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蒸汽机的发明与原理

发布时间:2019-11-25 13:06 来源:未知 编辑:admin

  蒸汽机是现代火车最初的雏形,蒸汽机是20世纪最伟大的发明,甚至还创造了蒸汽时代,工业革命产生的一部分原因是因为瓦特对蒸汽机的改良,而瓦特并没有发明蒸汽机,他只是对蒸汽机进行了改良。那么蒸汽机是谁发明的呢?蒸汽机的原理又是什么?

  蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初,它仍然是世界上最重要的原动机,后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉,这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽膨胀推动活塞做功。

  蒸汽机是一个能够将动能转换为功的热机。泵、火车头和现代轮船曾使用蒸汽机驱动。蒸汽机在工业革命中起了基本的作用。今天人们还使用蒸汽涡轮发动机来发电。

  众所周知,蒸汽机是瓦特发明的,但其实瓦特并不是第一个发明出蒸汽机的人。早在1世纪时,古希腊数学家亚历山大港的希罗就发明汽转球,这是最初蒸汽机的雏形。

  1679年法国物理学家丹尼斯巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。约与此同时萨缪尔莫兰也提出了蒸汽机的主意。

  1688年,法国物理学家德尼斯帕潘,曾用一个圆筒和活塞制造出第一台简单的蒸汽机。但是,帕潘的发明没有实际运用到工业生产上。

  1705年,纽克曼经过长期研究,综合帕潘和塞维利发明的优点,创造了空气蒸汽机。

  1757年,瓦特到格拉斯格大学当实验员,专门制作和修理教学仪器。大学为瓦特提供了良好的学习与实践的机会。他孜孜不倦地学习,还掌握了德文和意大利文,一有机会就向大学里的教授请教,有时还和他们争论科学技术问题。

  1763年,外边送到大学里的一台蒸汽机要瓦特负责修理。瓦特和另外几个人详细地研究起来。经过认真研究,瓦特发现纽克曼蒸汽机有许多缺陷,主要是燃料耗费太大,笨拙,应用的范围有限,只能用于矿井抽水和灌溉,瓦特决心造一台比它更好的蒸汽机。

  1784年,瓦特对它进行了改进,为它增加了一种自动调节蒸汽机速率的装置,使它能适用于各种机械的运动。从此之后,纺织业、采矿业、冶金业、造纸业、陶瓷业等工业部门,都先后采用蒸汽机作为动力了。1807年,美国人富尔把瓦特的蒸汽机装在轮船上,从此,航运中的帆船时代结束了。

  1814年,英国人史蒂芬把瓦特的蒸汽机装在火车上,陆路运输的新时代开始了。19世纪三、四十年代,蒸汽机在欧洲和北美被广泛采用,这就是所谓的“蒸汽时代。”瓦特逝世于1819年,后人为了纪念他的伟大发明,把发电机和电动机的功率计算单位称为“瓦特”。

  如此说来,瓦特只是蒸汽机的改良者,并不是蒸汽机的发明者,不过话说回来,如果没有瓦特对第一台蒸汽机的精心改良,就不会出现蒸汽时代,不会大大加快了工业的效率。

  蒸汽机为所有早期火车头、汽船和工厂提供动力,因此是工业革命的基础。在本文中我们将学习蒸汽机是如何工作的。

  下面的示意图展示了活塞式蒸汽机的主要部件。这是用在蒸汽机车中的典型蒸汽机。

  图中所示的是双动式蒸汽机,因为它的阀门使高压蒸汽交替作用于活塞的两面。下面演示了运行中的发动机:

  你能够看到,滑动阀负责让高压蒸汽进入汽缸两面。而阀门的控制杆通常钩在连接十字头的联动装置上,因此十字头的运动也使阀门滑动。

  你在这幅图中可以看到废蒸汽被简单地排放到了空气中。这就解释了关于蒸汽机车的两件事:

  它解释了为什么蒸汽机车需要在车站加水随着蒸汽的消耗,水不断地在损失。

  它解释了火车“呼哧”声的来源。当阀门打开汽缸释放废蒸汽时,蒸汽以很大的压力冲出来而产生“哧”的声音。当火车刚启动的时候,活塞移动得很慢,而后火车开始变快,活塞运动也在加快。这就产生了我们在火车启动时常常听到的效果:“呼哧呼哧哧哧哧”。

  在蒸汽机车中,十字头通常与传动杆相连,从那里连到联杆,由联杆驱动机车的轮子。结构通常如下所示:

  在这个示意图中,十字头与传动杆连接,而传动杆则与火车的三个驱动轮中的一个连接。这三个轮子通过联杆连接在一起,所以它们同步转动。

  蒸汽机所需的高压蒸汽来自锅炉。锅炉的任务是加热水来产生蒸汽。有两种实现方法:火管和水管。

  火管锅炉在19世纪初更为常见。它由一个被很多管子穿过的水箱组成。由煤或木柴烧热所得的热气体从这些管子中通过加热水箱中的水,如下所示:

  现在,更常见的是水管锅炉,在这种锅炉中,水流过位于由火加热的气体中的一排管子。下面的简化示意图描绘了水管锅炉的典型构造:

  在真正的锅炉中,结构将会复杂得多,因为锅炉的目的就是尽最大可能从燃烧的燃料中吸取热量以提高效率。

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