Machine à vapeur
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Un moteur à vapeur est une moteur thermique qui effectue un travail mécanique à l'aide la vapeur comme son fluide de travail.
Utilisation de l'eau bouillante pour produire le mouvement mécanique remonte à environ 2000 années, mais les premiers appareils ne étaient pas pratique. Depuis la fin des années 1700 les machines à vapeur sont devenus une source importante de la puissance mécanique. Les premières applications ont été Retirer l'eau de mines. En 1781, James Watt breveté un moteur à vapeur qui produit mouvement de rotation continue. Ces moteurs de 10HP permis une large gamme de machines de fabrication pour être alimenté. Les moteurs peuvent être situés ne importe où que l'eau et le charbon ou le bois de chauffage pourraient être obtenus. En un siècle, en 1883, les moteurs qui pourraient fournir 10 000 hp étaient réalisables. moteurs à vapeur pourraient également être appliquées aux véhicules tels que les moteurs de traction et la locomotives de chemin de fer qui sont communément appelés simplement des machines à vapeur extérieur de l'Amérique. La machine à vapeur fixe était un élément important de la révolution industrielle , surmonter les limitations imposées par la pénurie de sites appropriés pour des usines d'eau et permettant de localiser les usines où le pouvoir de l'eau ne était pas disponible.
Aujourd'hui turbines à vapeur produisent environ 90% de la l'énergie électrique aux Etats-Unis en utilisant une variété de sources de chaleur.
moteurs à vapeur sont des moteurs à combustion externe, où le fluide de travail est séparé des produits de combustion. Des sources de chaleur autres que la combustion tels que l'énergie solaire, l'énergie nucléaire ou l'énergie géothermique peut être utilisé. Le cycle thermodynamique idéal utilisé pour analyser ce processus est appelé la Cycle de Rankine. Dans l'eau du cycle est chauffé en vapeur dans une chaudière jusqu'à ce qu'il atteigne une pression élevée. Lorsque élargi grâce à pistons ou des turbines, travail mécanique est fait. La vapeur à pression réduite est ensuite condensée et pompée dans la chaudière.
Dans l'usage général, la machine à vapeur de terme peut désigner soit les centrales à vapeur intégrés (y compris les chaudières etc.) tels que chemin de fer locomotives à vapeur et moteurs portables, ou peuvent se référer à la machine à piston ou à turbine seul, comme dans le Moteur faisceau et machine à vapeur fixe. Dispositifs spécialisés tels que marteaux à vapeur et de la vapeur sonnettes sont tributaires de la vapeur fournie à partir d'un séparée chaudière.
Histoire
Depuis le début du 18e siècle, la puissance de la vapeur a été appliquée à une variété d'utilisations pratiques. Au début, il a été appliqué aux pompes à pistons, mais des machines rotatives années 1780 (ce est à dire ceux conversion un mouvement alternatif en mouvement rotatif) ont commencé à apparaître, la conduite de machinerie d'usine tels que filature et mules métiers à tisser mécaniques. Au tournant du 19e siècle, le transport de vapeur à la fois sur terre et sur mer a commencé à faire son apparition devenir de plus en plus dominante au cours du siècle.
moteurs à vapeur peut être dit avoir été la force motrice derrière la révolution industrielle et a vu l'utilisation commerciale à grande échelle des machines dans les usines, les usines et les mines de conduire; alimentation les stations de pompage; et propulser des appareils de transport tels que les locomotives, les navires et les véhicules routiers. Leur utilisation dans l'agriculture a conduit à une augmentation de la surface disponible pour la culture.
Le poids des chaudières et des condenseurs fait généralement rapport puissance-poids d'une centrale thermique à vapeur plus faible que pour moteurs à combustion interne. Pour les applications mobiles de la vapeur a été largement remplacée par les moteurs à combustion interne ou moteurs électriques. Cependant, la plupart d'énergie électrique est généré en utilisant la vapeur installation de turbine, de sorte que indirectement l'industrie du monde est encore dépendant de la puissance de la vapeur . Les récentes préoccupations au sujet des sources de carburant et la pollution ont incité un regain d'intérêt dans la vapeur à la fois comme une composante de processus de cogénération et comme un motrice. Ce est de plus connu sous le nom Mouvement de vapeur avancée.
Les premières expériences
L'histoire de la machine à vapeur remonte aussi loin que le premier siècle de notre ère; la machine à vapeur rudimentaire première enregistrée étant la aeolipile décrit par Mathématicien grec Héron d'Alexandrie. Dans les siècles suivants, les quelques «moteurs» à vapeur étaient connus, comme le aeolipile, dispositifs expérimentaux utilisés essentiellement par les inventeurs pour démontrer les propriétés de vapeur. Un rudimentaire Dispositif de turbine à vapeur a été décrit par Taqi al-Din en 1551 et en Giovanni Branca en 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont reçu brevets en 1606 pour cinquante vapeur alimenté inventions, notamment une pompe à eau pour drainer mines inondées. Denis Papin, un réfugié huguenot, a fait un travail utile sur le vapeur digesteur en 1679, et d'abord utilisé un piston de soulever des poids en 1690.
moteurs de pompage
Le premier dispositif à vapeur commercial a été une pompe à eau, développé en 1698 par Thomas Savery. Il a utilisé un vide pour élever l'eau par le bas, puis utilisé pression de vapeur de l'élever plus haut. Petits moteurs étaient efficaces si grands modèles étaient problématiques. Ils ont prouvé que d'avoir une hauteur de levée limitée et étaient sujettes à explosions de chaudières. Il a reçu une certaine utilisation dans les mines, stations de pompage et pour fournir les roues d'eau utilisées pour machines puissance de textile. Une caractéristique intéressante du moteur Savery était son faible coût. Il a continué à être fabriqués jusqu'à la fin du 18e siècle. Un moteur était encore connu à fonctionner en 1820.
Le premier moteur véritable succès commercial est le moteur atmosphérique, inventé par Thomas Newcomen autour de 1712. Il a fait usage de technologies découverts par Savery et Papin. Le moteur de Newcomen était relativement inefficace, et dans la plupart des cas a été utilisé pour pomper l'eau. Il travaille en créant un vide partiel par condensation de vapeur sous un piston dans un cylindre. Il a été employé pour drainer chantiers miniers à des profondeurs jusqu'alors impossibles, et aussi pour assurer un approvisionnement en eau réutilisable pour la conduite roues hydrauliques dans les usines situées loin de la "tête" approprié. L'eau qui se était passé sur la roue a été pompé remonter dans un réservoir de stockage dessus de la roue.
En 1720, Jacob Leupold décrit un moteur à vapeur haute pression à deux cylindres. L'invention a été publiée dans son œuvre majeure «Theatri Machinarum Hydraulicarum". Le moteur utilisé deux pistons de plomb pondérée fournissant un mouvement continu à une pompe à eau. Chaque piston a été soulevé par la pression de vapeur et est retourné à sa position d'origine par gravité. Les deux pistons ont partagé une vanne rotative à quatre voies commune connectée directement à une chaudière à vapeur.
La prochaine étape importante se est produite lorsque James Watt développé (1763-1775) une version améliorée du moteur de Newcomen, avec un condenseur séparé. Boulton et début des moteurs de Watt moitié utilisé autant de charbon que Version améliorée de John Smeaton de Newcomen de. Newcomen et au début des moteurs de Watt étaient «atmosphérique». Ils ont été alimentés par la pression de l'air en poussant un piston dans la partielle vide généré par condenser la vapeur, à la place de la pression de la vapeur en expansion. Le moteur cylindres devaient être grande parce que la seule force utilisable agir sur eux était dû à pression atmosphérique.
Watt a procédé à développer son moteur plus loin, le modifier pour fournir un mouvement rotatif apte à entraîner les machines de l'usine. Cette usines permis d'être situés loin des rivières, et encore accéléré le rythme de la révolution industrielle.
Vers 1800 Richard Trevithick et, séparément, Oliver Evans en 1801 introduit motrices utilisant la vapeur à haute pression; Trevithick obtenu son brevet de moteur à haute pression en 1802. Ceux-ci étaient beaucoup plus puissant pour une taille de cylindre donné que les moteurs précédents et pourraient être assez petit pour les applications de transport. Par la suite, les développements technologiques et l'amélioration des techniques de fabrication (en partie provoquée par l'adoption de la machine à vapeur comme source d'énergie) ont abouti à la conception de moteurs plus efficaces qui pourraient être plus petit, plus rapide ou plus puissante, en fonction de l'application visée.
Le Cornish moteur a été développé par Trevithick et d'autres dans les années 1810. Ce était un moteur à cycle composé utilisé vapeur à haute pression expansive, ensuite condensé du vapeur à basse pression, ce qui rend relativement efficace. Le moteur avait Cornish mouvement irrégulier et le couple si le cycle, ce qui limite principalement pour le pompage. Machines de Cornouailles ont été utilisés dans les mines et pour l'approvisionnement en eau jusqu'à la fin du 19e siècle.
Moteur stationnaire horizontale
Le Machine à vapeur Corliss, un moteur à contre-courant à quatre soupapes avec admission de vapeur séparé et soupapes d'échappement et de la vapeur variable automatique coupé, a été appelé l'avancée la plus significative dans le moteur de la vapeur depuis que James Watt. En plus d'utiliser moins de vapeur de 30% a fourni vitesse plus uniforme, ce qui rend bien adapté à la fabrication, notamment la filature du coton.
Moteurs marins
Près de la fin des moteurs 19e composés siècle est entré en usage répandu. moteurs de composés épuisés vapeur pour successivement des bouteilles plus grandes pour accueillir les volumes plus élevés à des pressions réduites, donnant une meilleure efficacité. Ces étapes ont été appelés extensions, avec des moteurs doubles et triples expansion étant commune, en particulier dans le transport maritime où l'efficacité était important de réduire le poids du charbon transporté.
moteurs à vapeur sont restés la principale source d'alimentation jusqu'à ce que le début du 20e siècle, où les progrès dans la conception de des moteurs électriques et moteurs à combustion interne ont entraîné progressivement dans le remplacement des moteurs alternatifs (piston) de vapeur à usage commercial, et l'ascendant de turbines à vapeur dans la production d'électricité. Aujourd'hui, la plupart puissance de la vapeur est fournie par des turbines.
Locomotives à vapeur
Comme le développement de moteurs à vapeur a progressé à travers le 18ème siècle, diverses tentatives ont été faites pour les appliquer à la route et l'utilisation de chemin de fer. En 1784, William Murdoch, un écossais inventeur, construit un prototype route locomotive à vapeur. Un modèle de travail au début d'une locomotive à vapeur ferroviaire a été conçu et construit par le pionnier bateau à vapeur John Fitch aux États-Unis probablement pendant les années 1780 ou 1790. Sa locomotive à vapeur utilisée roues à aubes intérieures guidées par des rails ou des pistes.
La première pleine échelle locomotive à vapeur de chemin de fer de travail a été construit par Richard Trevithick dans le Royaume-Uni et, le 21 Février 1804, premier voyage de chemin de fer du monde a eu lieu comme locomotive à vapeur sans nom de Trevithick transporté un train le long de la ligne de tramway de la Forges Pen-y-darren, près de Merthyr Tydfil au Abercynon dans le sud du Pays de Galles . La conception a incorporé un certain nombre d'innovations importantes qui incluaient utilisant de la vapeur à haute pression qui réduit le poids du moteur et augmente son efficacité. Trevithick a visité la région de Newcastle tard en 1804 et de la chemins de fer des houillères dans le nord-est de l'Angleterre est devenu le principal centre d'expérimentation et de développement de locomotives à vapeur. Trevithick poursuit ses propres expériences en utilisant un trio de locomotives, de conclure avec le Catch Me Who Can en 1808. Seulement quatre ans plus tard, le succès des locomotives bi-cylindre Salamanque Matthew Murray a été utilisé par le bord pestait crémaillère Middleton Railway. En 1825, George Stephenson a construit le La locomotion pour le Stockton et Darlington Railway. Ce était le premier chemin de fer à vapeur publique dans le monde, puis en 1829, il a construit Le Rocket, qui a été entré dans et a remporté les essais Rainhill . Le chemin de fer de Liverpool et de Manchester a ouvert en 1830 faisant usage exclusif de la puissance de la vapeur pour les passagers et les trains de marchandises.
Les locomotives à vapeur ont continué à être fabriqué jusqu'à la fin du XXe siècle dans des endroits comme La Chine et les ex-Allemagne de l'Est.
Turbines à vapeur
L'évolution majeure finale de la conception du moteur à vapeur était l'utilisation de la vapeur turbines à partir de la dernière partie du 19e siècle. Turbines sont plus efficaces que pistons, avoir moins de pièces mobiles, et de fournir une énergie de rotation directement plutôt que par un système à bielle ou des moyens similaires. Les turbines à vapeur entièrement remplacés moteurs alternatifs dans les stations de production d'électricité après le tournant du 20e siècle, où leur efficacité, vitesse plus élevée et une rotation régulière des avantages et leur manque de souplesse de la vitesse optimale était sans importance. Turbines ont été largement appliquées pour la propulsion des grands navires pour des raisons similaires.
Développement actuel
Bien que le moteur à vapeur alternatif ne est plus en cours d'utilisation commerciale à grande échelle, diverses entreprises explorent ou d'exploiter le potentiel du moteur comme une alternative à combustion interne des moteurs des Energiprojekt société AB en Suède a fait des progrès dans l'utilisation de matériaux modernes pour exploiter la puissance de vapeur. L'efficacité de la machine à vapeur de Energiprojekt atteint quelque 27 à 30% sur les moteurs à haute pression. Ce est une seule étape, le moteur cinq cylindres (aucun composé) à la vapeur surchauffée et consomme environ. 4 kg (8,8 lb) de vapeur par kWh.
Composants et accessoires de machines à vapeur
Il ya deux éléments fondamentaux d'une plante de la vapeur: la chaudière ou générateur de vapeur, et le "groupe moteur", appelé lui-même comme une «machine à vapeur». Machines à vapeur fixes dans les bâtiments fixes peuvent avoir la chaudière et le moteur dans des bâtiments séparés d'une certaine distance. Pour une utilisation portative ou mobile, tel que locomotives à vapeur, les deux sont montés ensemble.
Le moteur à pistons largement utilisé typiquement composées d'un cylindre en fonte, piston, une tige et un faisceau ou une manivelle et le volant, et divers liens de raccordement. La vapeur est alimentée alternativement et épuisé par une ou plusieurs vannes. Contrôle de la vitesse était soit automatique, l'aide d'un gouverneur, ou par une vanne manuelle. Le cylindre de coulée contenue alimentation en vapeur et des orifices d'échappement.
Les moteurs équipés d'un réfrigérant sont un type distinct de ceux que l'échappement à l'atmosphère.
D'autres composants sont souvent présentes; pompes (tels qu'un Injecteur) pour fournir l'eau à la chaudière pendant le fonctionnement, des condensateurs pour faire recirculer l'eau et récupérer le chaleur latente de vaporisation, et surchauffeurs pour élever la température de la vapeur au-dessus de son point de vapeur saturée, et divers mécanismes pour accroître le projet de foyers. Lorsque le charbon est utilisé, un mécanisme chaîne ou vis attisant et son moteur d'entraînement ou le moteur peuvent être inclus pour déplacer le carburant à partir d'un bac d'alimentation (de soute) à la chambre de combustion. Voir: Stoker mécanique
Chaudières
Chaudières sont récipients sous pression contenant de l'eau à bouillir, et une sorte de mécanisme de le transfert de la chaleur à l'eau de manière à la faire bouillir.
Les deux procédés les plus courants de transférer de la chaleur à l'eau sont les suivants:
- chaudière à tubes d'eau - l'eau est contenue dans ou courir à travers un ou plusieurs tubes entouré par des gaz chauds
- Chaudière à tube-foyer - l'eau remplit partiellement un récipient au-dessous ou à l'intérieur, qui est une chambre de combustion ou du four et les tubes de fumées à travers lequel les gaz chauds se écoulent
chaudières à tubes de fumée étaient le principal type utilisé pour le début de la vapeur à haute pression, mais ils ont été déplacées par plus sûres chaudières à tubes d'eau à la fin du 19e siècle.
Une fois allumé, à la vapeur, de nombreuses chaudières élever la température de la vapeur plus loin, tournant » vapeur humide »en« vapeur surchauffée. Cette utilisation de évite une surchauffe de la vapeur de condensation à l'intérieur du moteur, et permet significativement plus efficacité.
Les unités motrices
Une unité de moteur prend une fourniture de vapeur à haute pression et de la température et donne une fourniture de vapeur à basse pression et de la température, en utilisant autant de la différence dans l'énergie de la vapeur que possible de faire un travail mécanique. Des unités motrices sont typiquement un type de piston ou une turbine à vapeur.
Une unité de moteur est souvent appelée «machine à vapeur» dans son propre droit. Ils seront également fonctionner sur air comprimé ou un autre gaz.
Source froide
Comme pour tous les moteurs thermiques, une quantité considérable de la chaleur perdue à température relativement basse est produit et doit être éliminé.
Le plus simple est source froide pour évacuer la vapeur dans l'environnement. Ceci est souvent utilisé sur locomotives à vapeur, que la vapeur libérée est libéré dans la cheminée de manière à augmenter le tirage au sort sur le feu, ce qui augmente considérablement la puissance du moteur, mais est inefficace. Condensation locomotives à vapeur ont été construits, mais seulement pour des applications spéciales telles que le travail dans les tunnels et où l'approvisionnement en eau sont rares.
Parfois, la chaleur résiduelle est utile en soi, et dans ce cas le rendement global très élevé peut être obtenu. Par exemple, cogénération (CHP) systèmes utilisent la vapeur de déchets chauffage urbain.
Où CHP ne est pas utilisé, turbines à vapeur dans les centrales électriques utilisent des condensateurs de surface comme source froide. Les condenseurs sont refroidis par le flux de l'eau des océans, des rivières, des lacs, et souvent par tours de refroidissement qui se évaporent l'eau pour refroidir le retrait de l'énergie. La sortie résultante condensé d'eau chaude du condenseur est ensuite remis dans la chaudière par l'intermédiaire d'une pompe. Une tour de refroidissement de type sec est semblable à un radiateur d'automobile et est utilisé dans des endroits où l'eau est coûteuse. Évaporation (humides) tours de refroidissement la chaleur rejetée pour évaporer l'eau; cette eau est maintenue séparée de l'eau de condensation, qui circule dans un système fermé et retourne à la chaudière. Ces tours ont souvent panaches visibles dues à l'eau évaporée condensation en gouttelettes transportées par l'air chaud. Tours de refroidissement par évaporation ont besoin de moins d'eau que le débit "à passage unique" refroidissement par eau de rivière ou de lac; une centrale électrique au charbon de 700 mégawatts peut utiliser environ 3600 mètres cubes d'eau de maquillage chaque heure pour le refroidissement par évaporation, mais aurait besoin d'environ vingt fois plus si refroidi par eau de la rivière.
Pompe à eau
Le cycle de Rankine et les machines à vapeur les plus pratiques ont une pompe à eau à recycler ou à compléter l'eau de chaudière, de sorte qu'ils peuvent être exécutés en continu. Et les chaudières industrielles utilisent couramment plusieurs étapes pompes centrifuges; cependant, d'autres types sont utilisés. Un autre moyen de fournir de l'eau d'alimentation de chaudière à basse pression est un injecteur, qui utilise un jet de vapeur habituellement fournie par la chaudière. Injecteurs sont devenus populaires dans les années 1850, mais ne sont plus largement utilisés, sauf dans des applications telles que les locomotives à vapeur.
Surveillance et contrôle
Pour des raisons de sécurité, la quasi-totalité des moteurs à vapeur sont équipés de mécanismes pour contrôler la chaudière, tel qu'un un manomètre et un verre-regard pour surveiller le niveau d'eau.
Beaucoup de moteurs, fixes et mobiles, sont également équipés d'un gouverneur de réguler la vitesse du moteur sans la nécessité d'intervention humaine (similaire à régulateur de vitesse dans certaines voitures).
L'instrument le plus utile pour analyser les performances des moteurs à vapeur est l'indicateur de machine à vapeur. Les premières versions étaient utilisés par 1851, mais l'indicateur le plus de succès a été développé pour l'inventeur du moteur à haute vitesse et fabricant Charles Porter par Charles Richard et exposées au Salon de Londres en 1862. L'indicateur de machine à vapeur trace sur le papier la pression dans le cylindre à travers le cycle, qui peut être utilisé pour repérer les différents problèmes et de calculer la puissance développée. Il a été régulièrement utilisé par les ingénieurs, mécaniciens et contrôleurs d'assurance. L'indicateur de moteur peut également être utilisé sur les moteurs à combustion interne. Voir l'image de l'indicateur schéma ci-dessous.
Configuration moteur
Simple moteur
Dans un moteur simple, la charge de la vapeur ne fonctionne qu'une fois dans un cylindre. Il est ensuite évacué directement dans l'atmosphère ou dans un condenseur.
moteurs de composés
Lorsque la vapeur se développe dans un moteur à forte pression en raison de sa température descend en aucune chaleur ne est ajoutée au système; ceci est connu comme détente adiabatique et les résultats dans la vapeur entrant dans le cylindre à haute température et sortant à basse température. Cela provoque un cycle de chauffage et de refroidissement du cylindre à chaque coup qui est une source d'inefficacité. Une méthode pour réduire l'ampleur de ce chauffage et de refroidissement a été inventé en 1804 par l'ingénieur britannique Arthur Woolf, qui a fait breveter son moteur composé haute pression Woolf en 1805. Dans le moteur de composé, de la vapeur à haute pression de la chaudière se développe dans un cylindre de haute pression (HP), puis entre un ou plusieurs basse pression (LP) cylindres ultérieures. L'expansion complète de la vapeur se produit maintenant sur plusieurs cylindres et comme moins expansion se produit maintenant dans chaque cylindre moins de chaleur est perdue par la vapeur dans chaque. Ceci réduit l'amplitude de chauffage et de refroidissement de cylindre, ce qui augmente le rendement du moteur. En organisant la dilatation dans plusieurs cylindres, le couple variabilité peut être réduite. Pour obtenir un travail égal inférieure de la vapeur sous pression nécessite un volume de cylindre plus grand que cette vapeur occupe un plus grand volume. Par conséquent, l'alésage, et souvent la course, sont augmentés dans des cylindres de basse pression résultant dans les grandes bouteilles.
Double détente (généralement connu sous le nom composé) moteurs élargi la vapeur en deux étapes. Les paires peuvent être reproduits ou le travail du grand cylindre basse pression peuvent être divisés avec cylindre épuisante une haute pression dans l'une ou l'autre, ce qui donne une mise en page 3 cylindres dont le cylindre et le diamètre de piston sont sensiblement les mêmes faire les masses en mouvement alternatif plus facile à équilibre.
Composés de deux cylindres peuvent être disposés comme:
- Composés Cross - Les cylindres sont côte à côte.
- Composés Tandem - Les cylindres sont bout à bout, au volant d'une commune biellette
- composés d'angle - Les cylindres sont disposés dans un vé (habituellement à un angle de 90 °) et une manivelle voiture commun.
Avec des composés à deux cylindres utilisés dans les travaux ferroviaires, les pistons sont reliées aux manivelles comme avec un à deux cylindres simples à 90 ° hors de phase les uns avec les autres (en quartiers). Lorsque le groupe d'extension double est dupliqué, production d'un composé 4-cylindre, les pistons individuels au sein du groupe sont généralement équilibrées à 180 °, les groupes étant fixés à 90 ° par rapport à l'autre. Dans un cas (le premier type de Vauclain composé), les pistons a travaillé dans la même phase de conduire une traverse et manivelle commune, à nouveau fixé à 90 ° comme pour un moteur à deux cylindres. Avec le composé 3-arrangement de cylindre, les manivelles LP ont été soit fixées à 90 ° avec l'une HP à 135 ° des deux autres, ou dans certains cas, les trois manivelles ont été fixées à 120 °.
L'adoption de composition était courant pour les unités industrielles, pour les moteurs de la route et presque universelle pour les moteurs marins à partir de 1880; ce ne était pas universellement populaire dans les locomotives de chemin de fer où il a été souvent perçu comme compliqué. Ce est en partie en raison de l'environnement d'exploitation de chemin de fer dur et l'espace limité accordé par la gabarit (en particulier en Grande-Bretagne, où composition n'a jamais été commun et sans emploi après 1930). Cependant, bien que jamais dans la majorité, il était populaire dans de nombreux autres pays.
Plusieurs moteurs d'expansion
La vapeur à haute pression (rouge) entre par la chaudière et passe à travers le moteur, épuisant la vapeur basse pression (bleu), généralement à un condenseur.
Ce est un prolongement logique du moteur de composé (décrit ci-dessus) pour diviser l'expansion dans encore plusieurs étapes pour augmenter l'efficacité. Le résultat est que le moteur d'expansion multiple. Ces moteurs utilisent trois ou quatre étages de détente et sont connus comme moteurs d'extension, respectivement, triples et quadruples. Ces moteurs utilisent une série de cylindres de diamètre progressivement croissant. Ces cylindres sont conçus pour diviser le travail en parts égales pour chaque phase d'expansion. Comme le moteur de l'expansion double, si l'espace est à une prime, puis deux petits cylindres peuvent être utilisés pour la phase de basse pression. Plusieurs moteurs d'expansion avaient généralement les cylindres disposés en ligne, mais diverses autres formations ont été utilisés. Dans la fin du 19e siècle, le Yarrow-Schlick-Tweedy équilibrage «système» a été utilisé sur certains moteurs marins d'expansion triples. YST divisé les moteurs basse étapes d'extension de pression entre deux cylindres, une à chaque extrémité du moteur. Cela a permis au vilebrequin d'être mieux équilibrée, résultant dans une plus lisse, plus rapide moteur-réponse qui se est déroulée avec moins de vibrations. Cela a rendu le moteur triple expansion 4 cylindres populaire auprès des grands navires de passagers (comme le Classe olympique), mais cela a finalement été remplacés par la turbine pratiquement exempt de vibrations (voir ci-dessous).
L'image de droite montre une animation d'un moteur à triple détente. La vapeur d'eau se déplace à travers le moteur de gauche à droite. La boîte à soupape pour chacun des cylindres se trouve à gauche du cylindre correspondant.
Moteurs à vapeur terrestres pourrait épuiser beaucoup de leur vapeur, comme eau d'alimentation est habituellement facilement disponibles. Avant et pendant la Première Guerre mondiale , le moteur de l'expansion dominé les applications marines où la vitesse élevée du navire ne était pas indispensable. Il a toutefois été remplacé par l'invention britannique turbine à vapeur où la vitesse est nécessaire, par exemple dans des navires de guerre, par exemple le cuirassés dreadnought, et paquebots. HMS Dreadnought de 1905 était le premier navire de guerre majeure pour remplacer la technologie éprouvée du moteur alternatif avec le roman puis-turbine à vapeur.
Types d'unités motrices
Piston à mouvement alternatif
Dans la plupart des moteurs à piston alternatif, la vapeur inverse son sens de circulation à chaque AVC (contre-courant), l'entrée et l'épuisement du cylindre par le même port. Le cycle complet du moteur occupe une rotation de la manivelle et deux courses de piston; le cycle comprend également quatre événements - l'admission, l'expansion, échappement, compression. Ces événements sont contrôlés par des soupapes travaillant souvent à l'intérieur d'une boîte à vapeur adjacente au cylindre; les soupapes de distribuer la vapeur par l'ouverture et la fermeture des ports de vapeur communiquant avec l'extrémité du cylindre (s) et sont entraînés par mécanisme de distribution, dont il existe de nombreux types. Les plus simples de soupape engrenages donnent événements de longueur fixe au cours du cycle du moteur et font souvent le moteur tourne dans un seul sens. La plupart cependant avoir une inversion mécanisme qui peut en outre fournir des moyens pour sauver la vapeur que la vitesse et l'élan sont progressivement gagnée par "le raccourcissement de la coupure "ou plutôt, en raccourcissant le cas de l'admission, ce qui à son tour se allonge d'autant la période d'expansion Cependant, comme un seul et même vanne commande habituellement les deux flux de vapeur, à une courte coupure à l'admission affecte défavorablement les périodes d'échappement et de compression qui devraient idéalement être toujours. rester assez constante; si l'événement d'échappement est trop brève, la totalité de la vapeur d'échappement ne peut pas évacuer le cylindre, d'étouffement et de lui donner une compression excessive ("décompresser").
Dans les années 1840 et 50, il y avait des tentatives pour surmonter ce problème au moyen de divers engins de soupape de brevet avec une coupure variable distincte Soupape de détente à cheval sur l'arrière du tiroir principal; ce dernier avait généralement fixe ou coupure limitée. L'installation combinée a donné une bonne approximation des événements idéales, au détriment de l'augmentation de frottement et l'usure, et le mécanisme tend à être compliqué. La solution de compromis habituel est de fournir tour en allongeant surfaces de frottement de la soupape de manière à recouvrir l'orifice du côté de l'admission, avec pour effet que le côté de l'échappement reste ouverte pendant une période plus longue après la coupure de l'admission côté se est produite. Ce moyen a depuis été généralement considérée comme satisfaisante pour la plupart des applications et rend possible l'utilisation de la simple Stephenson, Joie et Walschaerts motions. Corliss, et plus tard, engrenages clapet avaient soupapes d'admission et d'échappement séparées tirée par mécanismes de déclenchement ou des cames profilées de manière à donner événements idéales; la plupart de ces engins ne ont jamais réussi à l'extérieur du marché stationnaire en raison de diverses autres questions y compris les fuites et les mécanismes les plus délicates.
- Compression
Avant la phase d'échappement est tout à fait complète, du côté de l'échappement de la soupape se ferme, en fermant une partie de la vapeur d'échappement à l'intérieur du cylindre. Ceci permet de déterminer la phase de compression où un coussin de vapeur est formée contre laquelle le piston ne fonctionne alors que sa vitesse diminue rapidement; il permet d'éviter en outre la pression et la température de choc, ce qui, autrement, serait provoqué par l'admission soudaine de la vapeur à haute pression au début du cycle suivant.
- Plomb
Les effets ci-dessus sont encore améliorées en fournissant plomb: comme on l'a découvert plus tard avec le Moteur à combustion interne, il a été trouvé avantageux depuis la fin des années 1830 pour faire avancer la phase d'admission, ce qui donne la tête de soupape de sorte que l'admission se produit un peu avant la fin de la course d'échappement pour remplir l'espace mort, comprenant les ports et les extrémités du cylindre (ne fait pas partie du volume balayé par le piston) avant que la vapeur commence à exercer un effort sur le piston.
Uniflow (ou unaflow) moteur
Les valves à clapet sont commandés par la rotation de l'arbre à cames en tête. Vapeur à haute pression entre, rouges, et échappements, jaune.
Moteurs uniflow tentent de remédier aux difficultés découlant du cycle de contre-courant habituel où, pendant chaque course, le port et les parois des cylindres seront refroidis par la vapeur d'échappement passant, tandis que l'admission de la vapeur entrant plus chaud va perdre une partie de son énergie dans la restauration de la température de travail . Le but de l'écoulement à sens unique est de remédier à cet inconvénient et d'améliorer l'efficacité en fournissant un orifice supplémentaire à découvert par le piston à la fin de chaque course rendre le débit de vapeur dans un seul sens. Par ce moyen, le moteur de l'expansion uniflow simple donne l'efficacité équivalente à celle des systèmes composés classiques avec l'avantage supplémentaire de rendement à charge partielle supérieure, et l'efficacité comparable à turbines pour les petits moteurs de moins de mille chevaux. Cependant, les moteurs uniflow à gradient de dilatation thermique produisent le long de la paroi du cylindre donne des difficultés pratiques.
Les moteurs à turbine
Turbine à vapeur se compose d'un ou plusieurs rotors (disques rotatifs) montés sur un arbre d'entraînement, alternant avec une série de Les disques stators (statiques) fixées sur le carter de turbine. Les rotors ont un arrangement de l'hélice comme des lames sur le bord extérieur. Vapeur agit sur ces lames, produisant un mouvement rotatif. Le stator est constitué d'un analogue, mais fixe, série de lames qui servent à rediriger le flux de vapeur à l'étape suivante du rotor. Turbine à vapeur épuise souvent dans un condenseur de surface qui fournit un vide. Les étapes d'une turbine à vapeur sont généralement agencés de manière à extraire le travail potentiel maximal à partir d'une vitesse et une pression de vapeur spécifique, donnant naissance à une série d'étages de haute et basse pression de taille variable. Turbines ne sont efficaces que se ils tournent à très grande vitesse, par conséquent, ils sont généralement connectés à réducteur pour entraîner un autre mécanisme, comme l'hélice d'un navire, à une vitesse inférieure. Cette boîte de vitesses peut être mécanique, mais aujourd'hui, il est plus courant d'utiliser un alternateur / générateur mis à produire de l'électricité qui est ensuite utilisé pour piloter un moteur électrique. Rotor de turbine est seulement capable de fournir de l'énergie lors de la rotation dans une direction. Par conséquent, une étape d'inversion ou de la boîte de vitesses est généralement nécessaire lorsque la puissance est nécessaire dans la direction opposée.
Les turbines à vapeur fournissent une force de rotation directe et ne exigent donc pas un mécanisme de liaison pour convertir un mouvement alternatif en mouvement rotatif. Ainsi, ils produisent des forces de rotation en douceur sur l'arbre de sortie. Cela contribue à une exigence d'entretien plus faible et moins d'usure sur la machine qu'ils puissance qu'un moteur alternatif comparables.
La principale utilisation des turbines à vapeur est en la production d'électricité (environ 90% de la production électrique du monde est par utilisation de turbines à vapeur) et dans une moindre mesure en tant que premiers déménageurs marins. Dans le premier cas, la vitesse de rotation élevée est un avantage, et dans les deux cas par rapport à la masse ne sont pas un inconvénient; dans ce dernier (pionnier sur le Turbinia ), le poids léger, de haute efficacité et haute puissance sont très souhaitables.
Pratiquement toutes les centrales nucléaires plantes produisent de l'électricité en chauffant l'eau pour fournir de la vapeur qui entraîne une turbine couplée à un générateur électrique. des navires et des sous-marins soit utiliser une turbine à vapeur directement pour la propulsion principale à propulsion nucléaire, avec des générateurs fournissant l'alimentation auxiliaire, ou bien employer des turbo-propulsion électrique, où la vapeur entraîne un ensemble turbine-générateur à propulsion fourni par des moteurs électriques. Un nombre limité de locomotives de chemin de fer de turbines à vapeur ont été fabriqués. Certaines locomotives à entraînement direct sans condensation ne répondaient avec un certain succès pour les opérations de fret long-courriers en Suède et pour express travail de passagers en Grande-Bretagne, mais ne sont pas répétées. Ailleurs, notamment aux Etats-Unis, des modèles plus avancés avec transmission électrique ont été construits expérimentalement, mais pas reproduits. Il a été constaté que les turbines à vapeur ne sont pas parfaitement adaptés à l'environnement de chemin de fer et ces locomotives ont échoué à renverser l'unité piston à vapeur classique de la manière que le diesel moderne et traction électrique a fait.
Moteurs cylindres à vapeur oscillants
Un moteur à vapeur cylindre oscillant est une variante de la machine à vapeur de détente simple qui ne nécessite pas de vannes pour diriger de la vapeur dans et hors du cylindre. Au lieu de vannes, les rochers de cylindres entiers, ou oscille, tels que un ou plusieurs trous dans la ligne cylindre avec les trous dans un fixe le visage de port ou dans le pivot de montage ( pivot). Ces moteurs sont principalement utilisés dans les jouets et modèles, à cause de leur simplicité, mais ont également été utilisés dans les moteurs de taille complètes de travail, principalement sur les navires où leur compacité est valorisée.
Moteurs à vapeur Rotary
Il est possible d'utiliser un mécanisme basé sur un moteur rotatif sans piston comme le moteur Wankel en place des cylindres et de soupapes de d'un moteur alternatif à vapeur classique. Beaucoup de ces moteurs ont été conçus, à partir du moment de James Watt à nos jours, mais relativement peu ont été effectivement construit et encore moins entré en production de la quantité; voir lien en bas de l'article pour plus de détails. Le problème majeur est la difficulté de sceller les rotors pour les étanche à la vapeur dans le visage de l'usure et de faire dilatation thermique; la fuite résultant rendait très inefficace. Manque de travail expansive, ou tout autre moyen de contrôle de la coupure est aussi un sérieux problème avec beaucoup de ces dessins. Dans les années 1840, il était clair que le concept avait des problèmes inhérents et les moteurs rotatifs ont été traités avec une certaine dérision dans la presse technique. Cependant, l'arrivée de l'électricité sur la scène, et les avantages évidents de la conduite d'une dynamo directement à partir d'un moteur à haute vitesse, conduit à quelque chose d'un regain d'intérêt dans les années 1880 et 1890, et quelques dessins eu un succès limité.
Parmi les quelques dessins qui ont été fabriqués en quantité, ceux de la Hult Brothers moteur rotatif à vapeur Société de Stockholm, en Suède, et le moteur sphérique de Beauchamp Tower sont remarquables. Les moteurs de la Tour ont été utilisés par le Great Eastern Railway pour conduire dynamos d'éclairage sur leurs locomotives, et par l' Amirauté pour la conduite dynamos à bord des navires de la Royal Navy . Ils ont finalement été remplacés dans ces applications de niche par des turbines à vapeur.
Type de Rocket
Le aeolipile représente l'utilisation de vapeur par le principe fusée-réaction, mais pas pour la propulsion directe.
Dans les temps plus modernes, il ya eu une utilisation limitée de la vapeur pour les fusées - en particulier pour les voitures de roquettes. La technique est simple dans son concept, tout simplement remplir un récipient sous pression avec de l'eau chaude à haute pression, et d'ouvrir une soupape conduisant à une buse approprié. La chute de pression revient immédiatement partie de l'eau et la vapeur sort par une buse, ce qui donne une force de propulsion considérable.
Sécurité
Les moteurs à vapeur possèdent des chaudières et d'autres composants qui sont des récipients sous pression contenant une grande quantité d'énergie potentielle. échappe à vapeur et des explosions de chaudières (typiquement Bleves) peuvent et ont causé beaucoup de pertes de vie dans le passé. Tandis que les variations dans les normes peuvent exister dans différents pays, juridique rigoureux, les essais, la formation, les soins à la fabrication, l'exploitation et la certification est appliquée pour assurer la sécurité. Voir: cuve de pression
Les modes de défaillance peuvent comprendre:
- la surpression de la chaudière
- l'insuffisance d'eau dans la chaudière provoquant une surchauffe et le navire échec
- l'accumulation de sédiments et l'ampleur qui a causé points chauds locaux, en particulier dans des bateaux de rivière avec de l'eau d'alimentation sale
- rupture de la cuve de pression de la chaudière en raison de la construction ou l'entretien inadéquat.
- échappement de la vapeur à partir de la tuyauterie / chaudière provoquant brûlures
Les moteurs à vapeur posséder fréquemment deux mécanismes indépendants pour veiller à ce que la pression dans la chaudière ne va pas trop élevé; on peut être ajustée par l'utilisateur, la seconde est généralement conçu comme un ultime fail-safe. Tel soupapes de sécurité utilisées traditionnellement un levier simple à retenir un boisseau dans le haut d'une chaudière. Une extrémité du levier réalisé un poids ou un ressort qui restreint la vanne contre la pression de la vapeur. Les premières vannes pourraient être ajustées par les conducteurs de locomotives, conduisant à de nombreux accidents quand un conducteur fixé la vanne vers le bas pour permettre une plus grande pression de vapeur et plus de puissance du moteur. Le type plus récent de soupape de sécurité utilise une soupape à ressort non réglable. Ce type est normalement pas réglable et est nettement plus sûre.
Plomb bouchons fusibles peuvent être présents dans la couronne de la chambre de combustion. Si le niveau d'eau baisse, de telle sorte que la température de la couronne du foyer augmente de façon significative, le plomb fond et les évasions de vapeur, avertissant les opérateurs, qui peut alors déposer manuellement le feu. Sauf dans le plus petit des chaudières échapper la vapeur a peu d'effet sur le feu de mouillage. Les bouchons sont aussi trop petits dans la région pour abaisser la pression de vapeur de manière significative, la dépressurisation de la chaudière. Si elles étaient tout plus grand, le volume de vapeur échapper serait se mettre en danger l'équipage.
cycle de vapeur
Le cycle de Rankine est le fondement thermodynamique fondamentale de la machine à vapeur. Le cycle est un modèle mathématique qui représente le flux de fluide de travail (vapeur) dans un moteur avec la chaleur ajoutée est convertie en travail et ensuite le travail dissipée sous forme de chaleur perdue. La chaleur est fournie à l'extérieur d'une boucle fermée. Ce, dans les moteurs à vapeur contient de l'eau et de la vapeur. Le cycle est utilisé pour expliquer machines qui génèrent environ 90% de toute la puissance électrique utilisée dans le monde entier, y compris la quasi-totalité solaire, la biomasse, le charbon et nucléaires des centrales. Il est nommé d'après William John Macquorn Rankine, un écossais polymathe.
Le cycle de Rankine est parfois appelé une pratique cycle de Carnot, parce que, quand une turbine efficace est utilisé, le diagramme TS commence à ressembler le cycle de Carnot. La principale différence est que l'addition de chaleur (dans la chaudière) et de rejet (dans le condenseur) sont isobares (pression constante) processus dans le cycle de Rankine et isothermes (constante la température processus) dans le cycle théorique Carnot. Dans ce cycle, une pompe est utilisée pour mettre sous pression le fluide de travail qui est reçu depuis le condenseur sous forme de liquide non sous forme de gaz. Le pompage du fluide de travail sous forme liquide pendant le cycle nécessite une petite fraction de l'énergie pour le transporter par rapport à l'énergie nécessaire pour comprimer le fluide de travail sous forme gazeuse dans un compresseur (comme dans le cycle de Carnot). Le cycle d'un moteur à vapeur à mouvement alternatif diffère de celle des turbines en raison de la condensation et la re-évaporation se produisant dans le cylindre ou dans les passages d'entrée de vapeur.
Le fluide de travail dans un cycle de Rankine suit une boucle fermée et est utilisé en permanence. Normalement, l'eau est le fluide de choix en raison de ses propriétés favorables, comme la chimie non-toxique et non réactif, l'abondance, à faible coût, et ses propriétés thermodynamiques . Le mercure est le fluide de travail dans la turbine à vapeur de mercure. Des hydrocarbures à bas point d'ébullition peuvent être utilisés dans un cycle de binaire.
La machine à vapeur a beaucoup contribué au développement de la théorie thermodynamique; Toutefois, les seules applications de la théorie scientifique qui ont influencé la machine à vapeur étaient les concepts originaux d'exploiter la puissance de la vapeur et de la pression atmosphérique et la connaissance des propriétés de la chaleur et de la vapeur. Les mesures expérimentales effectuées par Watt sur un moteur à vapeur a conduit à la mise au point du condenseur séparé. Watt découvert indépendamment chaleur latente, qui a été confirmée par Joseph Black, qui a également conseillé Watt sur les procédures expérimentales. Watt était également au courant du changement dans le point d'ébullition d'eau avec la pression. Sinon, les améliorations apportées au moteur lui-même étaient plus de nature mécanique. Les concepts thermodynamiques du cycle de Rankine fait donner aux ingénieurs la compréhension nécessaire de calculer le rendement qui a facilité le développement de la haute pression moderne et chaudières de température et de la turbine à vapeur.
Efficacité
- Voir aussi: # moteur à vapeur de l'efficacité du moteur
L'efficacité d'un moteur peut être calculée en divisant la sortie d'énergie de travail mécanique que le moteur produit par l'apport d'énergie au moteur par le carburant brûlant.
La mesure historique de l'efficacité énergétique d'un moteur à vapeur était son «devoir». La notion d'obligation a été introduite par Watt pour illustrer combien plus efficace ses moteurs étaient sur les modèles antérieurs Newcomen. Duty est le nombre de livres-pied de travail délivrés par la combustion d'un boisseau (£ 94) de charbon. Les meilleurs exemples de conceptions Newcomen avaient un devoir d'environ 7 millions, mais la plupart étaient plus près de 5 millions d'euros. Dessins originaux à basse pression de Watt étaient en mesure de livrer le devoir aussi élevé que 25 millions, mais en moyenne d'environ 17. Ce fut une triple amélioration par rapport à la conception moyenne Newcomen. Moteurs Watt début équipés de vapeur à haute pression améliorées ce à 65 millions d'euros.
Aucun moteur thermique peut être plus efficace que le cycle de Carnot, dans lequel de la chaleur est déplacé d'un réservoir à haute température à une basse température, et l'efficacité est fonction de la différence de température. Pour la plus grande efficacité, les moteurs à vapeur devraient être exploités à la température la plus élevée de la vapeur possible ( vapeur surchauffée), et libèrent de la chaleur perdue à la température la plus basse possible.
L'efficacité d'un cycle de Rankine est généralement limitée par le fluide de travail. Sans la pression d'atteindre les niveaux de super critiques pour le fluide de travail, la gamme de la température du cycle peut fonctionner sur est assez faible; des turbines à vapeur, les températures d'entrée de la turbine sont généralement 565 ° C (la limite de fluage de l'acier inoxydable) et des températures au condenseur sont autour de 30 ° C. On obtient ainsi un théorique de Carnot efficacité d'environ 63% par rapport à un rendement réel de 42% pour une centrale électrique au charbon moderne. Cette température d'entrée de turbine basse (par rapport à une turbine à gaz) est pourquoi le cycle de Rankine est souvent utilisé comme un cycle de talonnage dans des centrales à turbine à gaz à cycle combiné.
L'un des principaux avantages du cycle de Rankine détient sur les autres est que pendant la phase de compression relativement peu de travail est nécessaire pour conduire la pompe, l'être fluide de travail dans sa phase liquide à ce stade. En condensant le fluide, le travail requis par la pompe ne consomme que 1% à 3% de la puissance de la turbine et contribue à une efficacité beaucoup plus élevée pour un cycle réel. L'avantage de cette est perdu quelque peu à la baisse la chaleur plus la température. Les turbines à gaz, par exemple, ont des températures d'entrée de turbine approchant 1500 ° C. Néanmoins, l'efficacité des grands cycles de vapeur réels et de grandes turbines à gaz modernes sont assez bien assortis.
Dans la pratique, une machine à vapeur à évacuer l'atmosphère de vapeur aura typiquement une efficacité (y compris la chaudière) dans la plage de 1 à 10%, mais avec l'addition d'un condenseur et d'expansion multiple, il peut être grandement améliorée à 25% ou mieux.
Une grande centrale électrique moderne (produire plusieurs centaines de mégawatts de puissance électrique) avecréchauffage de la vapeur,etc. économiseur permettra d'atteindre l'efficacité dans le milieu de gamme de 40%, avec les unités les plus performantes approchant 50% d'efficacité thermique.
Il est également possible de capturer l'utilisation de la chaleur des déchets cogénération dans lequel la chaleur perdue est utilisée pour chauffer un point d'ébullition inférieur fluide de travail ou comme une source de chaleur pour le chauffage urbain par l'intermédiaire de la vapeur saturée à basse pression. Par ce moyen, il est possible d'utiliser autant que 85 à 90% de l'énergie d'entrée.
