¿Qué es Máquina de vapor?

Una máquina de energía recíproca que convierte la energía del vapor en trabajo mecánico. La aparición de la máquina de vapor provocó la revolución industrial en el siglo XVIII. Hasta principios del siglo XX, siguió siendo el motor principal más importante del mundo, y luego, poco a poco, dio paso a los motores de combustión interna y las turbinas de vapor.
La historia de la invencióndel siglo XVI hasta finales del siglo XVII, la industria minera británica, especialmente el carbón, ha crecido a una escala considerable, depende de humanos, animales ha sido difícil cumplir con los requisitos de la mina excluir las aguas subterráneas, pero el Escena hay abundante carbón barato como combustible.

Las necesidades prácticas han llevado a muchas personas, como D. Papan, T. Savery y T. Newcomen en el Reino Unido, a dedicarse a la exploración y experimentación de "levantar agua con potencia de fuego". Savery fabricó el primer extractor de agua a vapor práctico del mundo (Figura 1) y obtuvo una patente británica titulada "Friends of Miners" en 1698. Primero llenó un recipiente con forma de huevo con vapor, luego cerró la válvula de entrada de vapor y roció agua fría fuera del recipiente para condensar el vapor en el recipiente y formar un vacío.

Abra la válvula de entrada de agua, el agua en el fondo de la mina es aspirada al contenedor a través de la tubería de entrada de agua por presión atmosférica; cierre la válvula de entrada de agua, vuelva a abrir la válvula de entrada de vapor y presione el agua en el contenedor a través del desagüe. válvula por presión de vapor. Cuando el agua del recipiente esté vacía y llena de vapor, cierre la válvula de entrada de vapor y la válvula de drenaje, y vuelva a rociar agua para condensar el vapor. Este ciclo se repite, utilizando dos recipientes en forma de huevo para trabajar alternativamente, y se puede lograr un drenaje continuo.

La bomba de agua de Savery se basa en la succión al vacío para extraer agua, y la profundidad del agua no puede exceder los 6 metros. Para extraer agua de una mina con una profundidad de decenas de metros, el levantador de agua debe instalarse en la profundidad de la mina, y se puede utilizar una presión de vapor más alta para presionar el agua hacia el suelo. Esto fue sin duda difícil y peligroso en ese momento.

Newcomen y su asistente J. Cali inventaron la máquina de vapor atmosférica en 1705 para impulsar una bomba de elevación de agua independiente, llamada máquina de vapor atmosférica Newcomen (Figura 2). El contrapeso en el lado izquierdo de la palanca de equilibrio en forma de abanico levanta el pistón mientras el vapor ingresa al cilindro debajo del pistón. Cuando el pistón sube a la parte superior del cilindro, cierre la válvula de entrada de vapor y rocíe agua fría en el cilindro para condensar el vapor y formar un vacío.

La presión atmosférica sobre el pistón presiona el pistón hacia abajo y levanta la varilla de la bomba de elevación en el lado izquierdo de la palanca para instalarlo en la mina profunda La bomba de elevación de agua extrae el agua. Debido a que el diámetro del cilindro es mayor que el de la bomba de elevación de agua, aunque la presión en el pistón del cilindro solo es igual a la presión atmosférica, también puede extraer agua a una profundidad de decenas de metros. Este tipo de máquina de vapor se introdujo por primera vez en el Reino Unido y luego se promovió rápidamente en Europa continental.

Sus productos modificados se siguieron fabricando hasta principios del siglo XIX. La eficiencia térmica de la máquina de vapor atmosférica de Newcomen es muy baja. Esto se debe principalmente al hecho de que cuando entra vapor en el cilindro, se condensa en la pared del cilindro que acaba de enfriarse con agua y pierde mucho calor. Solo se promueve en áreas productoras de carbón con bajos precios del carbón.

En 1764, el reparador de instrumentos británico J. Watt notó esta deficiencia cuando reparó el modelo de máquina de vapor Newcomen para la Universidad de Glasgow. En 1765, inventó una máquina de vapor con un condensador separado de la pared del cilindro y la adquirió en 1769. British patentar. La máquina de vapor Watt inicial (Figura 3) todavía usa una palanca de equilibrio y un mecanismo de varilla de tracción para impulsar la bomba de elevación de agua.

Después de que el pistón es empujado hacia arriba por el contrapeso en el otro extremo de la palanca, la válvula de equilibrio se cierra y la válvula de entrada de vapor se abre para introducir vapor en el extremo superior del cilindro. Al mismo tiempo, la válvula de escape se abre de modo que la parte inferior del cilindro del pistón se conecta al condensador para formar un vacío La presión cae, tirando hacia arriba de la varilla de tracción de la bomba de elevación de agua.

Después de presionar el pistón hacia el extremo inferior, la válvula de entrada y la válvula de escape se cierran y la válvula de equilibrio se abre al mismo tiempo para conectar los extremos superior e inferior del cilindro. El contrapeso vuelve a tirar del pistón hacia arriba, trabajando en un ciclo para levantar agua. Para extraer el agua y el aire condensados del condensador, Watt instaló una bomba de aire. También instaló una capa intermedia en la pared exterior del cilindro para calentar la pared del cilindro con vapor para reducir la pérdida de condensación.

Alrededor de 1782, Watt mejoró aún más la máquina y completó dos inventos importantes: Cerrar la válvula de entrada de vapor en el medio de la carrera de trabajo en frío activo, para que el vapor se expanda y funcione para mejorar la eficiencia térmica; El vapor funciona en ambos lados de el pistón (función doble) para aumentar la potencia de salida. En este momento, el pistón tiene que tirar de la palanca hacia abajo y empujar la palanca hacia arriba.

La palanca de equilibrio en forma de abanico y la cremallera ya no son aplicables. Watt inventó el mecanismo de paralelogramo. Ya alrededor de 1770, Watt comenzó a estudiar cómo usar el vapor para impulsar maquinaria rotativa. Para evitar las patentes obtenidas por otros para aplicar el mecanismo deslizante de manivela a la máquina de vapor, Watt inventó el mecanismo de engranajes planetarios en 1781, que convierte el movimiento alternativo del pistón en el movimiento de rotación del eje principal (Figura 4).

El movimiento alternativo del pistón en el cilindro se transmite a la palanca a través del mecanismo de paralelogramo, y la biela es impulsada por la palanca al eje principal a través del engranaje. A continuación, Watt inventó un dinamómetro (ver dinamómetro) para dibujar un diagrama de dinamómetro.

El diagrama indicador muestra el cambio de presión del vapor en el cilindro, y la potencia de la máquina de vapor se puede calcular en base a esto. La invención del diagrama indicador proporciona un medio importante para la investigación y el desarrollo de motores térmicos. Watt también usó el mecanismo de manivela y biela en las máquinas de vapor a fines del siglo XVIII.

El trabajo creativo de Watt permitió el rápido desarrollo de la máquina de vapor. Hizo una máquina que solo podía llevar agua a una máquina de vapor que se puede usar universalmente. Duplicó la eficiencia térmica de la máquina de vapor y redujo en gran medida el consumo de carbón. Por tanto, Watt es el principal inventor de la máquina de vapor.

Aplicación y promoción:desde finales del siglo XVIII, las máquinas de vapor no solo se han utilizado ampliamente en la industria minera, sino que también se han promovido rápidamente en industrias como la fundición, los textiles y la fabricación de maquinaria. Hizo que la producción textil del Reino Unido se quintuplicara en más de 20 años (de 1766 a 1789), proporcionó al mercado una gran cantidad de bienes de consumo, aceleró la acumulación de fondos y planteó demandas urgentes a la industria del transporte. El experimento de usar máquinas de vapor como potencia de propulsión en barcos comenzó en 1776.

Después de una mejora continua, en 1807, R. Fulton de los Estados Unidos fabricó el primer barco práctico con motor de vapor propulsado por ruedas de paletas "Clermont". Desde entonces, las máquinas de vapor se han utilizado como potencia de propulsión en los barcos durante más de cien años. En 1801, el británico R. Trevithick propuso el concepto de una máquina de vapor portátil. En 1803 apareció por primera vez en la zona de la mina de carbón esta especie de máquina de vapor móvil con raíles, prototipo de locomotora.

El británico G. Stephenson mejoró continuamente la locomotora y creó la locomotora de vapor "Rocket" en 1829. Esta locomotora remolcaba un vagón que transportaba 30 pasajeros a una velocidad de 46 kilómetros por hora, lo que atrajo la atención de varios países y fue pionero en la era de los ferrocarriles. A finales del siglo XIX, con el auge de las aplicaciones de energía eléctrica, las máquinas de vapor se utilizaron una vez como la principal maquinaria de energía en las centrales eléctricas. En 1900, había una central eléctrica de motor de vapor con una sola potencia de 5 MW en Nueva York, EE. UU.
El desarrollo de la máquina de vapor alcanzó su punto máximo a principios del siglo XX. Tiene las ventajas de par constante, velocidad variable, reversibilidad, operación confiable, fabricación y mantenimiento convenientes, etc. Por lo tanto, se ha utilizado ampliamente en varios campos como centrales eléctricas, fábricas, locomotoras y barcos, especialmente en buques de guerra, y se convirtió en el único motor principal en ese momento.

La clasificación de lamáquina de vapor se puede dividir en tipos de acción simple y doble según el vapor que trabaja en uno o ambos lados del pistón; según la disposición del cilindro, se puede dividir en vertical y horizontal; según si el vapor se expande en un cilindro o continuamente en múltiples La expansión en el cilindro se puede dividir en expansión simple y expansión múltiple; de acuerdo con la dirección del flujo de vapor en el cilindro, se puede dividir en reflujo y flujo simple; de acuerdo con el método de vapor de escape y presión de escape, se puede dividir en vapor de condensación y vapor atmosférico y contrapresión.

Por lo tanto, se abandonó el motor de combustión interna de la caldera pesada y finalmente, con sus ventajas de peso ligero, tamaño pequeño, alta eficiencia térmica y funcionamiento flexible, reemplazó gradualmente el motor de vapor en barcos y locomotoras. La turbina de vapor tiene las ventajas de alta eficiencia térmica, gran potencia de una sola unidad, alta velocidad, peso ligero por unidad de potencia y operación estable, que exprime la máquina de vapor fuera de la central eléctrica.

Luego, el motor eléctrico reemplazó a la máquina de vapor en equipos industriales con su uso conveniente. Sin embargo, la eficiencia térmica de una máquina de vapor de pequeña potencia es mayor que la de una turbina de vapor, por lo que todavía hay espacio para que la máquina de vapor desempeñe un papel en áreas productoras de carbón o áreas con solo combustibles inferiores o en algunas ocasiones especiales.

La máquina de vapor tiene un gran impacto histórico, ha impulsado el desarrollo de la industria de la maquinaria e incluso de la sociedad. La termodinámica y el mecanismo establecido con su desarrollo sentaron las bases para el desarrollo de turbinas de vapor y motores de combustión interna. La turbina de vapor hereda las características de la máquina de vapor que usa vapor como fluido de trabajo y las ventajas de usar un condensador para reducir la presión del vapor de escape, y abandona las deficiencias del movimiento alternativo y la entrada de vapor intermitente.

El motor de combustión interna hereda la estructura básica y la forma de transmisión de la máquina de vapor, y adopta el método de introducir combustible directamente en el cilindro para la combustión, formando un ciclo térmico con una eficiencia térmica mucho mayor. Al mismo tiempo, los cilindros, pistones, volantes, reguladores de martillo volante, válvulas y sellos utilizados en las máquinas de vapor son los componentes básicos de muchas máquinas modernas.