瓦特對(duì)紐可門蒸汽機(jī)的第一次改進(jìn)

1、瓦特對(duì)紐可門蒸汽機(jī)的第一次改進(jìn)【摘要】瓦特對(duì)紐可門蒸汽機(jī)進(jìn)行改造，在結(jié)構(gòu)方面，在單一的汽缸外增加一個(gè)分離式冷凝器用 于對(duì)蒸汽進(jìn)行降溫。這使得蒸汽的保溫和降溫分開在兩個(gè)汽缸中進(jìn)行。在熱效率方面， 利用潛熱原理，充分利用了水蒸氣的潛熱，并且讓其膨脹力做功。這兩者減少了蒸汽耗 費(fèi)，同時(shí)提高了蒸汽利用率?！娟P(guān)鍵詞】蒸汽機(jī)，蒸汽，分離式冷凝器，潛熱理論（焓變理論）【前言】17世紀(jì)末，歐洲工業(yè)快速發(fā)展人力和畜力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)生產(chǎn)動(dòng)力的需求。帕 潘，薩弗里等科學(xué)家陸續(xù)發(fā)明了蒸汽機(jī)，蒸汽動(dòng)力成為了工業(yè)生產(chǎn)的新寵。而后紐可 門蒸汽機(jī)正是用于工廠生產(chǎn)之中，節(jié)省了大量人力。然而紐可門蒸汽機(jī)卻存在耗能過 多，效

2、率太低的缺點(diǎn)，因而無法在工業(yè)生產(chǎn)中推廣。瓦特對(duì)紐可門蒸汽機(jī)進(jìn)行改進(jìn)使 得其效率提高了三倍。也使得瓦特蒸汽機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛被使用，最終掀起了第一 次工業(yè)革命的高潮。一、方法原理1.1紐科門蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理:鍋爐B與汽缸C相通連，汽缸上面有一個(gè)活塞P在動(dòng)作，活塞P是杠桿D的一端， 當(dāng)汽缸里的蒸汽膨脹時(shí)，推動(dòng)活塞P上升，使杠桿D的另一端R下降，R下 面連接有重量的平衡錘N，N擠壓著水泵上的活塞P下降；當(dāng)汽缸里的蒸汽 冷凝成為真空時(shí)，大氣壓力就會(huì)推動(dòng)活塞P下降，它就帶動(dòng)著杠桿D的R將 平衡錘N提起，使地下水被大氣壓力擠壓著，沖開活塞P涌入水泵。這樣， 只要連接著鍋爐的汽缸不斷充汽、冷凝，它的

3、活塞P就會(huì)不斷地上下往復(fù)， 成為有節(jié)律的運(yùn)動(dòng)，抽水機(jī)也就連續(xù)不斷地工作了。1.1.1紐可門蒸汽機(jī)工作原理的分析：打開進(jìn)氣閥時(shí)，鍋爐產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽缸，高溫蒸汽的膨脹力對(duì)活塞做功使 其向上運(yùn)動(dòng)，通過一個(gè)杠桿連接使另一端的活塞向下運(yùn)動(dòng)；關(guān)閉進(jìn)氣閥并對(duì)氣 缸降溫，蒸汽冷凝，氣缸內(nèi)形成真空，大氣壓力把對(duì)活塞做功使其向下運(yùn)動(dòng)， 由于杠桿鏈接使另一端的活塞向上運(yùn)動(dòng)，這是一個(gè)沖程。1.1.2紐可門蒸汽機(jī)動(dòng)力分析：主要?jiǎng)恿碓矗捍髿?；次要?jiǎng)恿碓矗赫羝蛎浟?.1.3紐可門蒸汽機(jī)工作效率分析：每一個(gè)沖程都將剛產(chǎn)生的蒸汽冷凝，并未充分利用高溫蒸汽的膨脹力。下 一個(gè)沖程開始時(shí)又要對(duì)水加熱來產(chǎn)生新的蒸汽。大量蒸汽浪費(fèi)

4、，能量浪費(fèi)因而工 作效率低。1.2瓦特探尋解決紐可門蒸汽機(jī)低效率的方案:1.2.1猜想致使低效率的可能：氣缸的材質(zhì)，氣缸與鍋爐的大小比例，動(dòng)力來源1.2.2找到致使低效率的關(guān)鍵因素：通過實(shí)驗(yàn)1，實(shí)驗(yàn)2,實(shí)驗(yàn)3,得出致使低效率的關(guān)鍵因素應(yīng)該是動(dòng)力來源。1.2.3分析解決方法：提高蒸汽膨脹力的利用效率，則要減少蒸汽浪費(fèi)。造成蒸汽浪費(fèi)的原因是對(duì)蒸汽冷凝，其目的是產(chǎn)生真空，進(jìn)而獲得大氣壓力作為 動(dòng)力。所以，如果不再利用大氣作為主要?jiǎng)恿碓?，而改用蒸汽那么問題就解決了。1.2.4理論可行性：1.2.4.1潛熱理論：在熱化學(xué)中，是物質(zhì)在物態(tài)變化（相變）過程中，在溫度沒有變化的情況下， 吸收或釋的能量。潛熱

5、這個(gè)字一般已較少使用，取而代之的是現(xiàn)代觀念的相變焓。 潛熱可分為熔化熱及汽化熱，視乎當(dāng)畤熱能的物態(tài)流動(dòng)方向：固態(tài)-液態(tài)- 氣態(tài)當(dāng)相變是由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)再轉(zhuǎn)為氣態(tài)，能量改變是吸熱性的；當(dāng)相變是另一個(gè)方 向的畤候，能量改變是放熱性的。例如在大氣環(huán)境下，當(dāng)一個(gè)水分子從水表面蒸 發(fā)畤，熱能是由該水分子傳送至含有較多水蒸汽而較低溫度的空氣中。由從在將 水轉(zhuǎn)化為水蒸汽是需要能量，水蒸汽就是釋放能量的物體。若水蒸汽經(jīng)由凝結(jié)或 沉積轉(zhuǎn)為液態(tài)或固態(tài)，儲(chǔ)存了的能量會(huì)以能感受的熱能釋放。潛熱理論從理論的 高度論證了熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的可行性。1.2.4.2蘭金（朗肯）循環(huán)圖1為蘭金循環(huán)在壓一容（P-V）圖和溫一熵（T-

6、S）圖下的表示。它是由汽 輪機(jī)（或蒸汽機(jī)）中的絕熱膨脹過程1-2、凝汽器中的定壓凝結(jié)放熱過程 2-3、水泵中的絕熱壓縮過程3-4，以及鍋爐中水的定壓加熱、汽化和蒸汽的 過熱過程4-5-6-1所組成的可逆循環(huán)。蘭金循環(huán)的熱效率為式中H1、H2、H3、H4分別表示工質(zhì)在相應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)1、2、3、4上的焓值，可由蒸汽圖表根 據(jù)壓力和溫度等參數(shù)加以確定。汽輪機(jī)進(jìn)口處蒸汽的初溫和初壓越高，出口 處排汽壓力越低，則 t就越高（圖2、圖3）。排氣壓力的降低受環(huán)境溫度 或供熱用戶要求的限制，所以提高初溫和初壓是提高 t的重要途徑。蘭金 循環(huán)也是余熱動(dòng)力回收裝置、地?zé)岷吞柲軇?dòng)力等裝置的基本循環(huán)1.2.5從理論到實(shí)

7、際裝置一引入分離式冷凝器:設(shè)計(jì)兩個(gè)氣缸：一個(gè)用于承裝蒸汽，另一個(gè)用于讓蒸汽降溫鍋爐B與汽缸E相通，汽缸E中充滿汽后通往冷凝器C，再從W處向C噴澆冷 水使蒸汽冷卻。冷凝器的充汽與冷凝帶動(dòng)與之相連的活塞P上下運(yùn)動(dòng)，活塞P 再帶動(dòng)和上面相連的杠桿動(dòng)作。這樣汽缸與冷凝器分開，汽缸可以永遠(yuǎn)保持必 須的高溫，而單使蒸汽冷凝冷凝器可以不間斷的工作。這樣不但節(jié)省了大量的 燃料，也可使蒸汽機(jī)的工作不再斷斷續(xù)續(xù)，節(jié)省了大量的時(shí)間，大大提高了效二，儀器結(jié)構(gòu):瓦特蒸汽機(jī)氣缸，活塞，鍋爐，杠桿，噴水管，分離式冷凝器瓦特蒸汽機(jī)三，相關(guān)實(shí)驗(yàn):3.1實(shí)驗(yàn)1探究氣缸材質(zhì)對(duì)熱效率的影響：用大小，形狀，完全相同的鐵制和銅制的氣缸分

8、別進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，比較熱效率的 大小。結(jié)果證明：氣缸的材質(zhì)對(duì)熱效率沒有明顯影響。3.2實(shí)驗(yàn)2探究氣缸大小對(duì)熱效率的影響：用材質(zhì)相同大小不同的氣缸分別就行多次實(shí)驗(yàn)，比較熱效率大小。結(jié)果證明：氣缸的大小對(duì)熱效率沒有明顯影響。3.3實(shí)驗(yàn)3驗(yàn)證蒸汽的潛熱：用一把水壺，從壺嘴上接一根管子，通進(jìn)一個(gè)帶刻度的并盛有冷水的燒瓶里。 然后把水壺里的水燒開，直到燒瓶里的水的 溫度達(dá)到沸點(diǎn)，此時(shí)就再也沒有一 點(diǎn)蒸汽會(huì)冷凝了。燒瓶里的水的數(shù)量已增加了 1/6,這便是蒸汽冷凝下來的水。由此他做出了正確的推算：如果要把水變成蒸汽，那么在水達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)， 它就能比原來它本身的體積增加6倍。然后，他又把這一結(jié)果轉(zhuǎn)換成溫度 的形式

9、，他的辦法是把1克水從零攝氏度提高到100攝氏度所需要的熱 量，作為100個(gè)熱量單位。試驗(yàn)開始的時(shí)候，燒瓶里冷水的溫度是11攝 氏度，因此要把這1克水的溫度提高到沸點(diǎn)，就需要89個(gè)熱量單位。然 而，這項(xiàng)試驗(yàn)卻表明：從水壺里出來的蒸汽，能夠?qū)⑴c其等量水的溫度提 高到沸點(diǎn)，并使其體積增加6倍，其結(jié)果是所耗費(fèi)的熱量單位為534個(gè)。、小結(jié):一. 在傳統(tǒng)的氣缸上添加分離式冷凝器成功地將蒸汽的產(chǎn)生和冷凝分開在兩個(gè)空間內(nèi) 進(jìn)行；使得“對(duì)水加熱來產(chǎn)生蒸汽，再冷凝蒸汽產(chǎn)生真空”所造成的大量能源浪費(fèi)的 問題得以解決二.再單一的氣缸里增加一個(gè)小氣缸；成功地讓高溫蒸汽所具有的膨脹力代替大氣壓力對(duì)活 塞做功，使得活塞的動(dòng)力不再依賴于大氣壓，實(shí)現(xiàn)了蒸汽動(dòng)力五、討論：（一）此時(shí)的蒸汽機(jī)只能提供往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)而主要應(yīng)用于抽水泵上。熱效率低已不是蒸 汽機(jī)的主要缺點(diǎn)，蒸汽機(jī)并不能為絕大多數(shù)機(jī)器提供動(dòng)力，而蒸汽機(jī)的活塞只 能作單向的往返的直線運(yùn)動(dòng)才是它的根本局限。（二）雖然添加了分離式冷凝器，（熱機(jī)的工作模式一般可以簡化為熱力學(xué)循環(huán)的模型。） 但從熱力學(xué)循環(huán)角度來講，此時(shí)的蒸汽機(jī)的效率仍然偏低，原因是活塞只能單向推動(dòng)。（三）由于限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)工藝問題，此時(shí)的蒸汽機(jī)只能使用低壓蒸汽，機(jī)械的輸出功 率有限。后言（蒸汽機(jī)的繼續(xù)發(fā)展改進(jìn)）