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1、蒸汽機(jī)原理,鐵路蒸汽機(jī),目錄,1,2,1,蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)曾引起了18世紀(jì)的工業(yè)革命。直到20世紀(jì)初,它仍然是世界上最重要的原動(dòng)機(jī),后來(lái)才逐漸讓位于內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等,高中課本上說(shuō)蒸汽機(jī)是瓦特在燒水的時(shí)候看到水蒸氣頂開瓶蓋得到靈感發(fā)明的,這并不是正確的。 1807年羅伯特富爾頓第一個(gè)成功地用蒸汽機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)輪船。瓦特并不是蒸汽機(jī)的發(fā)明者,在他之前,早就出現(xiàn)了蒸汽機(jī),即紐科門蒸汽機(jī),但它的耗煤量大、效率低。瓦特運(yùn)用科學(xué)理論,逐漸發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機(jī)的毛病所在,卡特,從1765年到1790年,他進(jìn)行了一系列發(fā)明,比如分離式冷凝器、汽缸外設(shè)置絕熱層、用油潤(rùn)滑活塞、
2、行星式齒輪、平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)、離心式調(diào)速器、節(jié)氣閥、壓力計(jì)等等,使蒸汽機(jī)的效率提高到原來(lái)紐科門機(jī)的3倍多,最終發(fā)明出了現(xiàn)代意義上的蒸汽機(jī),蒸汽機(jī)模型 ,還原工作原理,全玻璃制作,2,下面的示意圖展示了活塞式蒸汽機(jī)的主要部件。這是用在蒸汽機(jī)車中的典型蒸汽機(jī),你在上圖中可以看到廢蒸汽被簡(jiǎn)單地排放到了空氣中。這就解釋了關(guān)于蒸汽機(jī)車的兩件事: 1、它解釋了為什么蒸汽機(jī)車需要在車站加水隨著蒸汽的消耗,水不斷地在損失。 2、它解釋了火車“呼哧”聲的來(lái)源。當(dāng)閥門打開汽缸釋放廢蒸汽時(shí),蒸汽以很大的壓力沖出來(lái)而產(chǎn)生“哧”的聲音。當(dāng)火車剛啟動(dòng)的時(shí)候,活塞移動(dòng)得很慢,而后火車開始變快,活塞運(yùn)動(dòng)也在加快。這就產(chǎn)生了我
3、們?cè)诨疖噯?dòng)時(shí)常常聽(tīng)到的效果:“呼哧呼哧哧哧哧,在蒸汽機(jī)車中,十字頭通常與傳動(dòng)桿相連,從那里連到聯(lián)桿,由聯(lián)桿驅(qū)動(dòng)機(jī)車的輪子。結(jié)構(gòu)通常如下所示,主要是一個(gè)汽缸,汽缸運(yùn)動(dòng)到右側(cè)末端時(shí),打開右側(cè)進(jìn)氣閥向汽缸右側(cè)沖高壓水蒸汽,打開左側(cè)排氣閥,高壓水蒸汽推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)最左端時(shí),打開左側(cè)進(jìn)氣閥關(guān)閉右側(cè)排氣閥,向汽缸左側(cè)沖高壓水蒸汽,使汽缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。將汽缸活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)聯(lián)桿滑塊曲軸轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。各閥門的開關(guān)也是通過(guò)聯(lián)桿滑塊帶動(dòng)滑閥進(jìn)行的,凈功,結(jié)論:在任何一個(gè)循環(huán)過(guò)程中,系統(tǒng)所作的凈功在數(shù)值上等于P-V圖上循環(huán)曲線所包圍的面積,BbA為壓縮過(guò)程:-Wb,循環(huán)過(guò)程,2.特征:經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)過(guò)程
4、后內(nèi)能不變,即E=0,AaB為膨脹過(guò)程:Wa,3.PV圖,熱機(jī)效率,熱機(jī)(正循環(huán),1.熱機(jī)和熱機(jī)效率,1698年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了蒸汽機(jī) ,當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率極低 .1765年瓦特進(jìn)行了重大改進(jìn) ,大大提高了效率 。但是典型蒸汽機(jī)作為現(xiàn)代蒸汽機(jī)的雛形,效率低下。人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力,從理論上研究熱機(jī)效率問(wèn)題,一方面指明了提高效率的方向,另一方面也推動(dòng)了熱學(xué)理論的發(fā)展,第二節(jié)小結(jié),卡諾循環(huán)是由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫過(guò)程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程組成,1824 年法國(guó)的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作在兩熱源之間的理想循環(huán)卡諾循環(huán). 給出了熱機(jī)效率的理論極限值; 他還提出了著名的卡諾定理,A
5、B等溫膨脹過(guò)程,CD等溫壓縮過(guò)程,BC絕熱膨脹過(guò)程,卡諾熱機(jī),DA絕熱壓縮過(guò)程,卡諾循環(huán)效率,卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無(wú)關(guān),只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān),兩熱源的溫差越大,則卡諾循環(huán)的效率越高,例如,設(shè)蒸汽機(jī)鍋爐的溫度為230,冷卻器溫度為30,如果把它看作是理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的卡諾循環(huán),其效率為,實(shí)際上,由于各種損耗,其效率遠(yuǎn)比此值低,實(shí)際蒸汽機(jī)效率只有12%15%左右,蒸汽機(jī)的發(fā)展首先體現(xiàn)在功率和效率的提高,而這又主要取決于蒸汽參數(shù)的提高。初期蒸汽機(jī)的蒸汽壓力僅為0.110.13兆帕,19世紀(jì)初才達(dá)到0.350.7兆帕,20世紀(jì)20年代曾用到610兆帕。在蒸汽溫度上,19世紀(jì)末還不超過(guò)250,而到
6、20世紀(jì)30年代曾用到450480。 至于效率,瓦特初期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的蒸汽機(jī),按燃料熱值計(jì)總效率不超過(guò)3;到1840年,最好的凝汽式蒸汽機(jī)總效率可達(dá)8;到20世紀(jì),蒸汽機(jī)最高效率可達(dá)到20以上,蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和改進(jìn)促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,但同時(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展反過(guò)來(lái)又向蒸汽機(jī)提出了更高的要求,如要求蒸汽機(jī)功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對(duì)蒸汽機(jī)作過(guò)許多改進(jìn),不斷擴(kuò)大它的使用范圍和改善它的性能,但是隨著汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展,蒸汽機(jī)因存在不可克服的弱點(diǎn)而逐漸衰落。 蒸汽機(jī)的弱點(diǎn)是:離不開鍋爐,整個(gè)裝置既笨重又龐大;新蒸汽的壓力和溫度不能過(guò)高,排氣壓力不能過(guò)低,熱效率難以提高;它是一種往復(fù)式機(jī)器,慣性力限制了轉(zhuǎn)速的提高;工作過(guò)程是不連續(xù)的,蒸汽的流量受到限制,也就限制了功率的提高,1 動(dòng)力史上的標(biāo)志性改革與進(jìn)步 2 為后來(lái)的工業(yè)革命拉開了序幕 3 極大的解放了人力,提高了社會(huì)生產(chǎn)力
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