蒸汽机发展演变的三个阶段

《全球通史》作者L.S.斯塔夫里阿诺斯说,蒸汽机的历史意义,无论怎样夸大也不为过”蒸汽机的出现使人类从依靠人力、畜力等原始动力中解脱了出来,实现了机器大生产,带领人类进入蒸汽时代。本文将蒸汽机的演变划分了三个重要阶段,并以图例方式展示了自蒸汽机逐步改进和演变的过程。

 

第一阶段  蒸汽机主结构形成

利用蒸汽实现机械做功可追溯到公元1世纪古希腊力学家希罗发明的汽转球,它由一个空心球(连有两个出汽口)和一个密闭锅(加热水变成蒸汽)组成,在空心球和密闭锅之间用两根管子相连,同时也是空心球的支撑(见下图)。当水沸腾后变成水蒸气经连接管进入到空心球中,此时蒸汽将从两个喷汽口喷出,在水蒸汽的反作用力下空心球就转了起来,便成为汽转球。但汽转球只是一种玩具,并没有什么实用价值。

 

蒸汽机发展演变的三个阶段

汽转球

 

引领17-19世纪工业革命的蒸汽机,起源于1679年法国物理学家帕平(Denis Papin1647-1713)发明的高压锅时采用了杠杆式安全阀,利用杠杆原理,在远端施加重物,而汽压推动汽阀的力点为短力臂,利用杠杆原理,当高压锅压力超过设计值时,可推动汽阀向上运动,以排出部分压力,平衡后又落回远处。1690年帕平根据安全阀的工作原理发明了活塞式蒸汽机,不过帕平只是对设计原理进行了思考,并没有真正制造出可使用的蒸汽机,但他的工作却开创蒸汽机的研究

蒸汽机发展演变的三个阶段

帕平设计的高压锅,杠杆式安全阀是其主要构件

  

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杠杆式安全阀,在B端安装重物,汽阀C处受压力,利用杠杆平衡通过即可获得高压锅中的压力

 

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通过观察蒸汽阀的运动,设计了活塞式蒸汽机

后来,英国发明家和工程师塞维利(Thomas Savery c.16501715)仔细对帕平设计方案进行了研究,由于当时缺乏制造良好密闭性活塞的制造工艺,塞维利舍去了帕平的活塞结构。塞维利机主要由两个部分组成:一是锅炉,二是密闭的工作容器。先通过锅炉把水加热,使蒸汽充满工作容器,然后关闭入汽孔,使工作容器中水蒸气冷凝,形成局部真空,当该容器与矿井下水相连时,通过外部大气压,就可以把水“吸”到高处,其实是靠大气压力把水压上来的,所以水的提升高度和大气压力有关,在9m左右。为了把水送到更高的地方,塞维利又专门设计了一个蒸汽压力装置把水送到更高的地方,这就是塞维利机,被命名为“矿山之友”。并申请了世界上第一个蒸汽机专利。

 

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塞维利机

塞维利蒸汽机问题很多:效率很低,为了维持机器的运转需要烧很多的煤,好在它本身就是用于煤矿抽水的,煤有的是。但它靠压力输送水,又当时材料制造和焊接工艺的不足使得时有管道发生断裂和爆炸,同时依靠大气压提水,最高提升高度约为9.1m限制了塞维利机的使用。不过,塞维利总是人类的第一台实用蒸汽机并申请了专利。当塞维利请帕平(此时,帕平是英国皇家学会的会员)对他的蒸汽机予以鉴定时,帕平意识到了塞维利机的不足提出了重大的改进意见,但塞维利也不认为帕平的建议可行而不同意改进。后来,帕平根据自己的理解更新了设计,但由于他已因研制蒸汽机而破产,因此他向皇家学会申请15英镑的研究经费来改进锅炉,以证明新设计比塞维利机要优越时,但塞维利从中百般阻挠,致使帕平的合理要求遭到拒绝。

 

蒸汽机发展演变的三个阶段

帕平蒸汽机的第二版,将蒸汽机引入汽缸中(从有往左第2个容器),靠活塞推动水升高,大概帕平和塞维利的矛盾主要在于使用还是不使用活塞结构

 

帕平和塞维利的不和谐最后由纽可门(纽可门的资料很少,职业虽说是锻工,实际上在当时也就是我们熟知的铁匠,有说法说纽可门曾受雇于塞维利)进行了协调统一。大约在1712年,纽可门综合了帕平的气缸活塞和塞维利靠冷凝蒸汽形成真空抽水的优点,将抽水的工作机构和提供动力的蒸汽机完全分开,这一分离标志着纽可门蒸汽机的完成,纽可门机在当时非常成功,连续使用了有60多年,在瓦特蒸汽机出现以后,还使用了很长一段时间。但可惜的是,由于当时申请专利需要昂贵的费用,纽可门机并没有申请专利,这或许也为纽可门机的广泛使用提供了条件,纽可门机成为煤矿抽水的必备设备,以至于大学里都在教授纽可门机的工作原理(这为瓦特的出厂准备了条件)。纽可门机的出现标志着蒸汽机革新中第一阶段工作的完成,纽可门机一直使用到18世纪60年,瓦特对纽可门机的改进标志着蒸汽机的演变进入第二阶段。

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纽可门机

 

第二阶段 瓦特对蒸汽机的不断改进

瓦特于蒸汽机结缘,得益于格拉斯哥大学(University of Glasgow)的三位教授,Joseph Black和Adam Smith,以及后来的John Robison,他们为瓦特提供了一份维修和制作天文仪器的工作,并提供了一个小的工作车间。1763年瓦特被要求去修理一台学校的纽可门模型机,用于教学使用,此前在伦敦维修没有修好,瓦特很快就修了。瓦特的可贵之处在于他修好之后,还对其工作原理、热机效率、制造工艺等一系列问题进行了深入思考,在经过很多实验后,瓦特验证了大约在气缸每次循环中有大约四分之三的蒸汽热量被白白地浪费而且由于每次循环都向气缸内喷入冷水不能连续工作。

 

1769年瓦特考虑如果单独设计一个冷凝装置,就不需要使汽缸的温度降到常温再重新加热,这样就可以提高热机效率,按照他的设计可将蒸汽机的效率提高3倍。依照这一思路,瓦特设计了带有分离式冷凝器的蒸汽机,瓦特为分离式冷凝器申请了专利保护,成为他的第1项专利

 

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瓦特蒸汽机 冷凝器与汽缸分离

 

1775年,瓦特与合伙人马修.博尔顿(Matthew Boulton,1728–1809),Soho铸造厂的老板开始合作成立了“博尔顿-瓦特公司”,并将分离式冷凝蒸汽机投入生产,其煤耗不到纽可门机的 1/3。1781年,瓦特公司的雇员威廉•默多克(William Murdoch)发明了一种称为“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统,并以瓦特的名义成功申请了专利。此时,瓦特蒸汽机输出的不再是活塞的往复运动而是旋转运动,为其成为动力机奠定了基础。

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太阳行星此轮机构

 

在合伙人博尔顿的帮助下,瓦特和他们的员工通力合作,对蒸汽机实现了革命性的改进。1781年,瓦特又发明了双向汽缸以提高效率,双向汽缸即在活塞两侧进汽,提高热机效率(见下图)。这时,联系控制双向汽缸的进汽装置成为关键,1784年,瓦特发明了平行四连杆机构,以保证双向汽缸的控制问题(见下图)。

 

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双向汽缸

蒸汽机发展演变的三个阶段

平行四连杆机构 完成 平行运动

 

经过这一系列的改进,纽可门机已经完全成为了瓦特蒸汽机。1785年以后,瓦特改进的蒸汽机首先在纺织部门投入使用,受到广泛欢迎。为了保证蒸汽机转速的平稳性,瓦特于1788年发明了离心式调速器

 

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离心式调速器

1790年瓦特在员工Kalman De Juhasz,The Victoria 和 Albert Museum的帮助下发明了蒸汽机气缸示工器

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蒸汽机示工器

在瓦特研制蒸汽机的过程中,Soho铸造厂的博尔顿起了关键性的决定作用。1794年,瓦特与博尔顿合伙组建了专门制造蒸汽机的公司,保证了蒸汽机的研究经费,事实上瓦特在博尔顿的经营下,很快就成了富翁,到1824年就生产了1165台蒸汽机,纺织业、采矿业、冶金业、造纸业等工业部门,都先后采用蒸汽机做为动力。

蒸汽机发展演变的三个阶段

 

瓦特与他的前人相比,他对蒸汽机的改进不仅在于结构和制造工艺上的完善,同时还完成了许多蒸汽机的控制装置的设计,使蒸汽机更加的趋于稳定工作。瓦特的工作代表了蒸汽机演变中的第二个阶段。在这一过程中,我们过多的强调了瓦特的工作,实际上瓦特的合伙人博尔顿、以及他们的员工(如默多克)、以及当时的一些化学家、物理学家(如格拉斯哥大学的三位教授,以及圆月学社的一些知名人士)的作用不容忽视,应该说在瓦特天才般的发明创造能力之上,良好的人际关系也是瓦特成功的重要条件。

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瓦特蒸汽机的工作原理图

 

 

第三阶段  蒸汽机效率的进一步提高

蒸汽机的雏形来源于帕平的高压锅安全阀,安全阀主要靠蒸汽机压力工作,一个显见的结论就是压力越大越可能提供更大的动力,但由于当时材料和结构制造水平低下,初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11~0.13兆帕,称为低压蒸汽机,瓦特蒸汽机也属于低压蒸汽机。19世纪初,高压蒸汽机的发展迎来蒸汽机发展的第三阶段,但实际上高压蒸汽机可以再早一些,但由于瓦特的几项专利要到1800年才到期,因此在一定程度上也阻碍了高压蒸汽机的发展。

 

1800年英国的特里维希克(Richard Trevithik,1771-1833)发明了高压蒸汽机,他的目的是牵引蒸汽机车,并于1802年申请了专利。特里维希克发明了世界上第一台实用性轮轨蒸汽机车,他蒸汽机车在结构上初步具备了早期蒸汽机车的雏形,例如:机车由锅炉、烟囱、汽缸、动轮、摇杆、连杆、飞轮等部件组成。并实验了载客和货运功能。由于蒸汽机车本身和它牵引的货物太沉重了,生铁铸成的铁轨经常发生断裂事故,于是矿山的主人拒绝了德里维斯克的蒸汽机车,还是决定用老办法马拉货车来运矿石。

 

蒸汽机发展演变的三个阶段

特里维希克蒸汽机车(早于斯蒂芬森)


蒸汽机发展演变的三个阶段
特里维希克测试蒸汽机车的圆形轨道

 

1801年,美国工程师、发明家埃文思制造也制造出了高压蒸汽机,尽管最初只有5马力(传统的低压蒸汽机那时有的会有12马力),但它的体积只有传统蒸汽机的1/25. 这是难以想象的。

 

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埃文思高压蒸汽机

 

19世纪初蒸汽压力达到0.35~0.7兆帕,试验中用到5.6兆帕,20世纪20年代曾用到6~10兆帕。在蒸汽温度上,19世纪末还不超过250℃,而到20世纪30年代曾用到450~480℃。蒸汽压力和温度的提高,极大的提高了蒸汽机的效率,不过也远不能使人满意,纽可门蒸汽机效率大约为0.5%,瓦特初期连续运转的蒸汽机按燃料热值计总效率不超过3%;到1840年,最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%;到20世纪,蒸汽机最高效率可达到20%以上。此后,尽管人们做了多种创始,但热机效率几乎没有什么提高,直到卡诺发现了卡诺循环,提出卡诺热机,指明热机效率在理论上等于

n=1-T2/T1

n表示热机效率,T2表示低温热源,T1表示高温热源。我们知道提高蒸汽压力,在同等体积情况下,可得到较高的温度,因此高压蒸汽机的热机效率要比低压蒸汽机效率高。

 

卡诺热机的提出为提高热机效率提供了理论依据,标志着蒸汽机第三阶段的完成。此后,人们便着手研发耐高温高压的材料和结构,以提高热机效率。如今,在火力发电中为了提高热机效率减少二氧化碳排放,提高蒸汽机压力和温度是主要途径。

 

在火电领域,由于水的临界压力是22.129MPa,临界温度是374.15℃;在这个压力和温度时,因高温膨胀的水和因高压压缩的水蒸汽的密度是相同的,就叫水的临界点,炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉,大于这个压力就是超临界锅炉,炉内蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31 MPa被称为超超临界。在工程上也常常将25MPa以上的称为超超临界。目前,国内及国际上一般认为蒸汽温度不低于600摄氏度,就是超超临界机组。2011年开始,我国已经致力于研究700摄氏度的高超超临界技术。当今温度在700℃,压力在35MPa以上的高超超燃煤机组已成为世界各国竞相发展的重点。

 

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2014年被称为“史上最严”的《火电厂大气污染物排放标准》正式执行,大量落后机组亟待淘汰升级,超超临界技术将逐步成为我国火电技术的主体。其中耐高温材料的力学性能研究、冶金、焊接等制造工艺成为新一轮“蒸汽机变革”中的重点目标。

 

从这个角度看,虽然人类早已进入了电气时代,但蒸汽机的变革远没有停止,新理论、新材料、新的加工工艺的不断提出蒸汽机也将会有更进一步的发展。这也说明科学与技术的进步没有终点,人类探索的脚步也永远不会停止!

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  • 文本由 发表于 2018年5月20日10:12:53
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