Buhar motoru - Steam engine

Bir buhar motoru , çalışma sıvısı olarak buhar kullanarak mekanik iş yapan bir ısı motorudur . Buhar motoru, bir pistonu bir silindir içinde ileri geri itmek için buhar basıncının ürettiği kuvveti kullanır . Bu itme kuvveti, bir biyel ve volan vasıtasıyla iş için dönme kuvvetine dönüştürülebilir . "Buhar motoru" terimi genellikle , buhar türbinine değil, sadece az önce açıklandığı gibi pistonlu motorlara uygulanır . Buhar motorları , çalışma sıvısının yanma ürünlerinden ayrıldığı harici yanmalı motorlardır . Bu süreci analiz etmek için kullanılan ideal termodinamik çevrime Rankine çevrimi denir . Genel kullanımda, buhar motoru terimi , demiryolu buharlı lokomotifleri ve portatif motorlar gibi tam buhar tesislerine ( kazanlar vb. dahil ) atıfta bulunabilir veya kiriş motoru ve sabit buharda olduğu gibi tek başına piston veya türbin makinelerine atıfta bulunabilir. motor .

Buharla çalışan cihazlar, MS 1. yüzyılda aeolipile kadar erken bir tarihte bilinmesine ve 16. ve 17. yüzyılda kaydedilen birkaç başka kullanımla birlikte, Thomas Savery , ticari olarak kullanılan ilk buharla çalışan cihazın, bir buhar pompasının mucidi olarak kabul edilir. doğrudan su üzerinde çalışan buhar basıncını kullanan. Bir makineye sürekli güç aktarabilen ticari olarak başarılı ilk motor, 1712'de Thomas Newcomen tarafından geliştirildi . James Watt , harcanan buharı yoğuşma için ayrı bir kaba alarak kritik bir iyileştirme yaptı ve tüketilen yakıt birimi başına elde edilen iş miktarını büyük ölçüde iyileştirdi. 19. yüzyıla gelindiğinde, sabit buhar motorları Sanayi Devrimi'nin fabrikalarına güç sağlıyordu . Buharlı motorlar , çarklı vapurlardaki gemilerin yelkenlerinin ve demiryollarında işletilen buharlı lokomotiflerin yerini aldı .

Pistonlu piston tipi buhar motorları, elektrik motorlarının ve içten yanmalı motorların tasarımındaki ilerlemelerin ticari kullanımda buhar motorlarının kademeli olarak değiştirilmesiyle sonuçlandığı 20. yüzyılın başlarına kadar baskın güç kaynağıydı . Buhar türbinleri, daha düşük maliyet, daha yüksek çalışma hızı ve daha yüksek verimlilik nedeniyle güç üretiminde pistonlu motorların yerini aldı.

Tarih

Erken deneyler

İlk kaydedilen ilkel buharla çalışan "motor", MS birinci yüzyılda Roma Mısır'ında bir Yunan matematikçi ve mühendis olan İskenderiye Kahramanı tarafından tanımlanan aeolipile idi . Sonraki yüzyıllarda, bilinen birkaç buharla çalışan "motor", aeolipile gibi, esasen mucitler tarafından buharın özelliklerini göstermek için kullanılan deneysel cihazlardı. Bir temel buhar türbini cihazı tarafından tarif edilmiştir Takiyüddin'e içinde Osmanlı Mısır 1551 yılında tarafından Giovanni Branca 1629. İtalya'da İspanyol buluş Jerónimo'da de Ayanz y Beaumont için bir su pompası da dahil olmak üzere, 50 buhar elektrik buluşlar için 1606 yılında patent almış su altında kalan mayınları boşaltmak. Bir Huguenot olan Denis Papin , 1679'da buhar çürütücü üzerinde bazı yararlı çalışmalar yaptı ve ilk olarak 1690'da ağırlıkları kaldırmak için bir piston kullandı.

pompalama motorları

İlk ticari buharla çalışan cihaz, 1698'de Thomas Savery tarafından geliştirilen bir su pompasıydı . Suyu aşağıdan yükselten bir vakum oluşturmak için yoğunlaştırılmış buhar kullandı ve daha sonra suyu yükseltmek için buhar basıncını kullandı. Küçük motorlar etkiliydi, ancak daha büyük modeller sorunluydu. Çok sınırlı bir kaldırma yüksekliğine sahiptiler ve kazan patlamalarına eğilimliydiler . Savery'nin motoru madenlerde, pompa istasyonlarında ve tekstil makinelerini çalıştıran su çarklarına su tedarikinde kullanıldı . Savery'nin motoru düşük maliyetliydi. Bento de Moura Portekiz , John Smeaton tarafından 1751'de yayınlanan Felsefi İşlemler'de tanımlandığı gibi Savery'nin yapısında "kendi kendine çalışabilir hale getirmek için" bir iyileştirme yaptı . 18. yüzyılın sonlarına kadar üretilmeye devam etti. 1820'de hala en az bir motorun çalıştığı biliniyordu.

Pistonlu buhar motorları

Bir makineye sürekli güç iletebilen ilk ticari olarak başarılı motor, Thomas Newcomen tarafından 1712 civarında icat edilen atmosferik motordu . Papin tarafından önerildiği gibi bir piston kullanarak Savery'nin buhar pompasını geliştirdi. Newcomen'in motoru nispeten verimsizdi ve çoğunlukla su pompalamak için kullanılıyordu. Bir silindir içindeki bir pistonun altında buharı yoğunlaştırarak kısmi bir vakum oluşturarak çalıştı. Geleneksel yöntemlerle başlangıçta pratik olmayan derinliklerde maden işlerini boşaltmak ve uygun bir "başlıktan" uzağa yerleştirilmiş fabrikalarda su çarklarını sürmek için yeniden kullanılabilir su sağlamak için kullanıldı. Tekerleğin üzerinden geçen su, tekerleğin üzerindeki bir depolama haznesine pompalandı. 1780'de James Pickard, geliştirilmiş bir Newcomen motorundan dönme hareketi sağlamak için bir volan ve krank mili kullanımının patentini aldı.

1720'de Jacob Leupold , iki silindirli bir yüksek basınçlı buhar motorunu tanımladı. Buluş, büyük eseri "Theatri Machinarum Hydraulicarum" da yayınlandı. Motor, bir su pompasına hareket sağlamak için iki ağır piston kullandı. Her bir piston, buhar basıncı ile yükseltildi ve yerçekimi ile orijinal konumuna geri döndü. İki piston, doğrudan bir buhar kazanına bağlı ortak bir dört yollu döner valfi paylaştı .

Bir sonraki büyük adım, James Watt'ın (1763-1775) Newcomen'in motorunun ayrı bir kondansatörlü geliştirilmiş bir versiyonunu geliştirmesiyle gerçekleşti . Boulton ve Watt'ın ilk motorları, John Smeaton'ın Newcomen'in geliştirilmiş versiyonunun yarısı kadar kömür kullanıyordu . Newcomen ve Watt'ın ilk motorları "atmosferik" idi. Genişleyen buharın basıncı yerine, buharın yoğunlaşmasıyla oluşturulan kısmi vakuma bir pistonu iten hava basıncıyla güçlendirildiler . Motor silindirleri büyük olmak zorundaydı çünkü üzerlerine etki eden tek kullanılabilir kuvvet atmosfer basıncıydı .

Watt, motorunu daha da geliştirerek, makineyi sürmek için uygun bir dönme hareketi sağlayacak şekilde modifiye etti. Bu, fabrikaların nehirlerden uzakta kurulmasını sağladı ve Sanayi Devrimi'nin hızını artırdı.

Yüksek basınçlı motorlar

Ortamın üzerinde gerçek bir değerle birlikte yüksek basıncın anlamı, terimin kullanıldığı döneme bağlıdır. Van Reimsdijk teriminin erken kullanımı için, buharın, yararlı işler yapmasını sağlamak için bir vakuma güvenmeden atmosfere atılabilecek kadar yeterince yüksek bir basınçta olduğunu ifade eder. Ewing 1894 , s. 22, Watt'ın yoğuşmalı motorlarının, aynı dönemdeki yüksek basınçlı, yoğuşmasız motorlara kıyasla düşük basınçlı olarak bilindiğini belirtir.

Watt'ın patenti, başkalarının yüksek basınçlı ve bileşik motorlar yapmasını engelledi. Watt'ın patentinin 1800'de sona ermesinden kısa bir süre sonra, Richard Trevithick ve ayrı olarak Oliver Evans , 1801'de yüksek basınçlı buhar kullanan motorları tanıttı; Trevithick yüksek basınçlı motor patentini 1802'de aldı ve Evans o zamandan önce birkaç çalışan model yapmıştı. Bunlar, belirli bir silindir boyutu için önceki motorlardan çok daha güçlüydü ve nakliye uygulamaları için yeterince küçük hale getirilebilirdi. Daha sonra, teknolojik gelişmeler ve üretim tekniklerindeki gelişmeler (kısmen bir güç kaynağı olarak buhar motorunun benimsenmesiyle ortaya çıktı), amaçlanan uygulamaya bağlı olarak daha küçük, daha hızlı veya daha güçlü olabilen daha verimli motorların tasarımıyla sonuçlandı.

Cornish motor 1810s içinde Trevithick'in ve diğerleri tarafından geliştirilmiştir. Bu, yüksek basınçlı buharı geniş çapta kullanan, ardından düşük basınçlı buharı yoğunlaştırarak nispeten verimli hale getiren bir bileşik çevrim motoruydu. Cornish motorunun çevrimde düzensiz hareketi ve torku vardı, bu da onu esas olarak pompalamayla sınırlıyordu. Cornish motorları, 19. yüzyılın sonlarına kadar madenlerde ve su temini için kullanıldı.

Yatay sabit motor

Sabit buhar motorlarının ilk üreticileri, yatay silindirlerin aşırı aşınmaya maruz kalacağını düşündüler. Bu nedenle motorları, piston ekseni dikey konumda olacak şekilde düzenlenmiştir. Zamanla yatay düzenleme daha popüler hale geldi ve kompakt ama güçlü motorların daha küçük alanlara yerleştirilmesine izin verdi.

Yatay motorun acme'si , ayrı buhar girişi ve egzoz valfleri ve otomatik değişken buhar kesme özelliğine sahip dört valfli karşı akışlı bir motor olan 1849'da patentli Corliss buhar motoruydu . Corliss'e Rumford Madalyası verildiğinde, komite "Watt'ın zamanından beri hiçbir buluş buhar motorunun verimliliğini bu kadar artırmadı" dedi. %30 daha az buhar kullanmanın yanı sıra değişken buhar kesme özelliği sayesinde daha homojen bir hız sağlayarak üretime, özellikle de pamuk eğirmeye çok uygun hale getirdi.

Karayolu araçları

İlk deneysel, yolda giden buharla çalışan araçlar 18. yüzyılın sonlarında inşa edildi, ancak Richard Trevithick'in 1800 civarında yüksek basınçlı buhar kullanımını geliştirmesinden sonra , mobil buhar motorlarının pratik bir öneri haline gelmesi değildi. 19. yüzyılın ilk yarısı buharlı araç tasarımında büyük ilerleme kaydetti ve 1850'lerde bunları ticari olarak üretmek mümkün hale geldi. Bu ilerleme, buharla çalışan araçların yollarda kullanımını sınırlayan veya yasaklayan mevzuatla sekteye uğradı. Araç teknolojisindeki gelişmeler 1860'lardan 1920'lere kadar devam etti. Birçok uygulama için buharlı yol araçları kullanıldı. 20. yüzyılda, içten yanmalı motor teknolojisinin hızlı gelişimi , buhar motorunun ticari olarak taşıtların tahrik kaynağı olarak ölümüne yol açtı ve nispeten azı İkinci Dünya Savaşı'nın ötesinde kullanımda kaldı . Bu araçların birçoğu koruma amaçlı meraklılar tarafından satın alındı ​​ve sayısız örnek hala var. 1960'larda, Kaliforniya'daki hava kirliliği sorunları, kirliliği azaltmanın olası bir yolu olarak buharla çalışan araçların geliştirilmesi ve incelenmesine kısa bir süre ilgi gösterilmesine neden oldu. Buhar tutkunlarının ilgisi, ara sıra yapılan replika araçlar ve deneysel teknoloji dışında, şu anda hiçbir buharlı araç üretilmiyor.

Deniz motorları

19. yüzyılın sonlarına doğru, bileşik motorlar yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Bileşik motorlar , daha yüksek hacimleri azaltılmış basınçlarda karşılamak için buharı art arda daha büyük silindirlere boşalttı ve bu da verimliliği artırdı. Bu aşamalar, özellikle taşınan kömürün ağırlığını azaltmak için verimliliğin önemli olduğu nakliye işlerinde, çift ve üçlü genleşmeli motorların yaygın olduğu, genişleme olarak adlandırıldı. Buhar motorları, buhar türbini , elektrik motorları ve içten yanmalı motorların tasarımındaki ilerlemelerin kademeli olarak pistonlu (pistonlu) buhar motorlarının yerini almasıyla sonuçlandığı 20. yüzyılın başlarına kadar baskın güç kaynağı olarak kaldı. buhar türbinine güveniyor.

buharlı lokomotifler

Buhar motorlarının gelişimi 18. yüzyıl boyunca ilerledikçe, onları karayolu ve demiryolu kullanımına uygulamak için çeşitli girişimlerde bulunuldu. 1784 yılında, İskoç mucit William Murdoch , bir model buharlı yol lokomotifi yaptı. Bir buharlı raylı lokomotifin erken çalışan bir modeli, muhtemelen 1780'lerde veya 1790'larda Amerika Birleşik Devletleri'nde vapur öncüsü John Fitch tarafından tasarlanmış ve inşa edilmiştir . Buharlı lokomotifi, raylar veya paletler tarafından yönlendirilen iç kanatlı tekerlekleri kullandı.

İlk tam ölçekli çalışma demiryolu buharlı lokomotif tarafından yaptırılmıştır Richard Trevithick içinde Birleşik Krallık Trevithick'in en isimsiz buharlı lokomotif boyunca bir tren çekti olarak 21 Şubat 1804 tarihinde ve dünyanın ilk demiryolu yolculuğu gerçekleşti tramvay gelen Pen-y-darren yakın demir fabrikası, Merthyr Tydfil için Abercynon güney bölgesi Galler . Tasarım, motorun ağırlığını azaltan ve verimliliğini artıran yüksek basınçlı buhar kullanmayı içeren bir dizi önemli yeniliği içeriyordu. Trevithick, daha sonra 1804'te Newcastle bölgesini ziyaret etti ve kuzeydoğu İngiltere'deki kömür ocağı demiryolları , buharlı lokomotiflerin denenmesi ve geliştirilmesi için önde gelen merkez haline geldi.

Trevithick ile sonuçlandırılması, lokomotif bir üçleme ile kendi deneylerini sürdürdü Yakalama Me Kim Can'ın Sadece dört yıl sonra 1808 yılında, başarılı ikiz silindirli lokomotif Salamanca tarafından Matthew Murray tarafından kullanılan kenar raylı dişli çubuk Middleton Demiryolu . 1825'te George Stephenson , Stockton ve Darlington Demiryolu için Locomotion'u inşa etti . Bu, dünyadaki ilk kamu buharlı demiryoluydu ve daha sonra 1829'da, girilen ve Rainhill Denemelerini kazanan The Rocket'i inşa etti . Liverpool ve Manchester Demiryolu hem yolcu ve yük trenlerine buhar gücünün münhasır yararlanarak 1830 yılında açıldı.

Buharlı lokomotifler, Çin ve eski Doğu Almanya ( DR Sınıfı 52.80'in üretildiği yer) gibi yerlerde yirminci yüzyılın sonlarına kadar üretilmeye devam etti .

Buhar türbinleri

Buhar motoru tasarımının son büyük evrimi , 19. yüzyılın sonlarında başlayan buhar türbinlerinin kullanılmasıydı . Buhar türbinleri genellikle pistonlu piston tipi buhar motorlarından (birkaç yüz beygir gücünün üzerindeki çıktılar için) daha verimlidir, daha az hareketli parçaya sahiptir ve bir biyel sistemi veya benzer araçlar yerine doğrudan döner güç sağlar. Buhar türbinleri, 20. yüzyılın başlarında elektrik üretim istasyonlarındaki pistonlu motorların neredeyse yerini aldı; burada verimlilikleri, jeneratör servisine uygun daha yüksek hız ve düzgün dönüş avantajları oldu. Günümüzde çoğu elektrik enerjisi buhar türbinleri tarafından sağlanmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'nde elektrik gücünün %90'ı bu şekilde çeşitli ısı kaynakları kullanılarak üretilir. Buhar türbinleri, 20. yüzyılın çoğu boyunca büyük gemilerin sevki için yaygın olarak uygulandı.

Mevcut gelişme

Pistonlu buhar motoru artık yaygın ticari kullanımda olmasa da, çeşitli şirketler içten yanmalı motorlara alternatif olarak motorun potansiyelini araştırıyor veya kullanıyor. İsveç'teki Energiprojekt AB şirketi , buharın gücünden yararlanmak için modern malzemeleri kullanma konusunda ilerleme kaydetti. Energiprojekt'in buhar motorunun verimliliği, yüksek basınçlı motorlarda yaklaşık %27-30'a ulaşıyor. Kızgın buhara sahip tek kademeli, 5 silindirli bir motordur (bileşiksiz) ve yakl. kWh başına 4 kg (8,8 lb) buhar.

Buhar motorlarının bileşenleri ve aksesuarları

Bir buhar tesisinin iki temel bileşeni vardır: kazan veya buhar jeneratörü ve kendisine "buhar motoru" olarak adlandırılan "motor ünitesi". Sabit binalardaki sabit buhar motorları , kazan ve motoru birbirinden biraz uzakta ayrı binalarda bulundurabilir. Buharlı lokomotifler gibi taşınabilir veya mobil kullanım için ikisi birlikte monte edilir.

Yaygın olarak kullanılan pistonlu motor tipik olarak bir dökme demir silindir, piston, biyel ve kiriş veya bir krank ve volan ve çeşitli bağlantılardan oluşuyordu. Buhar, bir veya daha fazla valf tarafından dönüşümlü olarak sağlandı ve boşaltıldı. Hız kontrolü, ya bir regülatör kullanılarak ya da manuel bir valf ile otomatikti. Silindir dökümü, buhar besleme ve egzoz portlarını içeriyordu.

Kondansatörlü motorlar, atmosfere egzoz yapanlardan ayrı bir tiptir.

Diğer bileşenler genellikle mevcuttur; çalışma sırasında kazana su sağlamak için pompalar ( enjektör gibi ), suyu yeniden dolaştırmak ve buharlaşmanın gizli ısısını geri kazanmak için kondansatörler ve buharın sıcaklığını doymuş buhar noktasının üzerine çıkarmak için kızdırıcılar ve sıcaklığı artırmak için çeşitli mekanizmalar. ateş kutuları için taslak. Kömür kullanıldığında, yakıtı bir tedarik kutusundan (bunker) ocak kutusuna taşımak için bir zincir veya vidalı stoklama mekanizması ve bunun tahrik motoru veya motoru dahil edilebilir.

Isı kaynağı

Suyu kaynatmak ve buharın sıcaklığını yükseltmek için gereken ısı, çeşitli kaynaklardan elde edilebilir, en yaygın olarak, kapalı bir alanda (örneğin, yanma odası , ocak , fırın ) uygun bir hava beslemesi ile yanıcı maddelerin yakılmasından elde edilebilir . Durumunda model ya da oyuncak buharlı makine ve birkaç tam ölçekli durumlarda, ısı kaynağı olabilir; böylece elektrikli ısıtma elemanı .

kazanlar

Kazanlar, içinde içinde kaynatılacak suyu bulunduran , ısıyı en etkin şekilde suya aktaran özelliklere sahip basınçlı kaplardır .

En yaygın iki tür şunlardır:

Su borulu kazan

Su, sıcak gazla çevrili tüplerden geçirilir.

Yangın borulu kazan

Sıcak gaz, suya daldırılmış borulardan geçirilir, aynı su aynı zamanda ocak kutusunu çevreleyen bir su ceketi içinde dolaşır ve yüksek çıkışlı lokomotif kazanlarında, aynı zamanda ocak kutusunun içindeki borulardan da geçer (termik sifonlar ve güvenlik sirkülatörleri).

Yangın borulu kazanlar, erken yüksek basınçlı buhar için kullanılan ana tipti (tipik buharlı lokomotif uygulaması), ancak 19. yüzyılın sonlarında deniz tahriki ve büyük sabit uygulamalar için daha ekonomik su borulu kazanlar tarafından büyük ölçüde değiştirildi.

Birçok kazan, buharın suyla temas ettiği yerden çıktıktan sonra sıcaklığını yükseltir. Kızgın buhar olarak bilinen, ' ıslak buharı ' ' kızgın buhara ' dönüştürür. Motor silindirlerinde buhar yoğunlaşmasını önler ve önemli ölçüde daha yüksek verim sağlar .

Motor üniteleri

Bir buhar motorunda, mekanik iş yapmak için bir piston veya buhar türbini veya benzeri herhangi bir cihaz, yüksek basınç ve sıcaklıkta bir buhar kaynağı alır ve buhardaki farkın çoğunu kullanarak daha düşük basınç ve sıcaklıkta bir buhar kaynağı verir. mekanik iş yapmak için mümkün olduğunca enerji.

Bu "motor üniteler" genellikle kendi başlarına "buhar motorları" olarak adlandırılır. Basınçlı hava veya diğer gazları kullanan motorlar , buhar motorlarında değişmeden basınçlı hava kullanılmış olmasına rağmen, yalnızca gazın doğasına bağlı ayrıntılarda buhar motorlarından farklıdır .

soğuk lavabo

Tüm ısı makinelerinde olduğu gibi, birincil enerjinin çoğunluğu nispeten düşük sıcaklıkta atık ısı olarak yayılmalıdır .

En basit soğuk lavabo, buharı çevreye vermektir. Bu, yoğunlaştırıcıların ağırlığını ve kütlesini önlemek için genellikle buharlı lokomotiflerde kullanılır . Serbest bırakılan buharın bir kısmı, motor gücünü büyük ölçüde artıran, ancak verimliliği azaltan ateşin çekişini artırmak için bacadan dışarı atılır.

Bazen motordan çıkan atık ısının kendisi faydalıdır ve bu durumlarda çok yüksek toplam verim elde edilebilir.

Sabit enerji santrallerindeki buhar motorları, soğuk bir lavabo olarak yüzey kondansatörlerini kullanır . Kondenserler, okyanuslardan, nehirlerden, göllerden gelen su akışıyla ve genellikle soğutma enerjisinin giderilmesini sağlamak için suyu buharlaştıran soğutma kuleleri tarafından soğutulur . Ortaya çıkan yoğuşmuş sıcak su ( yoğuşma ), daha sonra tekrar basınca pompalanır ve tekrar kazana gönderilir. Kuru tip soğutma kulesi, otomobil radyatörüne benzer ve suyun maliyetli olduğu yerlerde kullanılır. Atık ısı, havaya akışın bir kısmını buharlaştıran ikincil bir harici su devresi kullanan buharlaşmalı (ıslak) soğutma kuleleri tarafından da dışarı atılabilir.

Nehir tekneleri başlangıçta nehirden gelen soğuk suyun motordan çıkan egzoz buharına enjekte edildiği bir jet kondansatörü kullandı . Soğutma suyu ve kondensat karışımı. Bu, açık deniz gemileri için de geçerli olsa da, genellikle sadece birkaç günlük çalışmadan sonra kazan, biriken tuzla kaplanacak ve bu da performansı düşürecek ve kazan patlaması riskini artıracaktır. 1834'ten başlayarak, gemilerde yüzey kondansatörlerinin kullanılması, kazanların kirlenmesini ortadan kaldırdı ve motor verimliliğini artırdı.

Buharlaşan su sonraki amaçlar için kullanılamaz (bir yerde yağmur dışında), oysa nehir suyu yeniden kullanılabilir. Her durumda, saf tutulması gereken buhar tesisi kazan besleme suyu, soğutma suyundan veya havadan ayrı tutulur.

Su Pompası

Çoğu buhar motorunun, sürekli olarak çalışabilmeleri için basınç altındayken kazan suyu tedarik etme araçları vardır. Kamu ve endüstriyel kazanlarda yaygın olarak çok kademeli santrifüj pompalar kullanılır ; ancak, diğer türler kullanılır. Düşük basınçlı kazan besleme suyu sağlamanın başka bir yolu, genellikle kazandan sağlanan bir buhar jetini kullanan bir enjektördür . Enjektörler 1850'lerde popüler hale geldi, ancak buharlı lokomotifler gibi uygulamalar dışında artık yaygın olarak kullanılmamaktadır. Buhar kazanında dolaşan suyun, bir atmosferik basınçta suyun 100 °C (212 °F) kaynama noktasının çok üzerindeki sıcaklıklara yükseltilmesini sağlayan ve bu sayede verimliliği artıran suyun basınçlandırılmasıdır. buhar döngüsü.

İzleme ve kontrol

Güvenlik nedenleriyle, neredeyse tüm buhar motorları , su seviyesini izlemek için bir basınç göstergesi ve bir gözetleme camı gibi kazanı izlemek için mekanizmalarla donatılmıştır .

Sabit ve hareketli birçok motorda, insan müdahalesine gerek kalmadan motorun hızını düzenlemek için bir regülatör de bulunur.

Buhar motorlarının performansını analiz etmek için en kullanışlı araç, buhar motoru göstergesidir. İlk versiyonlar 1851'de kullanılıyordu, ancak en başarılı gösterge, yüksek hızlı motor mucidi ve üreticisi Charles Porter için Charles Richard tarafından geliştirildi ve 1862'de Londra Fuarı'nda sergilendi. Buhar motoru göstergesi, silindirdeki basıncı kağıt üzerinde izler. çeşitli sorunları tespit etmek ve gelişmiş beygir gücünü hesaplamak için kullanılabilen döngü. Mühendisler, mekanikçiler ve sigorta müfettişleri tarafından rutin olarak kullanılıyordu. Motor göstergesi içten yanmalı motorlarda da kullanılabilir. Aşağıdaki gösterge şemasının resmine bakın ( Motor ünite tipleri bölümünde).

Vali

Merkezkaç Vali Watt'ın ortağı Boulton sonra 1788 yılında bir buharlı motor üzerinde kullanılmak üzere James Watt tarafından kabul edilen un değirmeni ekipman gördüm Boulton & Watt inşa ediyorlardı. Regülatör, yük değişikliklerine tepki olarak yeni bir sabit hız alacağından, aslında ayarlanmış bir hızı tutamadı. Vali, kazana gelen dalgalı ısı yükünün neden olduğu daha küçük varyasyonları idare edebildi. Ayrıca, hız değişimi olduğunda salınım eğilimi vardı. Sonuç olarak, yalnızca bu regülatörle donatılmış motorlar, pamuk eğirme gibi sabit hız gerektiren işlemler için uygun değildi. Vali zamanla geliştirildi ve değişken buhar kesme ile birleştiğinde, yükteki değişikliklere yanıt olarak 19. yüzyılın sonlarına doğru iyi bir hız kontrolü elde edildi.

Motor konfigürasyonu

Basit motor

Basit bir motorda veya "tek genleşmeli motorda", basit bir motorda bir veya daha fazla ayrı silindir bulunabilmesine rağmen, buhar yükü tek bir silindirdeki tüm genleşme sürecinden geçer. Daha sonra doğrudan atmosfere veya bir yoğunlaştırıcıya boşaltılır. Buhar, yüksek basınçlı bir motordan geçerken genleşirken, sisteme ısı eklenmediğinden sıcaklığı düşer; bu adyabatik genleşme olarak bilinir ve buharın silindire yüksek sıcaklıkta girmesine ve daha düşük sıcaklıkta çıkmasına neden olur. Bu, verimsizlik kaynağı olan her vuruşta silindirin bir ısıtma ve soğutma döngüsüne neden olur.

Pistonlu buhar motorlarında baskın verim kaybı, silindir yoğuşması ve yeniden buharlaşmadır. Buhar silindiri ve bitişik metal parçalar/portlar, buhar giriş doyma sıcaklığı ile egzoz basıncına karşılık gelen doyma sıcaklığı arasında yaklaşık yarı yolda bir sıcaklıkta çalışır. Çalışma silindirine yüksek basınçlı buhar alındığından, yüksek sıcaklıktaki buharın çoğu, metal yüzeyler üzerinde su damlacıkları olarak yoğuşur ve geniş çalışma için mevcut buharı önemli ölçüde azaltır. Genleşen buhar düşük basınca ulaştığında (özellikle egzoz stroku sırasında), silindir/portlar içinde daha önce biriken su damlacıkları şimdi kaynar (yeniden buharlaşma) ve bu buhar silindirde daha fazla çalışmaz.

Artan silindir yüzey alanı, silindir yoğuşması ve yeniden buharlaşma sorunlarını şiddetlendirme eğiliminde olduğundan, bir buhar motoru silindirinin genleşme oranı üzerinde pratik sınırlar vardır. Bu, tek bir silindirdeki yüksek genleşme oranıyla ilişkili teorik avantajları ortadan kaldırır.

Bileşik motorlar

Çok uzun bir silindirde enerji kaybının büyüklüğünü azaltmak için bir yöntem , 1805'te Woolf yüksek basınçlı bileşik motorunun patentini alan İngiliz mühendis Arthur Woolf tarafından 1804'te icat edildi. Bileşik motorda, kazandan gelen yüksek basınçlı buhar genleşir. bir yüksek basınçlı (HP) silindir ve ardından bir veya daha fazla düşük basınçlı (LP) silindire girer . Buharın tam genleşmesi, her bir silindirdeki genel sıcaklık düşüşü önemli ölçüde azaltılarak artık birden fazla silindirde gerçekleşir. Buharı daha küçük sıcaklık aralığıyla (her silindir içinde) adımlarla genişleterek, yoğuşma ve yeniden buharlaşma verimliliği sorunu (yukarıda açıklanmıştır) azaltılır. Bu, silindir ısıtma ve soğutmanın büyüklüğünü azaltarak motorun verimliliğini artırır. Genleşmeyi birden fazla silindirde kademelendirerek, tork varyasyonları azaltılabilir. Düşük basınçlı silindirden eşit iş elde etmek için, bu buhar daha büyük bir hacim kapladığı için daha büyük bir silindir hacmi gerekir. Bu nedenle, düşük basınçlı silindirlerde delik ve nadir durumlarda strok artar, bu da daha büyük silindirlerle sonuçlanır.

Çift genleşmeli (genellikle bileşik olarak bilinir ) motorlar, buharı iki aşamada genişletti. Çiftler çoğaltılabilir veya büyük düşük basınçlı silindirin çalışması, bir yüksek basınçlı silindirin birine veya diğerine boşaltılmasıyla bölünebilir, bu da silindir ve piston çapının yaklaşık olarak aynı olduğu üç silindirli bir düzen vererek pistonlu hareketi sağlar. kütleleri dengelemek daha kolaydır.

İki silindirli bileşikler şu şekilde düzenlenebilir:

• Çapraz bileşikler : Silindirler yan yanadır.
• Tandem bileşikler : Silindirler uçtan uca, ortak bir biyel kolu çalıştırır
• Açı bileşikleri : Silindirler V şeklinde (genellikle 90° açıyla) düzenlenir ve ortak bir krank tahrik eder.

Demiryolu işlerinde kullanılan iki silindirli bileşiklerde, pistonlar, iki silindirli basit bir şekilde, birbirleriyle 90° faz farkıyla ( dörde bölünmüş ) kranklara bağlanır . Çift genleşme grubu, dört silindirli bir bileşik üreterek çoğaltıldığında, grup içindeki tek tek pistonlar genellikle 180°'de dengelenir, gruplar birbirine 90°'ye ayarlanır. Bir durumda (birinci tip Vauclain bileşiği ), pistonlar, iki silindirli bir motorda olduğu gibi yine 90°'ye ayarlanmış ortak bir çaprazkafa ve krank çalıştıran aynı fazda çalıştı. Üç silindirli bileşik düzende, LP krankları ya HP biri diğer ikisine 135° olacak şekilde 90°'ye ayarlandı ya da bazı durumlarda üç krank da 120°'ye ayarlandı.

Bileşimin benimsenmesi endüstriyel birimler, yol motorları için yaygındı ve 1880'den sonra deniz motorları için neredeyse evrenseldi; genellikle karmaşık olarak algılandığı demiryolu lokomotiflerinde evrensel olarak popüler değildi. Bu kısmen, zorlu demiryolu işletim ortamından ve yükleme açıklığının sağladığı sınırlı alandan kaynaklanmaktadır (özellikle, bileşik oluşturmanın hiçbir zaman yaygın olmadığı ve 1930'dan sonra kullanılmadığı İngiltere'de). Ancak, hiçbir zaman çoğunlukta olmamasına rağmen, diğer birçok ülkede popülerdi.

Çoklu genişleme motorları

Verimliliği artırmak için genişletmeyi daha fazla aşamaya bölmek, bileşik motorun (yukarıda açıklanan) mantıklı bir uzantısıdır. Sonuç, çoklu genişleme motorudur . Bu tür motorlar, üç veya dört genişleme aşaması kullanır ve sırasıyla üçlü ve dörtlü genişlemeli motorlar olarak bilinir . Bu motorlar, giderek artan çapta bir dizi silindir kullanır. Bu silindirler, işi her genişleme aşaması için eşit paylara bölmek üzere tasarlanmıştır. Çift genleşmeli motorda olduğu gibi, alan önemliyse, düşük basınç aşaması için iki küçük silindir kullanılabilir. Çoklu genleşmeli motorlar tipik olarak sıralı olarak düzenlenmiş silindirlere sahipti, ancak çeşitli diğer oluşumlar kullanıldı. 19. yüzyılın sonlarında, Yarrow-Schlick-Tweedy dengeleme "sistemi", bazı deniz üçlü genleşme motorlarında kullanıldı . YST motorları, düşük basınçlı genleşme aşamalarını motorun her iki ucunda birer tane olmak üzere iki silindir arasında böldü. Bu, krank milinin daha iyi dengelenmesini sağladı ve daha yumuşak, daha hızlı tepki veren ve daha az titreşimle çalışan bir motora yol açtı. Bu, dört silindirli üçlü genleşmeli motoru büyük yolcu gemileri ( Olimpiyat sınıfı gibi ) arasında popüler hale getirdi , ancak bunun yerini nihayetinde neredeyse titreşimsiz türbin motoru aldı . Bununla birlikte, İkinci Dünya Savaşı Liberty gemilerini sürmek için üçlü genleşmeli pistonlu buhar motorlarının kullanıldığı , şimdiye kadar yapılmış en fazla sayıda aynı gemi olduğu belirtilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri'nde orijinal bir İngiliz tasarımından 2700'den fazla gemi inşa edildi.

Bu bölümdeki resim, üçlü genişlemeli bir motorun animasyonunu göstermektedir. Buhar, motorda soldan sağa doğru hareket eder. Silindirlerin her biri için valf sandığı, karşılık gelen silindirin solundadır.

Besleme suyu genellikle kolayca bulunabildiğinden, kara tabanlı buhar motorları buharlarını atmosfere verebilirdi. Birinci Dünya Savaşı öncesinde ve sırasında , yüksek gemi hızının gerekli olmadığı denizcilik uygulamalarında genişleme motoru egemendi. Bununla birlikte, örneğin dretnot savaş gemileri ve okyanus gemileri gibi savaş gemilerinde hızın gerekli olduğu yerlerde İngiliz buluşu buhar türbini tarafından yerini aldı . 1905 HMS  Dreadnought , pistonlu motorun kanıtlanmış teknolojisini o zamanlar yeni olan buhar türbini ile değiştiren ilk büyük savaş gemisiydi.

Motor ünite tipleri

pistonlu piston

Pistonlu pistonlu motorların çoğunda, buhar , silindirin aynı ucundan giren ve çıkan her strokta ( ters akış) akış yönünü tersine çevirir . Tüm motor çevrimi, krankın bir dönüşünü ve iki piston vuruşunu kaplar; döngü ayrıca dört olayı içerir – giriş, genişleme, egzoz, sıkıştırma. Bu olaylar, genellikle silindire bitişik bir buhar sandığı içinde çalışan valfler tarafından kontrol edilir ; valfler , silindir uç(lar)ı ile iletişim halinde olan buhar portlarını açıp kapatarak buharı dağıtır ve birçok çeşidi bulunan valf dişlisi ile tahrik edilir .

En basit valf dişlileri, motor çevrimi sırasında sabit uzunlukta olaylar verir ve genellikle motorun yalnızca bir yönde dönmesini sağlar. Bununla birlikte, birçoğunun , kademeli olarak " kesme süresini kısaltarak " veya daha doğrusu kabul olayını kısaltarak hız ve momentum kazanıldığından, ayrıca buhar tasarrufu için araçlar sağlayabilen bir tersine çevirme mekanizması vardır ; bu da orantılı olarak genişleme süresini uzatır. Bununla birlikte, genellikle bir ve aynı valf her iki buhar akışını da kontrol ettiğinden, girişte kısa bir kesinti, ideal olarak her zaman oldukça sabit tutulması gereken egzoz ve sıkıştırma periyotlarını olumsuz etkiler; egzoz olayı çok kısaysa, egzoz buharının tamamı silindiri boşaltamaz, boğar ve aşırı sıkıştırma ( "geri tepme" ) verir.

1840'larda ve 1850'lerde, ana sürgülü valfin arkasına binen ayrı, değişken kesme genleşme valfine sahip çeşitli patentli valf dişlileri aracılığıyla bu sorunun üstesinden gelinmeye çalışıldı ; ikincisi genellikle sabit veya sınırlı bir kesintiye sahipti. Kombine kurulum, artan sürtünme ve aşınma pahasına ideal olaylara adil bir yaklaşım sağladı ve mekanizma karmaşık olma eğilimindeydi. Alışılmış uzlaşma çözümü, giriş tarafındaki bağlantı noktasının üstüne gelecek şekilde valfin sürtünme yüzeylerini uzatarak vatka sağlamak olmuştur , bunun etkisi ile egzoz tarafı, giriş kesildikten sonra daha uzun bir süre açık kalır. yan meydana geldi. Bu çare o zamandan beri çoğu amaç için genellikle tatmin edici olarak kabul edildi ve daha basit Stephenson , Joy ve Walschaerts hareketlerinin kullanımını mümkün kıldı . Corliss ve daha sonra, popet valf dişlileri, ideal olayları verecek şekilde profilli açma mekanizmaları veya kamlar tarafından tahrik edilen ayrı giriş ve egzoz valflerine sahipti ; Bu dişlilerin çoğu, sızıntı ve daha hassas mekanizmalar dahil olmak üzere çeşitli diğer sorunlar nedeniyle sabit pazarın dışında asla başarılı olmadı.

Sıkıştırma

Egzoz aşaması tam olarak tamamlanmadan önce, valfin egzoz tarafı kapanır ve silindir içindeki egzoz buharının bir kısmı kapanır. Bu, hızı hızla azalırken pistonun çalıştığı bir buhar yastığının oluştuğu sıkıştırma aşamasını belirler; ayrıca, bir sonraki döngünün başlangıcında yüksek basınçlı buharın ani girişinden kaynaklanacak olan basınç ve sıcaklık şokunu da ortadan kaldırır.

Öncülük etmek

Yukarıdaki etkiler, kurşun sağlayarak daha da geliştirilmiştir : daha sonra içten yanmalı motorda keşfedildiği gibi, 1830'ların sonlarından beri kabul aşamasını ilerletmek için avantajlı bulunmuştur, böylece girişin bitiminden biraz önce gerçekleşmesi için valf kurşunu verir . Buhar, piston üzerinde efor sarf etmeye başlamadan önce portları ve silindir uçlarını (piston süpürülen hacmin bir parçası olmayan) içeren boşluk hacmini doldurmak için egzoz stroku .

Uniflow (veya unaflow) motoru

Tek akışlı motorlar, her vuruş sırasında port ve silindir duvarlarının geçen egzoz buharı tarafından soğutulacağı ve daha sıcak gelen giriş buharının enerjisinin bir kısmını çalışmayı eski haline getirmek için harcayacağı olağan karşı akış döngüsünden kaynaklanan zorlukları gidermeye çalışır. sıcaklık. Tek yönlü akışın amacı, buharın yalnızca bir yönde akmasını sağlayan her strok sonunda piston tarafından ortaya çıkarılan ek bir port sağlayarak bu kusuru gidermek ve verimliliği artırmaktır. Bu sayede, basit genişlemeli tek akışlı motor, üstün kısmi yük performansının ek avantajı ile klasik bileşik sistemlere eşdeğer verimlilik ve bin beygir gücünün altındaki daha küçük motorlar için türbinlerle karşılaştırılabilir verimlilik sağlar. Bununla birlikte, silindir duvarı boyunca üretilen termal genleşme gradyanlı tek akışlı motorlar pratik zorluklara neden olur.

Türbin motorları

Bir buhar türbini , türbin gövdesine sabitlenmiş bir dizi stator (statik diskler) ile dönüşümlü olarak bir tahrik miline monte edilmiş bir veya daha fazla rotordan (dönen diskler) oluşur . Rotorların dış kenarında pervane benzeri bir bıçak düzeni vardır. Buhar, bu bıçaklara etki ederek dönme hareketi üretir. Stator, buhar akışını bir sonraki rotor aşamasına yönlendirmeye yarayan benzer, ancak sabit bir dizi kanattan oluşur. Bir buhar türbini genellikle bir vakum sağlayan bir yüzey kondansatörüne egzoz verir . Bir buhar türbininin aşamaları, tipik olarak, belirli bir hız ve buhar basıncından maksimum potansiyel işi çıkarmak için düzenlenir ve bir dizi değişken boyutlu yüksek ve düşük basınç aşamalarına yol açar. Türbinler yalnızca nispeten yüksek hızda döndüklerinde verimlidir, bu nedenle genellikle gemi pervanesi gibi daha düşük hızlı uygulamaları çalıştırmak için redüksiyon dişlisine bağlanırlar. Büyük elektrik üretim istasyonlarının büyük çoğunluğunda türbinler, redüksiyon dişlisi olmadan doğrudan jeneratörlere bağlıdır. Tipik hızlar, Amerika Birleşik Devletleri'nde 60 Hertz güç ile dakikada 3600 devir (RPM), Avrupa'da ve 50 Hertz elektrik güç sistemi ile diğer ülkelerde 3000 RPM'dir. Nükleer güç uygulamalarında, türbinler tipik olarak 1800 RPM ve 1500 RPM olmak üzere bu hızların yarısında çalışır. Bir türbin rotoru da yalnızca bir yönde dönerken güç sağlayabilir. Bu nedenle, ters yönde gücün gerekli olduğu durumlarda genellikle bir geri vites aşaması veya dişli kutusu gereklidir.

Buhar türbinleri doğrudan dönme kuvveti sağlar ve bu nedenle ileri geri hareketi döner harekete dönüştürmek için bir bağlantı mekanizması gerektirmez. Böylece çıkış milinde daha yumuşak dönme kuvvetleri üretirler. Bu, benzer bir pistonlu motora göre daha düşük bakım gereksinimine ve çalıştırdıkları makinelerde daha az aşınmaya katkıda bulunur.

Buhar türbinlerinin ana kullanımı elektrik üretimidir (1990'larda dünya elektrik üretiminin yaklaşık %90'ı buhar türbinlerinin kullanımıyla sağlanmaktaydı), ancak son zamanlarda büyük gaz türbini ünitelerinin ve tipik kombine çevrim enerji santrallerinin yaygın olarak uygulanması, elektrik üretiminin azalmasına neden oldu. bu yüzde, buhar türbinleri için %80 rejimine eşittir. Elektrik üretiminde, türbin dönüş hızının yüksek olması, tipik olarak tahrik türbinlerine doğrudan bağlı olan modern elektrik jeneratörlerinin hızıyla uyumludur. Denizcilik hizmetinde, ( Türbinia'da öncülük etmiştir ), redüksiyon dişlili buhar türbinleri (Türbinia, redüksiyon dişli kutusu olmayan pervanelere doğrudan türbinlere sahip olsa da) 20. yüzyılın sonlarında büyük gemi sevkine hakim oldu ve daha verimli (ve çok daha az bakım gerektiriyordu) pistonlu buhar motorlarından daha fazla. Son yıllarda, pistonlu Dizel motorlar ve gaz türbinleri, denizcilik uygulamaları için neredeyse tamamen buhar tahrikinin yerini aldı.

Neredeyse tüm nükleer santraller, bir elektrik jeneratörüne bağlı bir türbini çalıştıran buharı sağlamak için suyu ısıtarak elektrik üretir . Nükleer güçle çalışan gemiler ve denizaltılar, ya yardımcı güç sağlayan jeneratörlerle birlikte ana tahrik için doğrudan bir buhar türbini kullanır ya da buharın , elektrik motorları tarafından sağlanan bir turbo jeneratör setini çalıştırdığı turbo-elektrik iletimi kullanır . Sınırlı sayıda buhar türbinli demiryolu lokomotifi üretildi. Bazı yoğuşmasız doğrudan tahrikli lokomotifler, İsveç'teki uzun mesafeli nakliye operasyonları ve İngiltere'deki ekspres yolcu çalışmaları için bir miktar başarı elde etti , ancak tekrarlanmadı. Başka yerlerde, özellikle Amerika Birleşik Devletleri'nde, elektrik iletimli daha gelişmiş tasarımlar deneysel olarak inşa edildi, ancak yeniden üretilmedi. Buhar türbinlerinin demiryolu ortamına ideal olarak uygun olmadığı ve bu lokomotiflerin, modern dizel ve elektrik çekişinin yaptığı şekilde klasik pistonlu buhar ünitesini devre dışı bıraktığı bulundu.

Salınımlı silindirli buhar motorları

Salınımlı silindirli bir buhar motoru, buharı silindirin içine ve dışına yönlendirmek için valfler gerektirmeyen basit genleşmeli buhar motorunun bir çeşididir . Valfler yerine, silindirin tamamı sallanır veya salınır, böylece silindirdeki bir veya daha fazla delik, sabit bir bağlantı yüzündeki veya pivot montajındaki ( muylu ) deliklerle hizalanır . Bu motorlar, basitlikleri nedeniyle çoğunlukla oyuncaklarda ve modellerde kullanılır, ancak aynı zamanda tam boyutlu çalışan motorlarda, özellikle de kompaktlıklarına değer verilen gemilerde kullanılmıştır .

Döner buhar motorları

Geleneksel bir pistonlu buhar motorunun silindirleri ve valf dişlisi yerine Wankel motoru gibi pistonsuz bir döner motora dayalı bir mekanizma kullanmak mümkündür . James Watt zamanından günümüze kadar bu tür birçok motor tasarlandı, ancak nispeten azı gerçekten inşa edildi ve daha da azı seri üretime geçti; daha fazla ayrıntı için makalenin altındaki bağlantıya bakın. Asıl sorun, rotorları aşınma ve termal genleşme karşısında buhar geçirmez hale getirmek için sızdırmaz hale getirmenin zorluğudur ; ortaya çıkan sızıntı onları çok verimsiz yaptı. Geniş çalışma eksikliği veya herhangi bir kesme denetimi aracı, bu tür birçok tasarımda da ciddi bir sorundur.

1840'lara gelindiğinde, konseptin doğal sorunları olduğu ve döner motorların teknik basında biraz alay konusu olduğu açıktı. Bununla birlikte, sahneye elektriğin gelmesi ve bir dinamoyu doğrudan yüksek hızlı bir motordan sürmenin bariz avantajları, 1880'lerde ve 1890'larda ilgide bir canlanmaya yol açtı ve birkaç tasarım sınırlı bir başarı elde etti.

Miktar olarak üretilen birkaç tasarımdan İsveç, Stockholm'deki Hult Brothers Döner Buharlı Motor Şirketi ve Beauchamp Tower'ın küresel motoru dikkat çekicidir. Kulenin motorları, Büyük Doğu Demiryolu tarafından lokomotiflerine aydınlatma dinamoları sürmek için ve Amirallik tarafından Kraliyet Donanması gemilerinde dinamoları sürmek için kullanıldı . Sonunda bu niş uygulamalarda yerini buhar türbinleri aldı.

roket tipi

Aeolipile buharın kullanımını temsil roket Reaksiyon ilke değil, ancak doğrudan tahriki için.

Daha modern zamanlarda roketçilikte, özellikle roket arabalarında buhar kullanımı sınırlı olmuştur. Buhar roketi, bir basınçlı kabı yüksek basınçta sıcak suyla doldurarak ve uygun bir memeye giden bir valf açarak çalışır. Basınçtaki düşüş hemen suyun bir kısmını kaynatır ve buhar bir ağızlıktan çıkarak itici bir güç oluşturur.

Ferdinand Verbiest'in arabası 1679'da bir aeolipile tarafından desteklendi.

Emniyet

Buhar motorları, büyük miktarda potansiyel enerji içeren basınçlı kaplar olan kazanlara ve diğer bileşenlere sahiptir . Buhar kaçışları ve kazan patlamaları (tipik olarak BLEVE'ler ) geçmişte büyük can kayıplarına neden olabilir ve olmuştur. Farklı ülkelerde standartlarda farklılıklar olabilirken, güvenliği sağlamak için katı yasal, test, eğitim, üretim, çalıştırma ve sertifikalandırma konusunda özen gösterilir.

Arıza modları şunları içerebilir:

• kazanın aşırı basınçlandırılması
• kazanda yetersiz su, aşırı ısınmaya ve kap arızasına neden oluyor
• özellikle kirli besleme suyu kullanan nehir teknelerinde yerel sıcak noktalara neden olan tortu ve kireç oluşumu
• yetersiz inşaat veya bakım nedeniyle kazanın basınçlı kap arızası.
• Haşlanmaya neden olan boru tesisatından/kazandan çıkan buhar

Buhar motorları, kazandaki basıncın çok yüksek olmamasını sağlamak için sıklıkla iki bağımsız mekanizmaya sahiptir; biri kullanıcı tarafından ayarlanabilir, ikincisi tipik olarak nihai bir arıza emniyeti olarak tasarlanmıştır. Bu tür emniyet valfleri, geleneksel olarak, bir kazanın tepesindeki bir tapa valfini dizginlemek için basit bir kol kullanırdı. Kolun bir ucunda, valfi buhar basıncına karşı tutan bir ağırlık veya yay vardı. Erken valfler motor sürücüleri tarafından ayarlanabiliyordu ve bir sürücü daha fazla buhar basıncı ve motordan daha fazla güç sağlamak için valfi kapattığında birçok kazaya yol açıyordu. Daha yeni tipte emniyet valfi, bir conta yasa dışı olarak kırılmadıkça operatörlerin ayarını kurcalayamayacağı şekilde kilitlenen ayarlanabilir bir yay yüklü valf kullanır. Bu düzenleme önemli ölçüde daha güvenlidir.

Kazanın ateş kutusunun tepesinde kurşun eriyebilir fişler bulunabilir. Su seviyesi düşerse, ateş kutusu tepesinin sıcaklığı önemli ölçüde artarsa, kurşun erir ve buhar kaçar ve operatörleri uyarır ve yangını manuel olarak söndürebilir. En küçük kazanlar dışında, buhar kaçışının yangını söndürmede çok az etkisi vardır. Tapalar ayrıca buhar basıncını önemli ölçüde düşürmek için alan olarak çok küçüktür ve kazanın basıncını düşürür. Daha büyük olsalardı, kaçan buharın hacmi mürettebatı tehlikeye atardı.

Buhar döngüsü

Rankine çevrimi, buhar motorunun temel termodinamik temelini oluşturur. Çevrim, tipik olarak basit güç üretimi için kullanılan bileşenlerin bir düzenlemesidir ve pratik bir ısı/güç dönüşüm sistemi sağlamak için suyun faz değişimini (kaynar su buhar üreten, egzoz buharını yoğunlaştıran, sıvı su üreten) kullanır. Isı, eklenen ısının bir kısmı işe dönüştürülerek ve atık ısı bir kondansatörde uzaklaştırılarak, harici olarak kapalı bir döngüye verilir. Rankine çevrimi, hemen hemen tüm buhar gücü üretim uygulamalarında kullanılır. 1990'larda Rankine buhar çevrimleri, neredeyse tüm güneş enerjisi , biyokütle , kömür ve nükleer santraller dahil olmak üzere dünya çapında kullanılan tüm elektrik gücünün yaklaşık %90'ını üretti . Adını İskoç bilge William John Macquorn Rankine'den almıştır .

Rankine çevrimi bazen pratik bir Carnot çevrimi olarak anılır çünkü verimli bir türbin kullanıldığında TS diyagramı Carnot çevrimine benzemeye başlar. Temel fark, Rankine çevriminde ısı ekleme (kazanda) ve reddetme (kondenserde) izobarik (sabit basınç) işlemler ve teorik Carnot çevriminde izotermal (sabit sıcaklık ) işlemler olmasıdır. Bu çevrimde kondenserden gaz olarak değil sıvı olarak alınan çalışma akışkanını basınçlandırmak için bir pompa kullanılır. Döngü sırasında çalışma sıvısını sıvı halde pompalamak, bir kompresörde ( Carnot döngüsünde olduğu gibi ) çalışma sıvısını gaz halinde sıkıştırmak için gereken enerjiye kıyasla, onu taşımak için enerjinin küçük bir kısmını gerektirir . Pistonlu bir buhar motorunun çevrimi, silindirde veya buhar giriş geçitlerinde meydana gelen yoğuşma ve yeniden buharlaşma nedeniyle türbinlerinkinden farklıdır.

Bir Rankine çevrimindeki çalışma sıvısı, çalışma sıvısının sürekli olarak geri dönüştürüldüğü bir kapalı döngü sistemi olarak çalışabilir veya egzoz buharının doğrudan atmosfere salındığı bir "açık döngü" sistemi ve ayrı bir su kaynağı olabilir. kazanın beslenmesi sağlanır. Normalde su, toksik olmayan ve reaktif olmayan kimyası, bolluğu, düşük maliyeti ve termodinamik özellikleri gibi olumlu özelliklerinden dolayı tercih edilen akışkandır . Cıva , cıva buharı türbinindeki çalışma sıvısıdır . Düşük kaynama noktalı hidrokarbonlar ikili çevrimde kullanılabilir .

Buhar makinesi, termodinamik teorinin gelişimine çok katkıda bulundu; bununla birlikte, buhar motorunu etkileyen bilimsel teorinin tek uygulamaları, buharın ve atmosferik basıncın gücünden ve ısı ve buharın özellikleri hakkında bilgiden yararlanma konusundaki orijinal kavramlardı. Watt tarafından bir model buhar motorunda yapılan deneysel ölçümler, ayrı kondansatörün geliştirilmesine yol açtı. Watt bağımsız olarak gizli ısıyı keşfetti ve bu, Watt'a deneysel prosedürler konusunda tavsiyelerde bulunan orijinal kaşif Joseph Black tarafından da doğrulandı . Watt ayrıca suyun kaynama noktasında basınçla değişimin farkındaydı. Aksi takdirde, motorun kendisinde yapılan iyileştirmeler doğada daha mekanikti. Rankine çevriminin termodinamik kavramları, mühendislere modern yüksek basınçlı ve sıcaklıklı kazanların ve buhar türbininin geliştirilmesine yardımcı olan verimliliği hesaplamak için gereken anlayışı verdi.

Yeterlik

Bir motor çevriminin verimliliği, motorun ürettiği mekanik işin enerji çıktısının, yanan yakıt tarafından motora verilen enerjiye bölünmesiyle hesaplanabilir.

Bir buhar motorunun enerji verimliliğinin tarihsel ölçüsü, "görevi" idi. Görev kavramı, motorlarının önceki Newcomen tasarımlarına göre ne kadar daha verimli olduğunu göstermek için ilk kez Watt tarafından tanıtıldı . Görev sayısıdır ayak-libre arasında çalışma bir yanma teslim kile kömür (94 pound). Newcomen tasarımlarının en iyi örnekleri yaklaşık 7 milyonluk bir göreve sahipti, ancak çoğu 5 milyona yakındı. Watt'ın orijinal düşük basınçlı tasarımları 25 milyona kadar yüksek bir görev sağlayabildi, ancak ortalama 17'ydi. Bu, ortalama Newcomen tasarımına göre üç kat bir gelişmeydi. Yüksek basınçlı buharla donatılmış erken Watt motorları bunu 65 milyona çıkardı.

Hiçbir ısı motoru, ısının yüksek sıcaklıktaki bir rezervuardan düşük sıcaklıktaki bir rezervuardan taşındığı ve verimliliğin sıcaklık farkına bağlı olduğu Carnot çevriminden daha verimli olamaz . En yüksek verim için, buhar motorları mümkün olan en yüksek buhar sıcaklığında ( kızgın buhar ) çalıştırılmalı ve atık ısıyı mümkün olan en düşük sıcaklıkta serbest bırakmalıdır.

Rankine çevriminin verimliliği genellikle çalışma sıvısı ile sınırlıdır. Çalışma akışkanı için süper kritik seviyelere ulaşan basınç olmadan, çevrimin çalışabileceği sıcaklık aralığı küçüktür; buhar türbinlerinde türbin giriş sıcaklıkları tipik olarak 565 °C'dir ( paslanmaz çeliğin sürünme sınırı) ve kondenser sıcaklıkları yaklaşık 30 °C'dir. Bu, modern bir kömürle çalışan elektrik santralinin gerçek verimliliği olan %42'ye kıyasla teorik olarak yaklaşık %63'lük bir Carnot verimliliği verir . Bu düşük türbin giriş sıcaklığı (bir gaz türbini ile karşılaştırıldığında ), Rankine çevriminin genellikle kombine çevrimli gaz türbini elektrik santrallerinde bir dip çevrimi olarak kullanılmasının nedenidir .

Rankine çevriminin diğerlerine göre sahip olduğu bir temel avantaj, sıkıştırma aşaması sırasında pompayı çalıştırmak için nispeten az iş gerekmesidir, bu noktada çalışma sıvısı sıvı fazındadır. Akışkanı yoğunlaştırarak, pompanın gerektirdiği iş, türbin (veya pistonlu motor) gücünün yalnızca %1 ila %3'ünü tüketir ve gerçek bir çevrim için çok daha yüksek verimliliğe katkıda bulunur. Bunun faydası, daha düşük ısı ilave sıcaklığı nedeniyle bir miktar kaybolur. Örneğin gaz türbinleri , 1500 °C'ye yaklaşan türbin giriş sıcaklıklarına sahiptir. Bununla birlikte, gerçek büyük buhar çevrimlerinin ve büyük modern basit çevrimli gaz türbinlerinin verimleri oldukça iyi bir şekilde eşleştirilir.

Pratikte, buharı atmosfere boşaltan pistonlu bir buhar motoru çevrimi, tipik olarak %1-10 aralığında bir verime (kazan dahil) sahip olacaktır, ancak bir kondansatör, Corliss valfleri, çoklu genleşme ve yüksek buhar basıncı ilavesiyle. /sıcaklık, tarihsel olarak %10-20 aralığında ve çok nadiren biraz daha yüksek olacak şekilde büyük ölçüde iyileştirilebilir.

Buharla yeniden ısıtma , ekonomizör vb. ile modern, büyük bir elektrik santrali (birkaç yüz megavat elektrik çıkışı üreten) , en verimli üniteler %50 termal verimliliğe yaklaşırken, %40'ın ortalarında bir verimlilik elde edecektir.

Atık ısının düşük kaynama noktalı bir çalışma sıvısını ısıtmak için veya doymuş düşük basınçlı buhar yoluyla bölgesel ısıtma için bir ısı kaynağı olarak kullanıldığı kojenerasyon kullanarak atık ısıyı yakalamak da mümkündür .

• 

  Bir buharlı lokomotif - Weybourne nr.'de bir GNR N2 Sınıfı No.1744. Sheringham , Norfolk

• 

  Bir buhar elektrik John van de Riet tarafından bisiklet, Dortmund

• 

  Buharla çalışan su pompalı İngiliz atlı itfaiye aracı

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Referanslar

daha fazla okuma

• Thurston, Robert Henry (1878). Buhar Motorunun Büyümesinin Tarihi . Uluslararası Bilimsel Dizi. New York: D. Appleton ve Şirketi. OCLC  16507415 .
• Charles Algernon Parsons (1911), Buhar Türbini (1. baskı), Cambridge: Cambridge University Press , Wikidata  Q19099885(ders)

Dış bağlantılar

• Animasyonlu motorlar - Çeşitli motorları gösterir
• Howstuffworks – "Buhar Motorları Nasıl Çalışır"
• Çarklı buharlı gemi Unterwalden'deki 1900 buhar motorunun videosu