Động cơ hơi nước

Động cơ hơi nước là một loại động cơ nhiệt sử dụng hơi nước làm chất lỏng làm việc để thực hiện công việc cơ học. Động cơ hơi nước hoạt động nhờ vào áp suất hơi đẩy piston di chuyển trong xi lanh. Chuyển động này sau đó được biến đổi thành chuyển động quay thông qua thanh nối và bánh đà để thực hiện công việc. Thuật ngữ 'động cơ hơi nước' thường chỉ định cho động cơ pittông, không bao gồm tuabin hơi.

Động cơ hơi nước là động cơ đốt ngoài, nơi chất lỏng làm việc được tách biệt khỏi các sản phẩm đốt. Chu trình nhiệt động lý tưởng để phân tích quá trình này được gọi là chu trình Rankine.

Trong các ứng dụng thông thường, thuật ngữ động cơ hơi nước có thể chỉ đến các hệ thống hơi nước hoàn chỉnh (như nồi hơi, v.v.) bao gồm đầu máy hơi nước đường sắt và động cơ di động, hoặc chỉ đề cập đến các loại pít-tông hoặc máy tua-bin, chẳng hạn như động cơ chùm và động cơ hơi nước đứng yên.

Thiết bị chạy bằng hơi nước đầu tiên được biết đến là aeolipile vào thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên, với một số ứng dụng khác được ghi nhận vào thế kỷ 16 và 17. Bơm khử nước của Thomas Savery sử dụng áp suất hơi để hoạt động trực tiếp trên mặt nước. Động cơ thành công về mặt thương mại đầu tiên có thể truyền năng lượng liên tục đến máy được phát triển vào năm 1712 bởi Thomas Newcomen. James Watt đã thực hiện một cải tiến quan trọng bằng cách tách hơi nước đã qua sử dụng sang một bình riêng để ngưng tụ, qua đó nâng cao hiệu suất công việc trên mỗi đơn vị nhiên liệu tiêu thụ. Đến thế kỷ 19, động cơ hơi nước đứng yên đã cung cấp năng lượng cho các nhà máy trong Cách mạng Công nghiệp, thay thế buồm cho tàu và đầu máy hơi nước hoạt động trên đường sắt.

Các động cơ hơi nước đầu tiên được dùng làm bộ phận chuyển động chính cho bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới khác trên đường bộ, đóng vai trò then chốt trong Cách mạng Công nghiệp. Động cơ hơi nước kiểu pittông là nguồn năng lượng chủ yếu cho đến đầu thế kỷ 20, khi các tiến bộ trong thiết kế động cơ điện và động cơ đốt trong dần dần thay thế động cơ hơi nước pittông trong các ứng dụng thương mại. Tua bin hơi đã thay thế động cơ pittông trong sản xuất điện nhờ chi phí thấp hơn, tốc độ vận hành cao hơn và hiệu suất tốt hơn.

Lịch sử

Các thí nghiệm đầu tiên

'Động cơ' chạy bằng hơi nước sơ khai đầu tiên được biết đến là aeolipile, được Hero thành Alexandria, một nhà toán học và kỹ sư ở Ai Cập La Mã vào thế kỷ thứ nhất Công nguyên, mô tả. Trong những thế kỷ sau, một số 'động cơ' hơi nước khác cũng xuất hiện, như aeolipile, chủ yếu là các thiết bị thử nghiệm dùng để chứng minh tính chất của hơi nước. Một thiết bị tuabin hơi nước sơ khai được Taqi al-Din mô tả ở Ottoman Ai Cập năm 1551 và Giovanni Branca ở Ý vào năm 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont đã nhận bằng sáng chế vào năm 1606 cho 50 phát minh liên quan đến hơi nước, trong đó có một máy bơm nước để thoát các mỏ ngập nước. Denis Papin, một người tị nạn Huguenot, đã thực hiện nhiều công trình quan trọng về máy đào hơi nước vào năm 1679, và lần đầu tiên sử dụng pít-tông để gia tăng lực vào năm 1690.

Động cơ bơm

Thiết bị chạy bằng hơi nước thương mại đầu tiên là máy bơm nước, được Thomas Savery phát triển vào năm 1698. Máy này sử dụng hơi nước ngưng tụ để tạo ra chân không, từ đó bơm nước từ dưới lên và sau đó dùng áp suất hơi để nâng nước lên cao hơn. Động cơ này có hiệu quả trong những kích thước nhỏ, mặc dù các mô hình lớn hơn gặp phải vấn đề như chiều cao nâng hạn chế và nguy cơ nổ nồi hơi. Động cơ của Savery đã được sử dụng trong các mỏ, trạm bơm và cung cấp nước cho các bánh xe nước phục vụ máy dệt. Động cơ của Savery có chi phí thấp. Bento de Moura Portugal đã cải tiến sản phẩm của Savery để 'làm cho nó hoạt động tự động', như mô tả bởi John Smeaton trong các Giao dịch triết học xuất bản năm 1751. Thiết bị này vẫn được sản xuất cho đến cuối thế kỷ 18 và một số động cơ kiểu này vẫn hoạt động đến năm 1820.

Động cơ hơi nước với pít-tông

Động cơ hơi nước thành công đầu tiên có khả năng truyền năng lượng liên tục cho máy là động cơ khí quyển, được Thomas Newcomen phát minh vào khoảng năm 1712. Động cơ này là sự cải tiến của máy bơm hơi Savery, sử dụng pít-tông như Papin đã đề xuất. Dù động cơ của Newcomen có hiệu suất không cao và chủ yếu dùng để bơm nước, nhưng nó hoạt động bằng cách tạo ra chân không phần dưới pít-tông trong một xi-lanh bằng cách ngưng tụ hơi nước. Nó được dùng để làm cạn các mỏ ở độ sâu chưa từng đạt đến và cung cấp nước cho các nhà máy ở xa nguồn nước chính. Nước chảy qua bánh xe được bơm lên bể chứa phía trên. Năm 1780, James Pickard đã cấp bằng sáng chế cho việc sử dụng bánh đà và trục khuỷu để tạo ra chuyển động quay từ động cơ Newcomen cải tiến.

Vào năm 1720, Jacob Leupold đã mô tả một động cơ hơi nước áp suất cao với hai xi-lanh trong tác phẩm lớn của mình 'Dramri Machinarum thủy lực.' Động cơ này sử dụng hai pít-tông nặng để cung cấp chuyển động cho máy bơm nước. Mỗi pít-tông được nâng lên nhờ áp suất hơi và trở về vị trí ban đầu bằng trọng lực. Hai pít-tông chia sẻ một van xoay bốn chiều chung, được kết nối trực tiếp với nồi hơi.

Một bước tiến quan trọng diễn ra khi James Watt cải tiến động cơ Newcomen (1763-1775) bằng cách thêm một bộ ngưng tụ riêng biệt. Những động cơ đầu tiên của Boulton và Watt tiêu tốn chỉ bằng một nửa lượng than so với phiên bản cải tiến của Newcomen do John Smeaton phát triển. Động cơ ban đầu của Newcomen và Watt thuộc loại 'khí quyển,' hoạt động nhờ áp suất không khí đẩy pít-tông vào chân không phần nào được tạo ra bằng cách ngưng tụ hơi nước, thay vì dựa vào áp suất hơi nước giãn nở. Vì lực duy nhất có thể tác động lên các xi lanh là áp suất khí quyển, nên các xi lanh phải có kích thước lớn.

Watt tiếp tục phát triển động cơ của mình, điều chỉnh nó để tạo ra chuyển động quay phù hợp với các máy móc. Điều này cho phép các nhà máy được đặt ở xa các con sông và thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của Cách mạng Công nghiệp.

Động cơ áp suất cao

Khái niệm về áp suất cao, cũng như giá trị thực tế của nó trong môi trường, thay đổi theo thời đại. Đối với thời kỳ đầu, thuật ngữ này chỉ hơi nước có áp suất đủ cao để không cần phụ thuộc vào chân không để thực hiện công việc. Ewing vào năm 1894 cho rằng động cơ ngưng tụ của Watt lúc đó được coi là áp suất thấp so với động cơ không ngưng tụ áp suất cao cùng thời.

Bằng sáng chế của Watt đã hạn chế việc chế tạo động cơ hỗn hợp và áp suất cao bởi người khác. Khi bằng sáng chế của Watt hết hạn vào năm 1800, Richard Trevithick và Oliver Evans lần lượt giới thiệu các động cơ sử dụng hơi nước áp suất cao vào năm 1801. Trevithick nhận được bằng sáng chế cho động cơ áp suất cao vào năm 1802, trong khi Evans đã phát triển một số mô hình trước đó. Các động cơ này mạnh mẽ hơn nhiều so với các động cơ trước đó ở cùng kích thước xi lanh và có thể được chế tạo đủ nhỏ để ứng dụng trong vận tải. Sự phát triển công nghệ và cải tiến trong kỹ thuật sản xuất, phần lớn nhờ động cơ hơi nước, dẫn đến thiết kế các động cơ hiệu quả hơn, có thể nhỏ hơn, nhanh hơn hoặc mạnh mẽ hơn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

Động cơ Cornish, được phát triển bởi Trevithick và các cộng sự vào những năm 1810, là một loại động cơ chu trình hỗn hợp sử dụng hơi nước áp suất cao và sau đó ngưng tụ hơi nước áp suất thấp, mang lại hiệu quả tương đối tốt. Mặc dù động cơ này có chuyển động và mô-men xoắn không đều trong chu kỳ, làm cho nó chủ yếu được dùng để bơm nước, nhưng nó đã được sử dụng rộng rãi trong các mỏ và cung cấp nước cho đến cuối thế kỷ 19.

Động cơ nằm ngang

Các nhà chế tạo động cơ hơi nước đầu tiên lo ngại rằng các xi lanh nằm ngang sẽ nhanh chóng bị hao mòn, do đó đã thiết kế động cơ với trục pít-tông đứng. Tuy nhiên, theo thời gian, sự sắp xếp theo chiều ngang trở nên phổ biến hơn, cho phép các động cơ nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ được lắp đặt trong không gian hạn chế.

Động cơ nằm ngang đầu tiên là động cơ hơi nước Corliss, được cấp bằng sáng chế vào năm 1849, với thiết kế dòng chảy bốn van và các cửa nạp hơi, van xả riêng biệt, cùng cơ chế ngắt hơi tự động. Khi Corliss nhận Huân chương Rumford, ủy ban đã nhận xét rằng 'không ai từ thời của Watt đã cải tiến hiệu quả động cơ hơi nước nhiều như vậy.' Động cơ này không chỉ tiết kiệm hơn 30% hơi nước mà còn cung cấp tốc độ vận hành đồng đều hơn nhờ việc điều chỉnh hơi nước, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng sản xuất như kéo sợi bông.

Phương tiện giao thông đường bộ

Những chiếc xe chạy bằng hơi nước lần đầu tiên được thử nghiệm vào cuối thế kỷ 18. Tuy nhiên, chỉ sau khi Richard Trevithick cải tiến công nghệ hơi nước áp suất cao vào khoảng năm 1800, động cơ hơi nước di động mới trở nên khả thi. Nửa đầu thế kỷ 19 chứng kiến sự phát triển lớn trong thiết kế xe hơi, và đến những năm 1850, sản xuất chúng trên quy mô thương mại đã trở nên khả thi. Tuy nhiên, sự phát triển bị cản trở bởi các luật pháp hạn chế hoặc cấm sử dụng phương tiện hơi nước trên đường. Công nghệ xe cộ tiếp tục tiến bộ từ những năm 1860 đến 1920. Xe đường hơi được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Đến thế kỷ 20, sự phát triển nhanh chóng của động cơ đốt trong đã khiến động cơ hơi nước dần bị thay thế trong lĩnh vực thương mại, với số lượng còn lại chủ yếu được bảo quản bởi các nhà sưu tầm. Vào những năm 1960, ô nhiễm không khí ở California đã kích thích một thời gian ngắn sự quan tâm đến việc phát triển và nghiên cứu các phương tiện hơi nước như một giải pháp khả thi để giảm ô nhiễm. Hiện tại, dù còn sự quan tâm từ những người đam mê và các dự án thử nghiệm, không còn xe hơi hơi nước nào được sản xuất nữa.

Động cơ hơi nước dùng trong hàng hải

Cuối thế kỷ 19, động cơ hơi nước hỗn hợp đã được sử dụng rộng rãi. Động cơ này hút hơi vào các xi lanh lớn hơn theo trình tự, làm giảm áp suất và cải thiện hiệu suất. Các giai đoạn mở rộng, bao gồm mở rộng gấp đôi và gấp ba, đặc biệt phổ biến trong vận tải để giảm trọng lượng than mang theo. Động cơ hơi nước vẫn giữ vai trò chính cho đến đầu thế kỷ 20, khi những tiến bộ trong thiết kế tuabin hơi, động cơ điện và động cơ đốt trong dần thay thế động cơ hơi nước pittông, với vận tải thế kỷ 20 chủ yếu dựa vào tua bin hơi nước.

Đầu máy hơi nước

Vào thế kỷ 18, khi động cơ hơi nước đang phát triển mạnh mẽ, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để ứng dụng chúng trong vận tải đường bộ và đường sắt. Năm 1784, William Murdoch, một nhà phát minh người Scotland, chế tạo một mẫu đầu máy xe lửa hơi nước. Một mô hình đầu máy hơi nước hoạt động đầu tiên có thể được thiết kế và chế tạo bởi nhà tiên phong John Fitch ở Hoa Kỳ vào những năm 1780 hoặc 1790. Đầu máy của ông sử dụng bánh xe có cánh bên trong được dẫn hướng bởi đường ray.

Đầu máy xe lửa hơi nước quy mô đầy đủ đầu tiên được Richard Trevithick chế tạo ở Anh. Vào ngày 21 tháng 2 năm 1804, chuyến hành trình đường sắt đầu tiên trên thế giới diễn ra khi đầu máy hơi nước không tên của Trevithick kéo một đoàn tàu từ xưởng sắt Pen-y-darren gần Merthyr Tydfil đến Abercynon ở miền nam xứ Wales. Thiết kế của nó bao gồm nhiều cải tiến quan trọng, như sử dụng hơi nước áp suất cao để giảm trọng lượng và nâng cao hiệu quả. Trevithick cũng đã thăm khu vực Newcastle vào năm 1804, nơi đường sắt xe lửa ở đông bắc nước Anh trở thành trung tâm thử nghiệm và phát triển đầu máy hơi nước.

Trevithick tiếp tục các thí nghiệm của mình với bộ ba đầu máy xe lửa, kết thúc với mẫu Catch Me Who Can vào năm 1808. Chỉ bốn năm sau, đầu máy xe lửa hai xi-lanh thành công Salamanca của Matthew Murray được sử dụng bởi giá đỡ cạnh và bánh răng đường sắt Middleton. Năm 1825, George Stephenson chế tạo Đầu máy xe lửa cho Đường sắt Stockton và Darlington, tuyến đường sắt hơi nước công cộng đầu tiên trên thế giới. Vào năm 1829, ông đã phát triển The Rocket, giành chiến thắng trong các thử nghiệm Rainhill. Đường sắt Liverpool và Manchester được khai trương vào năm 1830, sử dụng năng lượng hơi nước độc quyền cho cả tàu chở khách và tàu chở hàng.

Đầu máy xe lửa hơi nước vẫn được sản xuất cho đến cuối thế kỷ 20 tại các khu vực như Trung Quốc và Đông Đức cũ, nơi mà DR Class 52,80 được chế tạo.

Tuabin hơi nước

Cuối thế kỷ 19 đánh dấu bước phát triển quan trọng trong thiết kế động cơ hơi nước với việc đưa vào sử dụng tuabin hơi nước. Tuabin hơi nước thường hiệu quả hơn so với động cơ hơi kiểu pittông (đặc biệt là với công suất vượt vài trăm mã lực), ít bộ phận chuyển động hơn và cung cấp năng lượng quay trực tiếp mà không cần hệ thống thanh nối. Vào đầu thế kỷ 20, tuabin hơi nước hầu như thay thế động cơ pittông trong các nhà máy điện nhờ vào hiệu suất cao, tốc độ quay nhanh và hoạt động trơn tru. Hiện nay, phần lớn năng lượng điện được cung cấp bởi tuabin hơi nước, với 90% năng lượng điện ở Hoa Kỳ được sản xuất bằng cách sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau. Tuabin hơi nước cũng được ứng dụng rộng rãi trong việc cung cấp lực đẩy cho các tàu lớn trong suốt phần lớn thế kỷ 20.

Cấu tạo của động cơ hơi nước

Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi để đun nước đến sôi và tạo ra hơi. Sự giãn nở của hơi nước tạo ra lực đẩy lên piston hoặc cánh tuabin, chuyển động thẳng này sau đó được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hoặc truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Một trong những ưu điểm của động cơ hơi nước là khả năng sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi, với các nguồn nhiệt phổ biến nhất bao gồm củi, than đá, dầu hoặc nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân.

Động cơ hơi nước hoạt động dựa trên sức mạnh của hơi nước. Khi chúng ta đun nước, hơi nước bốc lên từ ấm và có thể đẩy nắp ấm ra do sức mạnh của nó. Nếu chúng ta sử dụng nồi lớn hơn để đun nước, sức mạnh của hơi nước sẽ tăng lên. Nếu dẫn hơi nước qua một ống nhỏ, nó sẽ tạo ra một lực mạnh mẽ đủ để vận hành máy móc. Động cơ hơi nước tận dụng nguyên lý này và hiện nay vẫn được sử dụng trong đầu máy hơi nước và máy điện báo.

• Tua-bin hơi nước

1. ^ Mô hình này được xây dựng bởi Samuel Pemberton trong khoảng thời gian 1880-1890.
2. ^ Landes trích dẫn định nghĩa của Thurston về động cơ và gọi động cơ của Newcomen là 'động cơ thật sự đầu tiên.'
3. ^ Landes trích dẫn định nghĩa của Thurston về động cơ và gọi động cơ của Newcomen là 'động cơ thật sự đầu tiên.'