepší účinnost. Tyto stupně se nazývaly expanze, přičemž běžné byly motory s dvojitou a trojitou expanzí, zejména v lodní dopravě, kde byla účinnost důležitá pro snížení hmotnosti přepravovaného uhlí. Parní stroje zůstaly dominantním zdrojem energie až do počátku 20. století, kdy pokroky v konstrukci parní turbíny , elektromotorů a spalovacích motorů postupně vyústily v náhradu pístových (pístových) parních strojů, přičemž lodní doprava v 20. století spoléhat na parní turbínu.

Parní lokomotivy

Jak vývoj parních strojů postupoval přes 18. století, byly učiněny různé pokusy aplikovat je na silniční a železniční použití. V roce 1784 William Murdoch , skotský vynálezce, postavil modelovou parní silniční lokomotivu. Časný funkční model parní železniční lokomotivy byl navržen a zkonstruován průkopníkem parníku Johnem Fitchem ve Spojených státech pravděpodobně během 1780s nebo 1790s. Jeho parní lokomotiva používala vnitřní lopatková kola vedená kolejnicemi nebo kolejemi.

Union Pacific 844 a parní lokomotiva typu „FEF-3“ 4-8-4 „Northern“

První plně funkční železniční parní lokomotiva byla postavena Richardem Trevithickem ve Spojeném království a dne 21. února 1804 se uskutečnila první železniční cesta na světě, protože Trevithickova nejmenovaná parní lokomotiva táhla vlak z tramvaje z Pen-y-darren železárny, poblíž Merthyr Tydfil na Abercynon v jižním Walesu . Konstrukce zahrnovala řadu důležitých inovací, které zahrnovaly použití vysokotlaké páry, která snížila hmotnost motoru a zvýšila jeho účinnost. Trevithick navštívil oblast Newcastle později v roce 1804 a důlní železnice v severovýchodní Anglii se staly vedoucím centrem experimentování a vývoje parních lokomotiv.

Trevithick pokračoval ve svých vlastních experimentech pomocí trojice lokomotiv, uzavírajíc s Catch Me Who Can v roce 1808. O pouhé čtyři roky později byla u hranatého zábradlí a pastorku Middleton Railway použita úspěšná dvouválcová lokomotiva Salamanca od Matthew Murraye . V roce 1825 George Stephenson postavil Locomotion pro Stockton a Darlington železnice . Jednalo se o první veřejnou parní železnici na světě a poté v roce 1829 postavil The Rocket, do které se přihlásilo, a vyhrál Rainhill Trials . Liverpool a Manchester železnice se otevřel v roce 1830 výrobu výhradní použití parní energie pro osobní i nákladní vlaky.

Parní lokomotivy se i nadále vyráběly až do konce dvacátého století v místech, jako je Čína a bývalé východní Německo (kde se vyráběla třída DR 52,80 ).

Parní turbíny

Poslední hlavní evolucí konstrukce parního stroje bylo použití parních turbín počínaje koncem 19. století. Parní turbíny jsou obecně účinnější než pístové parní stroje s pístovým pohonem (pro výkony nad několik stovek koní), mají méně pohyblivých částí a poskytují rotační energii přímo místo systému ojnic nebo podobných prostředků. Parní turbíny prakticky nahradily pístové motory ve stanicích vyrábějících elektřinu na počátku 20. století, kde byla výhodou jejich účinnost, vyšší rychlost odpovídající službě generátoru a plynulá rotace. Dnes většinu elektrické energie zajišťují parní turbíny. Ve Spojených státech se 90% elektrické energie vyrábí tímto způsobem pomocí různých zdrojů tepla. Parní turbíny byly široce používány pro pohon velkých lodí po většinu 20. století.

Současný vývoj

Přestože pístový parní stroj již není v širokém komerčním využití, různé společnosti zkoumají nebo využívají potenciál motoru jako alternativy ke spalovacím motorům. Společnost Energiprojekt AB ve Švédsku pokročila v používání moderních materiálů pro využití síly páry. Účinnost parního stroje Energiprojekt dosahuje u vysokotlakých motorů přibližně 27–30%. Jedná se o jednostupňový, 5válcový motor (bez směsi) s přehřátou párou a spotřebovává cca. 4 kg (8,8 lb) páry na kWh.

Komponenty a příslušenství parních strojů

Existují dvě základní součásti parního zařízení: kotel nebo parní generátor a „motorová jednotka“, označovaná jako „parní stroj“. Stacionární parní stroje v pevných budovách mohou mít kotel a motor v samostatných budovách v určité vzdálenosti od sebe. Pro přenosné nebo mobilní použití, jako jsou parní lokomotivy , jsou tyto dva namontovány společně.

Široce používaný pístový motor se obvykle skládal z litinového válce, pístu, ojnice a nosníku nebo kliky a setrvačníku a různých vazeb. Pára byla střídavě dodávána a odčerpávána jedním nebo více ventily. Regulace rychlosti byla buď automatická, pomocí regulátoru, nebo pomocí manuálního ventilu. Odlitek válce obsahoval přívody páry a výfukové kanály.

Motory vybavené kondenzátorem jsou jiného typu než ty, které vycházejí do atmosféry.

Často jsou přítomny další komponenty; čerpadla (jako je vstřikovač ) pro dodávku vody do kotle během provozu, kondenzátory pro recirkulaci vody a rekuperaci latentního tepla odpařování a přehřívače ke zvýšení teploty páry nad bod nasycených par a různé mechanismy pro zvýšení koncept pro ohniště. Když je použito uhlí, může být zahrnut řetězový nebo šroubový přikládací mechanismus a jeho hnací motor nebo motor pro přesun paliva ze zásobní nádoby (bunkru) do topeniště.

Zdroj tepla

Teplo potřebné k vaření vody a ke zvýšení teploty páry lze získat z různých zdrojů, nejčastěji ze spalování hořlavých materiálů s odpovídajícím přívodem vzduchu v uzavřeném prostoru (např. Spalovací komora , topeniště , pec ). V případě modelových nebo hračkových parních strojů a několika případů v plném rozsahu může být zdrojem tepla elektrické topné těleso .

Kotle

Průmyslový kotel používaný pro stacionární parní stroj

Kotle jsou tlakové nádoby, které obsahují vodu, která se má vařit, a funkce, které přenášejí teplo do vody co nejefektivněji.

Dva nejběžnější typy jsou:

Vodotrubný kotel
Voda prochází trubkami obklopenými horkým plynem.
Požární trubkový kotel
Horký plyn prochází trubkami ponořenými do vody, stejná voda také cirkuluje ve vodním plášti obklopujícím topeniště a u lokomotivních kotlů s vysokým výkonem také prochází trubkami v samotném topeništi (termické syfony a bezpečnostní oběhová čerpadla).

Požární trubkové kotle byly hlavním typem používaným pro ranou vysokotlakou páru (typická praxe parních lokomotiv), ale byly do značné míry vytlačeny ekonomičtějšími vodními trubkovými kotli na konci 19. století pro lodní pohon a velké stacionární aplikace.

Mnoho kotlů zvyšuje teplotu páry poté, co opustila tu část kotle, kde je v kontaktu s vodou. Známý jako přehřívání , mění „ mokrou páru “ na „ přehřátou páru “. Zabraňuje kondenzaci páry ve válcích motoru a poskytuje výrazně vyšší účinnost .

Motorové jednotky

V parním stroji píst nebo parní turbína nebo jakékoli jiné podobné zařízení pro mechanickou práci odebírá přívod páry při vysokém tlaku a teplotě a vydává přívod páry při nižším tlaku a teplotě, přičemž využívá tolik rozdílu páry energii, jak je to jen možné, na mechanickou práci.

Tyto „motorové jednotky“ se často samy o sobě nazývají „parní stroje“. Motory využívající stlačený vzduch nebo jiné plyny se liší od parních strojů pouze v detailech, které závisí na povaze plynu, přestože v parních strojích byl stlačený vzduch používán beze změny.

Studený dřez

Stejně jako u všech tepelných motorů musí být většina primární energie emitována jako odpadní teplo při relativně nízké teplotě.

Nejjednodušší chladič je odvádět páru do okolního prostředí. To se často používá u parních lokomotiv, aby se zabránilo hmotnosti a objemu kondenzátorů. Část uvolněné páry je odvětrána komínem, aby se zvýšilo čerpání ohně, což výrazně zvyšuje výkon motoru, ale snižuje účinnost.

Někdy je odpadní teplo z motoru užitečné a v takových případech lze dosáhnout velmi vysoké celkové účinnosti.

Parní stroje ve stacionárních elektrárnách používají jako chladič povrchové kondenzátory . Kondenzátory jsou chlazeny proudem vody z oceánů, řek, jezer a často chladicími věžemi, které odpařují vodu, aby zajistily odvod chladicí energie. Výsledná kondenzovaná horká voda ( kondenzát ) je poté čerpána zpět na tlak a odeslána zpět do kotle. Chladicí věž suchého typu je podobná automobilovému chladiči a používá se v místech, kde je voda drahá. Odpadní teplo mohou také odvádět odpařovací (mokré) chladicí věže, které využívají sekundární vnější vodní okruh, který odpařuje část proudu do vzduchu.

Říční lodě zpočátku používaly tryskový kondenzátor, ve kterém se studená voda z řeky vstřikuje do výfukové páry z motoru. Směs chladicí vody a kondenzátu. I když to bylo také použito pro námořní plavidla, obecně po pouhých několika dnech provozu se kotel potáhne usazenou solí, což sníží výkon a zvýší riziko výbuchu kotle. Počínaje rokem 1834 používání povrchových kondenzátorů na lodích eliminovalo zanášení kotlů a zlepšilo účinnost motoru.

Odpařenou vodu nelze použít k následným účelům (jinde než k dešti), zatímco říční vodu lze znovu použít. Ve všech případech je napájecí voda kotle parního zařízení, která musí být udržována čistá, udržována odděleně od chladicí vody nebo vzduchu.

Vstřikovač používá proud páry a vytlačuje vodu do kotle. Vstřikovače jsou neefektivní, ale dostatečně jednoduché, aby byly vhodné pro použití na lokomotivách.

Vodní čerpadlo

Většina parních strojů má prostředky pro dodávku kotlové vody pod tlakem, takže mohou být provozovány nepřetržitě. Užitkové a průmyslové kotle běžně používají vícestupňová odstředivá čerpadla ; používají se však jiné typy. Dalším způsobem, jak přivádět nízkotlakou napájecí vodu z kotle, je vstřikovač , který využívá proud páry obvykle dodávaný z kotle. Vstřikovače se staly populární v roce 1850, ale již nejsou široce používány, s výjimkou aplikací, jako jsou parní lokomotivy. Je to natlakování vody, která cirkuluje přes parní kotel, což umožňuje zvýšit teplotu vody výrazně nad 100 ° C (212 ° F) bodu varu vody při jednom atmosférickém tlaku, a tím zvýšit účinnost parní cyklus.

Monitorování a ovládání

Richardův indikátorový nástroj z roku 1875. Viz: Indikační diagram (níže)

Z bezpečnostních důvodů jsou téměř všechny parní stroje vybaveny mechanismy pro sledování kotle, jako je tlakoměr a průhledítko pro sledování hladiny vody.

Mnoho motorů, stacionárních i mobilních, je také vybaveno regulátorem pro regulaci otáček motoru bez nutnosti zásahu člověka.

Nejužitečnějším nástrojem pro analýzu výkonu parních strojů je indikátor parního stroje. Rané verze byly používány do roku 1851, ale nejúspěšnější indikátor byl vyvinut pro vynálezce a výrobce vysokorychlostních motorů Charles Porter Charlesem Richardem a vystaven na londýnské výstavě v roce 1862. Indikátor parního stroje sleduje na papíře tlak ve válci v celém cyklu, který lze použít k odhalení různých problémů a výpočtu vyvinuté koňské síly. To běžně používali inženýři, mechanici a inspektoři pojištění. Indikátor motoru lze použít také na spalovacích motorech. Viz obrázek diagramu indikátoru níže (v části Typy motorových jednotek ).

Guvernér

Odstředivý regulátor byl přijat James Watt pro použití v parním strojem v roce 1788 poté, co Wattova partnera Boulton viděl jeden na vybavení jednoho mlýna Boulton & Watt stavěli. Guvernér nemohl ve skutečnosti držet nastavenou rychlost, protože by předpokládal novou konstantní rychlost v reakci na změny zatížení. Guvernér byl schopen zvládnout menší variace, jako jsou ty způsobené kolísavým tepelným zatížením kotle. Také tam byla tendence k oscilaci, kdykoli došlo ke změně rychlosti. V důsledku toho motory vybavené pouze tímto regulátorem nebyly vhodné pro operace vyžadující konstantní otáčky, jako je předení bavlny. Regulátor se postupem času zlepšoval a spolu s proměnlivým vypínáním páry bylo dobré řízení rychlosti v reakci na změny zatížení dosažitelné na konci 19. století.

Konfigurace motoru

Jednoduchý motor

U jednoduchého motoru nebo „jediného expanzního motoru“ prochází dávka páry celým procesem expanze v jednotlivém válci, ačkoli jednoduchý motor může mít jeden nebo více jednotlivých válců. Poté je vyčerpán přímo do atmosféry nebo do kondenzátoru. Jak pára expanduje průchodem vysokotlakým motorem, její teplota klesá, protože do systému není přidáváno žádné teplo; toto je známé jako adiabatická expanze a vede k tomu, že pára vstupuje do válce při vysoké teplotě a odchází při nižší teplotě. To způsobí cyklus ohřevu a chlazení válce při každém zdvihu, což je zdrojem neefektivity.

Dominantní ztrátou účinnosti pístových parních strojů je kondenzace a opětovné odpařování válců. Parní válec a přilehlé kovové části/porty pracují při teplotě přibližně v polovině mezi teplotou nasycení pro vstup páry a teplotou nasycení odpovídajícímu tlaku výfukových plynů. Jak je do pracovního válce vpouštěna vysokotlaká pára, velká část vysokoteplotní páry kondenzuje ve formě kapiček vody na kovové povrchy, což výrazně snižuje páru dostupnou pro expanzivní práci. Když expandující pára dosáhne nízkého tlaku (zejména během výfukového zdvihu), dříve usazené kapičky vody, které se právě vytvořily ve válci/přípojkách, nyní vyvaří (opětovné odpaření) a tato pára ve válci již nepracuje.

Poměr expanze válce parního stroje má praktická omezení, protože zvětšování povrchu válce má tendenci zhoršovat problémy s kondenzací a opětovným odpařováním válce. To neguje teoretické výhody spojené s vysokým poměrem roztažnosti v jednotlivém válci.

Složené motory

Způsob, jak snížit velikost ztráty energie na velmi dlouhý válec, vynalezl v roce 1804 britský inženýr Arthur Woolf , který si v roce 1805 nechal patentovat svůj vysokotlaký složený motor Woolf. Ve složeném motoru se vysokotlaká pára z kotle rozšiřuje vysokotlaké (HP) válce a poté vstupuje do jednoho nebo více následných (LP) válců nižším tlakem . Kompletní expanze páry nyní probíhá ve více válcích, přičemž celkový pokles teploty v každém válci je výrazně snížen. Rozšířením páry v krocích s menším teplotním rozsahem (v každém válci) se sníží problém účinnosti kondenzace a opětovného odpaření (popsaný výše). To snižuje velikost ohřevu a chlazení válce a zvyšuje účinnost motoru. Zastavením expanze ve více válcích lze omezit kolísání točivého momentu. K odvození stejné práce z nízkotlakého válce je zapotřebí většího objemu válce, protože tato pára zaujímá větší objem. V nízkotlakých válcích se proto zvýší vrtání a ve vzácných případech i zdvih, což má za následek větší válce.

Motory s dvojitou expanzí (obvykle známé jako složené ) rozšiřovaly páru ve dvou fázích. Páry mohou být duplikovány nebo práce velkého nízkotlakého válce může být rozdělena s jedním vysokotlakým válcem, který se vyčerpá do jednoho nebo druhého, čímž vznikne rozložení tří válců, kde průměr válce a pístu jsou přibližně stejné, takže je vratný masy snáze vyvážit.

Dvouválcové směsi mohou být uspořádány jako:

  • Křížové směsi : Válce jsou vedle sebe.
  • Tandemové směsi : Válce jsou od konce k sobě, pohání společnou ojnici
  • Úhlové sloučeniny : Válce jsou uspořádány do V (obvykle pod úhlem 90 °) a pohání běžnou kliku.

U dvouválcových směsí používaných při železničních pracích jsou písty spojeny s klikou jako u dvouválce jednoduchého v 90 ° mimo fázi mezi sebou (na čtvrtky ). Když je skupina s dvojitou expanzí duplikována a vzniká čtyřválcová směs, jednotlivé písty ve skupině jsou obvykle vyváženy na 180 °, přičemž skupiny jsou nastaveny na 90 ° vůči sobě. V jednom případě (první typ vauclainské směsi ) písty pracovaly ve stejné fázi pohánějící společnou křížovou hlavu a kliku, opět nastavenou na 90 ° jako u dvouválcového motoru. S tříválcovým uspořádáním směsi byly kliky LP buď nastaveny na 90 ° s HP na 135 ° k dalším dvěma, nebo v některých případech byly všechny tři kliky nastaveny na 120 °.

Přijetí kompilace bylo běžné pro průmyslové jednotky, pro silniční motory a téměř univerzální pro lodní motory po roce 1880; to nebylo všeobecně populární v železničních lokomotivách, kde to bylo často vnímáno jako komplikované. To je částečně způsobeno drsným provozním prostředím železnice a omezeným prostorem poskytovaným nakládacím měřidlem (zejména v Británii, kde míchání nebylo nikdy běžné a po roce 1930 nebylo použito). Nicméně, ačkoli nikdy ne ve většině, to bylo populární v mnoha jiných zemích.

Vícenásobné expanzní motory

Animace zjednodušeného enginu s trojitým rozšířením. Vysokotlaká pára (červená) vstupuje z kotle a prochází motorem, vyčerpává se jako nízkotlaká pára (modrá), obvykle do kondenzátoru.

Logickým rozšířením složeného motoru (popsaného výše) je rozdělení expanze na ještě více stupňů za účelem zvýšení účinnosti. Výsledkem je motor s více expanzemi . Tyto motory používají buď tři nebo čtyři expanzní stupně a jsou známy jako trojnásobné a čtyřnásobné expanzní motory . Tyto motory používají řadu válců s postupně se zvětšujícím průměrem. Tyto válce jsou určeny k rozdělení práce na stejné podíly pro každou fázi expanze. Stejně jako u motoru s dvojitou expanzí platí, že pokud je prostor drahý, mohou být pro nízkotlaký stupeň použity dva menší válce. Motory s více expanzemi měly obvykle válce uspořádané řadově, ale používaly se různé jiné formace. Na konci 19. století byl na některých lodních motorech s trojitou expanzí použit vyvažovací „systém“ Yarrow-Schlick-Tweedy . Motory YST rozdělily nízkotlaké expanzní stupně mezi dva válce, jeden na každém konci motoru. To umožnilo lepší vyvážení klikového hřídele, což mělo za následek hladší a rychleji reagující motor, který běžel s menšími vibracemi. Díky tomu byl čtyřválcový trojitý expanzní motor oblíbený u velkých vložek pro cestující (například v olympijské třídě ), ale toto bylo nakonec nahrazeno turbínovým motorem prakticky bez vibrací . Je však třeba poznamenat, že k pohonu lodí Liberty druhé světové války byly použity pístové stroje s trojitou expanzí , což je zdaleka největší počet stejných lodí, jaké kdy byly postaveny. Ve Spojených státech bylo postaveno více než 2700 lodí z britského původního návrhu.

Obrázek v této části ukazuje animaci enginu s trojitým rozšířením. Pára prochází motorem zleva doprava. Ventilový hrudník pro každý z válců je nalevo od příslušného válce.

Pozemní parní stroje mohly vypouštět páru do atmosféry, protože napájecí voda byla obvykle snadno dostupná. Před a během první světové války dominoval expanzní motor v námořních aplikacích, kde vysoká rychlost plavidla nebyla zásadní. Byla však nahrazena britskou parní turbínou, kde byla požadována rychlost, například u válečných lodí, jako jsou bitevní lodě dreadnought a zaoceánské parníky . HMS  Dreadnought z roku 1905 byla první velkou válečnou lodí, která nahradila osvědčenou technologii pístového motoru tehdy novou parní turbínou.

Typy motorových jednotek

Píst s vratným pohybem

Dvojčinný stacionární motor. Toto byl běžný mlýnský motor v polovině 19. století. Všimněte si šoupátka s konkávním spodkem téměř ve tvaru „D“.
Schematický diagram ukazující čtyři události při zdvihu dvojitého pístu. Viz: Monitorování a řízení (výše)

U většiny pístových motorů pára při každém zdvihu (protiproudu) obrací směr svého toku , vstupuje a odchází ze stejného konce válce. Kompletní cyklus motoru zabírá jedno otočení klikou a dva zdvihy pístu; cyklus také zahrnuje čtyři události - přijetí, expanzi, výfuk, kompresi. Tyto události jsou řízeny ventily často pracujícími uvnitř parní komody sousedící s válcem; ventily distribuují páru otevíráním a zavíráním parních portů komunikujících s konci (válci) válce a jsou poháněny ventilovým kolem , kterých je mnoho typů.

Nejjednodušší ozubená kola dávají během cyklu motoru události pevné délky a často způsobují, že se motor otáčí pouze v jednom směru. Mnozí však mají reverzní mechanismus, který navíc může poskytnout prostředky pro úsporu páry, protože rychlost a hybnost se získávají postupným „zkrácením cutoffu “ nebo spíše zkrácením přijímací akce; to zase úměrně prodlužuje dobu expanze. Protože však jeden a tentýž ventil obvykle ovládá oba proudy páry, krátké omezení při vstupu negativně ovlivňuje doby výfuku a stlačování, které by v ideálním případě měly být vždy udržovány poměrně konstantní; je -li událost výfuku příliš krátká, nemůže veškerá výfuková pára vyprázdnit válec, zadusit ho a způsobit nadměrné stlačení ( „zpětný ráz“ ).

Ve čtyřicátých a padesátých letech minulého století došlo k pokusům překonat tento problém pomocí různých patentovaných ozubených kol ventilů se samostatným, variabilním cutoff expanzním ventilem jezdícím na zadní straně hlavního šoupátka; ten měl obvykle pevné nebo omezené omezení. Kombinované nastavení poskytlo spravedlivou aproximaci ideálních událostí na úkor zvýšeného tření a opotřebení a mechanismus byl obvykle komplikovaný. Obvyklým kompromisním řešením bylo poskytnout kolo prodloužením třecích ploch ventilu takovým způsobem, aby se překrýval port na vstupní straně, s tím účinkem, že výfuková strana zůstane otevřená delší dobu po uzavření na vstupním došlo k straně. Tento účel byl od té doby obecně považován za uspokojivý pro většinu účelů a umožňuje použití jednodušších pohybů Stephenson , Joy a Walschaerts . Corliss a později talířové ventilové převody měly oddělené vstupní a výfukové ventily poháněné vypínacími mechanismy nebo vačkami profilovanými tak, aby poskytovaly ideální události; většina těchto zařízení nikdy neuspěla mimo stacionární trh kvůli různým dalším problémům, včetně úniku a choulostivějších mechanismů.

Komprese

Než je výfuková fáze zcela dokončena, výfuková strana ventilu se zavře a uzavře část výfukové páry uvnitř válce. To určuje kompresní fázi, kde se vytvoří polštář páry, proti kterému píst pracuje, zatímco jeho rychlost rychle klesá; navíc odstraňuje tlakový a teplotní šok, který by jinak byl způsoben náhlým přijetím vysokotlaké páry na začátku následujícího cyklu.

Vést

Výše uvedené efekty jsou dále umocněny poskytnutím olova : jak bylo později objeveno u spalovacího motoru , bylo shledáno výhodným od konce třicátých let minulého století postoupit do fáze přijetí, což vede k vedení ventilu, takže k přijetí dojde krátce před koncem výfukový zdvih, aby se vyplnil volný prostor zahrnující otvory a konce válců (není součástí objemu zametaného pístem), než začne pára vyvíjet úsilí na píst.

Uniflow (nebo unflow) motor

Schematická animace uniflow parního stroje .
Tyto talířové ventily jsou řízeny rotující vačkového hřídele v horní části. Vstupuje vysokotlaká pára, červená a výfuky, žlutá.

Motory Uniflow se pokoušejí napravit potíže vyplývající z obvyklého protiproudého cyklu, kdy během každého zdvihu budou port a stěny válce ochlazovány procházející výfukovou párou, zatímco teplejší přiváděná pára ztrácí část své energie při obnově pracovního teplota. Cílem uniflow je napravit tuto závadu a zlepšit účinnost poskytnutím dalšího portu nekrytého pístem na konci každého zdvihu, aby pára proudila pouze v jednom směru. Tímto způsobem uniflow motor s jednoduchým rozšířením poskytuje účinnost ekvivalentní klasickým směsným systémům s přidanou výhodou vynikajícího výkonu při částečném zatížení a srovnatelnou účinnost s turbínami u menších motorů pod tisíc koní. Jednosměrné motory s gradientem tepelné roztažnosti podél stěny válce však způsobují praktické potíže.

Turbínové motory

Rotor moderní parní turbíny , používaný v elektrárně

Parní turbína se skládá z jednoho nebo více rotorů (rotujících kotoučů) namontovaných na hnacím hřídeli, střídajících se s řadou statorů (statických disků) připevněných k plášti turbíny. Rotory mají na vnějším okraji vrtulové uspořádání lopatek. Na tyto lopatky působí pára, která vytváří rotační pohyb. Stator se skládá z podobné, ale pevné řady lopatek, které slouží k přesměrování proudu páry na další stupeň rotoru. Parní turbína často odsává do povrchového kondenzátoru, který poskytuje vakuum. Stupně parní turbíny jsou obvykle uspořádány tak, aby ze specifické rychlosti a tlaku páry byly získány maximální potenciální práce, což vedlo k sérii různě velkých stupňů vysokého a nízkého tlaku. Turbíny jsou účinné pouze tehdy, pokud se otáčejí relativně vysokou rychlostí, proto jsou obvykle připojeny k redukčnímu převodu pro pohon aplikací s nižší rychlostí, jako je lodní vrtule. V drtivé většině velkých elektrárenských stanic jsou turbíny přímo spojeny s generátory bez redukčního převodu. Typické rychlosti jsou 3600 otáček za minutu (RPM) ve Spojených státech s výkonem 60 Hertz a 3000 RPM v Evropě a dalších zemích s 50 Hertzovými elektrickými energetickými systémy. V aplikacích jaderné energie turbíny obvykle běží na poloviční rychlost, 1 800 ot / min a 1 500 ot / min. Rotor turbíny je také schopen poskytovat energii pouze při otáčení v jednom směru. Tam, kde je potřeba energie v opačném směru, je proto obvykle vyžadován stupeň couvání nebo převodovka.

Parní turbíny poskytují přímou rotační sílu, a proto nevyžadují vazební mechanismus pro převod vratného na rotační pohyb. Produkují tedy plynulejší rotační síly na výstupním hřídeli. To přispívá k nižším nárokům na údržbu a menšímu opotřebení strojů, které pohánějí, než srovnatelný pístový motor.

Turbinia - první parní turbína silové loď

Hlavní využití parních turbín je při výrobě elektřiny (v 90. letech 20. století bylo asi 90% světové výroby elektrické energie využíváno parních turbín), nicméně nedávné rozšířené používání velkých jednotek plynových turbín a typických elektráren s kombinovaným cyklem vedlo ke snížení toto procento k 80% režimu pro parní turbíny. Při výrobě elektřiny se vysoká rychlost otáčení turbíny dobře shoduje s rychlostí moderních elektrických generátorů, které jsou obvykle přímo spojeny s jejich hnacími turbínami. V námořní službě (průkopníkem na Turbinii ) dominovaly parní turbíny s redukčním převodem (ačkoli Turbinia má přímé turbíny na vrtule bez redukční převodovky) na konci 20. století dominovaly pohonu velkých lodí, byly efektivnější (a vyžadovaly mnohem méně údržby) než pístové parní stroje. V posledních desetiletích pístové motory a plynové turbíny téměř úplně vytlačily parní pohon pro námořní aplikace.

Prakticky všechny jaderné elektrárny vyrábějí elektřinu ohřevem vody, která poskytuje páru, která pohání turbínu připojenou k elektrickému generátoru . Lodě a ponorky s jaderným pohonem buď používají parní turbínu přímo pro hlavní pohon, přičemž generátory poskytují pomocnou energii, nebo také využívají turboelektrický přenos , kde pára pohání turbogenerátor s pohonem zajišťovaným elektromotory. Byl vyroben omezený počet parních lokomotiv pro železniční lokomotivy . Některé nekondenzující lokomotivy s přímým pohonem se setkaly s určitým úspěchem pro dálkovou nákladní dopravu ve Švédsku a pro expresní práci cestujících v Británii , ale nebyly opakovány. Jinde, zejména ve Spojených státech, byly pokročilejší konstrukce s elektrickým přenosem stavěny experimentálně, ale nebyly reprodukovány. Bylo zjištěno, že parní turbíny nebyly ideálně vhodné pro železniční prostředí a tyto lokomotivy nedokázaly vytlačit klasickou pístovou parní jednotku tak, jak to dokázala moderní naftová a elektrická trakce.

Oscilační válcové parní stroje

Oscilační válcový parní stroj je variantou jednoduchého expanzního parního stroje, který nevyžaduje ventily pro směrování páry do a ven z válce. Namísto ventilů se celý válec houpá nebo osciluje, takže jeden nebo více otvorů ve válci je v zákrytu s otvory v pevném portovém čele nebo v čepovém uložení ( čep ). Tyto motory se kvůli své jednoduchosti používají hlavně v hračkách a modelech, ale byly také použity v pracovních motorech plné velikosti, hlavně na lodích, kde se cení jejich kompaktnost.

Rotační parní stroje

Místo válců a ventilového převodu konvenčního pístového parního stroje je možné použít mechanismus založený na bezpístovém rotačním motoru , jako je Wankelův motor. Mnoho takových motorů bylo navrženo, od dob Jamese Watta až po současnost, ale relativně málo jich bylo skutečně vyrobeno a ještě méně jich šlo do kvantové výroby; další podrobnosti najdete v odkazu v dolní části článku. Hlavním problémem je obtížnost utěsnění rotorů, aby byly parotěsné tváří v tvář opotřebení a tepelné roztažnosti ; výsledný únik je velmi neefektivní. Nedostatek rozsáhlé práce nebo jakýkoli způsob kontroly mezní hodnoty je také vážným problémem mnoha takových návrhů.

Ve čtyřicátých letech 19. století bylo jasné, že koncept má inherentní problémy a rotační motory byly v technickém tisku považovány za určité posměšky. Příchod elektřiny na scénu a zjevné výhody řízení dynama přímo z vysokorychlostního motoru však v 80. a 90. letech 19. století vedly k oživení zájmu a několik návrhů mělo omezený úspěch.

Z několika návrhů, které byly vyrobeny v množství, jsou pozoruhodné návrhy společnosti Hult Brothers Rotary Steam Engine Company ze Stockholmu ve Švédsku a sférický motor Beauchamp Tower . Towerovy motory používala Velká východní železnice k pohonu světelných dynam na svých lokomotivách a Admiralita k řízení dynam na palubách lodí královského námořnictva . V těchto specializovaných aplikacích byly nakonec nahrazeny parními turbínami.

Perokresba koule zavěšené mezi dvěma sloupky tvořící vodorovnou osu.  Dvě pravoúhlé paprskové ramena na obvodu vytlačují páru, která byla vyrobena vařením vody v uzavřené nádobě pod dvěma sloupky, které jsou duté a nechávají páru proudit do vnitřku koule.
An aeolipile otáčí vzhledem k páry unikající z ramen. Tento efekt nebyl prakticky využit.

Typ rakety

Aeolipile představuje použití páry ze strany principu raketového-reakce , i když ne pro přímý pohon.

V modernější době došlo k omezenému používání páry pro raketovou techniku ​​- zejména pro raketová auta. Parní raketa funguje tak, že se tlaková nádoba naplní horkou vodou pod vysokým tlakem a otevře se ventil vedoucí k vhodné trysce. Pokles tlaku okamžitě uvaří část vody a pára opouští trysku a vytváří hnací sílu.

V roce 1679 byl kočár Ferdinanda Verbesta poháněn aeolipilem.

Bezpečnost

Parní stroje mají kotle a další součásti, což jsou tlakové nádoby, které obsahují velké množství potenciální energie. Úniky páry a výbuchy kotle (typicky BLEVE ) mohou a v minulosti mohly způsobit velké ztráty na životech. I když v různých zemích mohou existovat rozdíly v normách, pro zajištění bezpečnosti se používají přísné právní předpisy, testování, školení, péče o výrobu, provoz a certifikace.

Režimy selhání mohou zahrnovat:

  • přetlakování kotle
  • nedostatek vody v kotli způsobující přehřátí a selhání nádoby
  • nahromadění usazenin a vodního kamene, které způsobují lokální horká místa, zejména u říčních lodí využívajících špinavou napájecí vodu
  • porucha tlakové nádoby kotle v důsledku nevhodné konstrukce nebo údržby.
  • únik páry z potrubí/kotle způsobující opaření

Parní stroje často disponují dvěma nezávislými mechanismy, které zajišťují, aby tlak v kotli neklesl příliš vysoko; jeden může být upraven uživatelem, druhý je typicky navržen jako konečná ochrana proti selhání. Tyto pojistné ventily tradičně používaly jednoduchou páku k zajištění uzavíracího ventilu v horní části kotle. Jeden konec páky nesl závaží nebo pružinu, která bránila ventilu proti tlaku páry. Časné ventily mohly být upraveny řidiči motoru, což vedlo k mnoha nehodám, když řidič upevnil ventil dolů, aby umožnil větší tlak páry a větší výkon motoru. Novější typ pojistného ventilu používá nastavitelný pružinový ventil, který je uzamčen tak, že obsluha nesmí zasahovat do jeho seřízení, pokud není nezákonně porušeno těsnění. Toto uspořádání je podstatně bezpečnější.

V koruně topeniště kotle mohou být přítomny olověné tavné zátky . Pokud hladina vody klesne tak, že se teplota koruny topeniště výrazně zvýší, olovo se roztaví a unikne pára, což varuje obsluhu, která pak může oheň ručně potlačit. Kromě těch nejmenších kotlů má únik páry malý vliv na tlumení ohně. Zátky jsou také příliš malé na to, aby výrazně snížily tlak páry, čímž došlo k odtlakování kotle. Pokud by byly nějaké větší, samotný objem unikající páry by posádku ohrozil.

Parní cyklus

Vývojový diagram čtyř hlavních zařízení použitých v Rankinově cyklu . 1). Čerpadlo napájecí vody 2). Kotel nebo parní generátor 3). Turbína nebo motor 4). Kondenzátor; kde Q = teplo a W = práce. Většina tepla je odmítnuta jako odpad.

Rankinův cyklus je základním termodynamickým základem parního stroje. Cyklus je uspořádání součástí, které se obvykle používá pro jednoduchou výrobu energie, a využívá fázovou změnu vody (vroucí voda produkující páru, kondenzující odpadní páru, produkující kapalnou vodu)) k zajištění praktického systému přeměny tepla/energie. Teplo je dodáváno externě do uzavřené smyčky, přičemž část přidaného tepla je převedena na práci a odpadní teplo je odebíráno v kondenzátoru. Rankinův cyklus se používá prakticky ve všech aplikacích výroby parní energie. V devadesátých letech generovaly parní cykly Rankine asi 90% veškeré elektrické energie používané na celém světě, včetně prakticky všech solárních , biomasových , uhelných a jaderných elektráren . Je pojmenována podle Williama Johna Macquorna Rankina , skotského polymatha .

Rankinův cyklus je někdy označován jako praktický Carnotův cyklus, protože když je použita účinná turbína, TS diagram začíná připomínat Carnotův cyklus. Hlavní rozdíl je v tom, že přidání tepla (v kotli) a odmítnutí (v kondenzátoru) jsou izobarické (konstantní tlak) procesy v Rankinově cyklu a izotermické (konstantní teplota ) procesy v teoretickém Carnotově cyklu. V tomto cyklu se používá čerpadlo k natlakování pracovní tekutiny, která je přijímána z kondenzátoru jako kapalina, nikoli jako plyn. Čerpání pracovní tekutiny v kapalné formě během cyklu vyžaduje malý zlomek energie k jejímu transportu ve srovnání s energií potřebnou ke stlačení pracovní tekutiny v plynné formě v kompresoru (jako v Carnotově cyklu ). Cyklus pístového parního stroje se liší od cyklu turbín v důsledku kondenzace a opětovného odpařování, ke kterým dochází ve válci nebo v parních vstupních kanálech.

Pracovní tekutina v Rankinově cyklu může fungovat jako systém s uzavřenou smyčkou, kde je pracovní tekutina kontinuálně recyklována, nebo to může být systém s „otevřenou smyčkou“, kde se odpadní pára uvolňuje přímo do atmosféry, a jako samostatný zdroj vody napájení kotle je dodáváno. Voda je obvykle tekutinou volby díky svým příznivým vlastnostem, jako je netoxická a nereaktivní chemie, množství, nízké náklady a termodynamické vlastnosti . Rtuť je pracovní tekutina v rtuťové parní turbíně . Nízkovroucí uhlovodíky mohou být použity v binárním cyklu .

Parní stroj hodně přispěl k rozvoji termodynamické teorie; jedinou aplikací vědecké teorie, která ovlivnila parní stroj, byly původní koncepce využití síly páry a atmosférického tlaku a znalost vlastností tepla a páry. Experimentální měření provedená Wattem na modelovém parním stroji vedla k vývoji samostatného kondenzátoru. Watt nezávisle objevil latentní teplo , což potvrdil původní objevitel Joseph Black , který Wattovi také poradil ohledně experimentálních postupů. Watt si byl také vědom změny bodu varu vody s tlakem. Jinak byla vylepšení samotného motoru mechaničtější povahy. Termodynamické koncepty Rankinova cyklu poskytly inženýrům porozumění potřebné pro výpočet účinnosti, což pomohlo vývoji moderních vysokotlakých a teplotních kotlů a parní turbíny.

Účinnost

Účinnost cyklu motoru lze vypočítat vydělením energetického výdeje mechanické práce, kterou motor produkuje, energií vloženou do motoru spalujícím palivem.

Historickým měřítkem energetické účinnosti parního stroje byla jeho „povinnost“. Koncept povinnosti poprvé představil Watt, aby ilustroval, o kolik účinnější byly jeho motory oproti dřívějším návrhům Newcomen . Duty je počet noze-buší z práce dodaných spálením jeden bušl (94 liber) uhlí. Nejlepší příklady návrhů Newcomenu měly povinnost asi 7 milionů, ale většina se blížila 5 milionům. Wattovy původní nízkotlaké konstrukce byly schopné dodat clo až 25 milionů, ale v průměru asi 17. To bylo trojnásobné zlepšení oproti průměrnému designu Newcomen. Early Watt motory vybavené vysokotlakou párou to zlepšily na 65 milionů.

Žádný tepelný motor nemůže být účinnější než Carnotův cyklus , ve kterém se teplo přesouvá z vysokoteplotního zásobníku do jednoho při nízké teplotě a účinnost závisí na teplotním rozdílu. Pro maximální účinnost by parní stroje měly být provozovány s nejvyšší možnou teplotou páry ( přehřátá pára ) a uvolňovat odpadní teplo při nejnižší možné teplotě.

Účinnost Rankinova cyklu je obvykle omezena pracovní tekutinou. Bez toho, aby tlak dosáhl nadkritických úrovní pro pracovní tekutinu, je teplotní rozsah, ve kterém může cyklus fungovat, malý; v parních turbínách jsou vstupní teploty turbíny obvykle 565 ° C ( mez tečení nerezové oceli) a teploty kondenzátoru se pohybují kolem 30 ° C. To dává teoretickou účinnost Carnotu asi 63% ve srovnání se skutečnou účinností 42% u moderní uhelné elektrárny. Tato nízká vstupní teplota turbíny (ve srovnání s plynovou turbínou ) je důvodem, proč se Rankinův cyklus často používá jako spodní cyklus v elektrárnách s plynovými turbínami s kombinovaným cyklem .

Jednou z hlavních výhod, které má Rankinův cyklus oproti ostatním, je to, že během kompresního stupně je k pohonu čerpadla zapotřebí relativně málo práce, přičemž pracovní tekutina je v tomto bodě v kapalné fázi. Kondenzací kapaliny spotřebuje práce nutná čerpadlem pouze 1% až 3% výkonu turbíny (nebo pístového motoru) a přispívá k mnohem vyšší účinnosti skutečného cyklu. Výhoda tohoto je poněkud ztracena v důsledku nižší teploty přidávání tepla. Například plynové turbíny mají vstupní teploty turbíny blížící se 1 500 ° C. Nicméně účinnost skutečných velkých parních cyklů a velkých moderních jednoduchých cyklů plynových turbín je poměrně dobře sladěna.

V praxi bude mít cyklus pístového parního stroje odsávající páru do atmosféry účinnost (včetně kotle) ​​v rozmezí 1–10%, ale s přidáním kondenzátoru, Corlissových ventilů, vícenásobné expanze a vysokého tlaku páry /teplota, může být výrazně zlepšena, historicky v rozmezí 10–20%a velmi zřídka mírně vyšší.

Moderní, velká elektrická elektrárna (produkující několik set megawattů elektrického výkonu) s ohřevem párou , ekonomizérem atd. Dosáhne účinnosti v rozmezí 40%, přičemž nejúčinnější jednotky se blíží 50% tepelné účinnosti.

Je také možné zachytit odpadní teplo pomocí kogenerace, ve které se odpadní teplo používá k ohřevu pracovní tekutiny s nižším bodem varu nebo jako zdroj tepla pro dálkové vytápění prostřednictvím nasycené nízkotlaké páry.

Viz také

Poznámky

Reference

Reference

Další čtení

externí odkazy