Việc chế tạo ra máy hơi nước vào năm 1784 đã

Động cơ hơi nước là động cơ nhiệt thực hiện công việc cơ học sử dụng hơi nước làm chất lỏng làm việc. Động cơ hơi nước sử dụng lực tạo ra bởi áp suất hơi để đẩy piston qua lại bên trong xi lanh. Lực đẩy này được biến đổi, bằng một thanh nối và bánh đà, thành lực quay để làm việc. Thuật ngữ "động cơ hơi nước" thường chỉ được áp dụng cho động cơ pittông như mô tả, không áp dụng cho tuabin hơi.

Động cơ thành công về mặt thương mại đầu tiên có thể truyền năng lượng liên tục đến máy là động cơ khí quyển, được phát minh bởi Thomas Newcomen vào khoảng năm 1712. [b] low [c] [16] Nó đã cải tiến trên máy bơm hơi của Savery, sử dụng pít-tông như Papin đề xuất. Động cơ của Newcomen tương đối kém hiệu quả và chủ yếu được sử dụng để bơm nước. Nó hoạt động bằng cách tạo ra một phần chân không bằng cách ngưng tụ hơi nước dưới một pít-tông trong một xi-lanh. Nó được sử dụng để làm cạn kiệt các hoạt động của mỏ ở độ sâu cho đến nay không thể, và để cung cấp nước có thể tái sử dụng để lái các vòi nước tại các nhà máy nằm cách xa một "đầu" thích hợp. Nước chảy qua bánh xe được bơm lên một bể chứa phía trên bánh xe.[17] [18] Năm 1780 James Pickard đã cấp bằng sáng chế cho việc sử dụng bánh đà và trục khuỷu để cung cấp chuyển động quay từ động cơ Newcomen cải tiến.[19]

Năm 1720 Jacob Leupold đã mô tả một động cơ hơi nước áp suất cao hai xi-lanh.[20] Phát minh này đã được xuất bản trong tác phẩm lớn của mình "Dramri Machinarum thủy lực".[21] Động cơ đã sử dụng hai piston nặng để cung cấp chuyển động cho máy bơm nước. Mỗi pít-tông được nâng lên bằng áp suất hơi và trở về vị trí ban đầu bằng trọng lực. Hai piston chia sẻ một van xoay bốn chiều chung được kết nối trực tiếp với nồi hơi.

Bước quan trọng tiếp theo xảy ra khi James Watt phát triển [1763-1775] một phiên bản cải tiến của động cơ Newcomen, với một bộ ngưng tụ riêng. Các động cơ ban đầu của Boulton và Watt đã sử dụng một nửa lượng than so với phiên bản cải tiến của Newcomen của John Smeaton.[22] Động cơ ban đầu của Newcomen và Watt là "khí quyển". Chúng được cung cấp năng lượng bằng áp suất không khí đẩy pít-tông vào chân không một phần được tạo ra bằng cách ngưng tụ hơi nước, thay vì áp suất của hơi nước giãn nở. Các xi lanh động cơ phải lớn vì lực duy nhất có thể sử dụng tác động lên chúng là áp suất khí quyển.[17] [23]

Watt đã phát triển động cơ của mình hơn nữa, sửa đổi nó để cung cấp một chuyển động quay phù hợp với máy móc lái xe. Điều này cho phép các nhà máy được đặt cách xa các con sông và đẩy nhanh tiến độ của Cách mạng Công nghiệp.[24] [17] [25]

Động cơ áp suất caoSửa đổi

Ý nghĩa của áp suất cao, cùng với giá trị thực tế trên môi trường xung quanh, phụ thuộc vào thời đại mà thuật ngữ này được sử dụng. Để sử dụng sớm thuật ngữ Van Reimsdijk [26] nghĩa là hơi nước ở áp suất đủ cao đến mức nó có thể bị cạn kiệt trong khí quyển mà không cần dựa vào chân không để cho phép nó thực hiện công việc hữu ích. Ewing 1894Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFEwing1894 [trợ giúp] tuyên bố rằng động cơ ngưng tụ của watt được biết đến vào thời điểm đó là áp suất thấp so với động cơ không ngưng tụ áp suất cao, cùng thời.

Bằng sáng chế của Watt đã ngăn cản những người khác chế tạo động cơ hỗn hợp và áp suất cao. Ngay sau khi bằng sáng chế của Watt hết hạn vào năm 1800, Richard Trevithick và, riêng rẽ, Oliver Evans vào năm 1801 [27][28] đã giới thiệu các động cơ sử dụng hơi nước áp suất cao; Trevithick có được bằng sáng chế động cơ áp suất cao vào năm 1802,[29] và Evans đã thực hiện một số mô hình làm việc trước đó.[30] Chúng mạnh hơn nhiều đối với kích thước xi lanh nhất định so với các động cơ trước đó và có thể được chế tạo đủ nhỏ cho các ứng dụng vận chuyển. Sau đó, sự phát triển công nghệ và cải tiến trong kỹ thuật sản xuất [một phần do việc sử dụng động cơ hơi nước làm nguồn năng lượng] dẫn đến việc thiết kế các động cơ hiệu quả hơn có thể nhỏ hơn, nhanh hơn hoặc mạnh hơn, tùy thuộc vào ứng dụng dự định.[17]

Động cơ Cornish được Trevithick và những người khác phát triển vào những năm 1810.[31] Đó là một động cơ chu trình hỗn hợp sử dụng hơi nước áp suất cao một cách rộng rãi, sau đó ngưng tụ hơi áp suất thấp, làm cho nó tương đối hiệu quả. Động cơ Cornish có chuyển động và mô-men xoắn không đều trong chu kỳ, hạn chế việc sử dụng của nó chủ yếu chỉ để bơm. Động cơ Cornish được sử dụng trong các mỏ và để cung cấp nước cho đến cuối thế kỷ 19.[32]

Động cơ nằm ngangSửa đổi

Những người đầu tiên chế tạo động cơ hơi nước đứng yên cho rằng xi lanh nằm ngang sẽ bị hao mòn quá mức. Động cơ của họ do đó được bố trí với trục piston thẳng đứng. 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 trang bị trong các không gian nhỏ hơn.

Động cơ nằm ngang đầu tiên là động cơ hơi nước Corliss, được cấp bằng sáng chế vào năm 1849, là động cơ dòng chảy bốn van với cửa nạp hơi và van xả riêng biệt và tự động ngắt hơi. Khi Corliss được trao Huân chương Rumford, ủy ban đã nói rằng "không ai phát minh từ thời của Watt đã tăng cường hiệu quả của động cơ hơi nước nhiều như thế".[33] Ngoài việc sử dụng hơi nước ít hơn 30%, nó cung cấp tốc độ đồng đều hơn do cắt hơi nước thay đổi, làm cho nó phù hợp với sản xuất, đặc biệt là kéo sợi bông.[17] [34]

Phương tiện giao thông đường bộSửa đổi

Những chiếc xe chạy bằng hơi nước thử nghiệm đầu tiên được chế tạo vào cuối thế kỷ 18, nhưng mãi đến sau khi Richard Trevithick phát triển việc sử dụng hơi nước áp suất cao, khoảng năm 1800, động cơ hơi nước di động mới trở thành một đề xuất thiết thực. Nửa đầu thế kỷ 19 đã chứng kiến sự tiến bộ lớn trong thiết kế xe hơi, và đến những năm 1850, nó đã trở nên khả thi để sản xuất chúng trên cơ sở thương mại. Tiến trình này đã bị nản chí bởi luật pháp hạn chế hoặc cấm sử dụng phương tiện chạy bằng hơi nước trên đường. Những cải tiến trong công nghệ xe cộ tiếp tục từ những năm 1860 đến những năm 1920. Xe đường hơi đã được sử dụng cho nhiều ứng dụng. Trong thế kỷ 20, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ động cơ đốt trong đã dẫn đến sự sụp đổ của động cơ hơi nước như là một nguồn lực đẩy của các phương tiện thương mại, với số lượng còn lại ít được sử dụng sau Chiến tranh thế giới thứ hai. Nhiều trong số những chiếc xe này đã được mua lại bởi những người đam mê để bảo quản, và nhiều ví dụ vẫn còn tồn tại. Vào những năm 1960, các vấn đề ô nhiễm không khí ở California đã nảy sinh một thời gian ngắn quan tâm đến việc phát triển và nghiên cứu các phương tiện chạy bằng hơi nước như một phương tiện khả thi để giảm ô nhiễm. Ngoài sự quan tâm của những người đam mê hơi nước, các xe sao chép công nghệ cũ và công nghệ thử nghiệm, hiện tại không có chiếc xe hơi nào dạng này được sản xuất.

Động cơ hàng hảiSửa đổi

Gần cuối thế kỷ 19, động cơ hỗn hợp được sử dụng rộng rãi. Động cơ hỗn hợp hút hết hơi vào các xi lanh lớn hơn liên tiếp để phù hợp với khối lượng cao hơn ở áp suất giảm, mang lại hiệu quả cải thiện. Các giai đoạn này được gọi là mở rộng, với các động cơ mở rộng gấp đôi và gấp ba là phổ biến, đặc biệt là trong vận chuyển trong đó hiệu quả là rất quan trọng để giảm trọng lượng than mang theo.[17] Động cơ hơi nước vẫn là nguồn năng lượng thống trị cho đến đầu thế kỷ 20, khi những tiến bộ trong thiết kế tuabin hơi, động cơ điện và động cơ đốt trong dần dần dẫn đến việc thay thế động cơ hơi nước pittông, với việc vận chuyển trong thế kỷ 20 dựa vào tua bin hơi nước.[17] [2]

Đầu máy hơi nướcSửa đổi

Khi sự phát triển của động cơ hơi nước phát triển trong suốt thế kỷ 18, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để áp dụng chúng vào sử dụng đường bộ và đường sắt.[35] Năm 1784, William Murdoch, một nhà phát minh người Scotland, đã chế tạo một đầu máy xe lửa hơi nước nguyên mẫu.[36] Một mô hình hoạt động ban đầu của đầu máy xe lửa hơi nước được thiết kế và chế tạo bởi nhà tiên phong tàu hơi nước John Fitch ở Hoa Kỳ có lẽ trong những năm 1780 hoặc 1790.[37] Đầu máy hơi nước của anh sử dụng bánh xe có cánh bên trong được dẫn hướng bởi đường ray.

Đầu máy xe lửa hơi nước làm việc quy mô đầy đủ đầu tiên được chế tạo bởi Richard Trevithick ở Vương quốc Anh và vào ngày 21 tháng 2 năm 1804, hành trình đường sắt đầu tiên của thế giới đã diễn ra khi đầu máy hơi nước không tên của Trevithick kéo một chuyến tàu dọc theo đường xe điện từ Pen-y-darren xưởng sắt, gần Merthyr Tydfil đến Abercynon ở miền nam xứ Wales.[35] [38][39] Thiết kế kết hợp một số cải tiến quan trọng bao gồm sử dụng hơi nước áp suất cao giúp giảm trọng lượng của động cơ và tăng hiệu quả của nó. Trevithick đã đến thăm khu vực Newcastle sau đó vào năm 1804 và đường sắt xe lửa ở đông bắc nước Anh trở thành trung tâm hàng đầu để thử nghiệm và phát triển đầu máy hơi nước.[40]

Trevithick tiếp tục các thí nghiệm của riêng mình bằng cách sử dụng bộ ba đầu máy xe lửa, kết thúc với Catch Me Who Can vào năm 1808. Chỉ bốn năm sau, đầu máy xe lửa hai xi-lanh thành công Salamanca của Matthew Murray đã được sử dụng bởi giá đỡ cạnh và bánh răng đường sắt Middleton.[41] Năm 1825, George Stephenson đã xây dựng Đầu máy xe lửa cho Đường sắt Stockton và Darlington. Đây là tuyến đường sắt hơi nước công cộng đầu tiên trên thế giới và sau đó vào năm 1829, ông đã xây dựng The Rocket được nhập vào và giành chiến thắng trong các thử nghiệm Rainhill.[42] Đường sắt Liverpool và Manchester 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 tiếp tục được sản xuất cho đến cuối thế kỷ XX ở những nơi như Trung Quốc và Đông Đức cũ [nơi sản xuất DR Class 52,80].[43]

Tuabin hơi nướcSửa đổi

Sự phát triển lớn cuối cùng của thiết kế động cơ hơi nước là việc sử dụng tua-bin hơi nước bắt đầu từ cuối thế kỷ 19. Tua bin hơi nói chung hiệu quả hơn so với động cơ hơi kiểu pittông [đối với công suất trên vài trăm mã lực], có ít bộ phận chuyển động hơn và cung cấp năng lượng quay trực tiếp thay vì thông qua hệ thống thanh nối hoặc phương tiện tương tự.[44] Tua bin hơi hầu như thay thế động cơ pittông trong các trạm phát điện vào đầu thế kỷ 20, trong đó hiệu quả của chúng, tốc độ cao hơn phù hợp với dịch vụ máy phát điện và quay trơn tru là những lợi thế. Ngày nay hầu hết năng lượng điện được cung cấp bởi tua bin hơi nước. Tại Hoa Kỳ, 90% năng lượng điện được sản xuất theo cách này sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau.[2] Tua bin hơi được áp dụng rộng rãi cho lực đẩy của các tàu lớn trong suốt phần lớn thế kỷ 20.

Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi súp de để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo một lực đẩy lên piston hay các cánh tuốc bin và chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Một trong những lợi thế của động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất cứ nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi nhưng các loại nguồn nhiệt thông dụng nhất là đun củi, than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản ứng hạt nhân.

Động cơ hơi nước sở dĩ có thể vận hành được là do dựa vào sức mạnh của hơi nước làm máy hoạt động. Chúng ta lúc thường ngày đều đã từng đun nước sôi, khi nước trong ấm sôi bồng lên, chúng ta liền phát hiện thấy có hơi nước bay ra. Sức mạnh của những hơi nước này là rất lớn, có thể đẩy bật nắp ấm. Nếu như thay đổi một chút, dùng nồi thật to để đun nước, thì sức mạnh của hơi nước càng lớn. Khi nước bắt đầu bốc hơi, nếu chúng ta dẫn nó vào trong lỗ nhỏ, ví dụ như một đường ống, rồi lại để nó bốc hơi lên xung lực của nó sẽ càng mạnh mẽ, đủ để làm cho máy móc vận hành. Động cơ hơi nước chính là lợi dụng nguyên lý này, cho đến ngày nay, đầu máy hơi nước và máy điện báo vẫn được vận hành bằng hơi nước.

• Tuốc bin hơi nước

1. ^ American Heritage Dictionary of the English Language . Houghton Mifflin Company. 2000.
2. ^ a b c Wiser, Wendell H. [2000]. Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. tr.190. ISBN978-0-387-98744-6.
3. ^ "turbine." Encyclopædia Britannica. 2007. Encyclopædia Britannica Online. ngày 18 tháng 7 năm 2007
4. ^ "De Architectura": Chapter VI [paragraph 2] from "Ten Books on Architecture" by Vitruvius [1st century BC], published 17, June, 08 accessed 2009-07-07
5. ^ Ahmad Y Hassan [1976]. Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, pp. 34–35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.
6. ^ “University of Rochester, NY, The growth of the steam engine online history resource, chapter one”. History.rochester.edu. Bản gốc lưu trữ ngày 24 tháng 7 năm 2011. Truy cập ngày 3 tháng 2 năm 2010.
7. ^ Nag 2002, tr.432–.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFNag2002 [trợ giúp]
8. ^ Garcia, Nicholas [2007]. Mas alla de la Leyenda Negra. Valencia: Universidad de Valencia. tr.443–54. ISBN978-84-370-6791-9.
9. ^ Hills 1989, tr.15, 16, 33.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFHills1989 [trợ giúp]
10. ^ Lira, Carl T. [ngày 21 tháng 5 năm 2013]. “The Savery Pump”. Introductory Chemical Engineering Thermodynamics. Michigan State University. Truy cập ngày 11 tháng 4 năm 2014.
11. ^ Hills 1989Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFHills1989 [trợ giúp]
12. ^ “LXXII. An engine for raising water by fire; being on improvement of saver'y construction, to render it capable of working itself, invented by Mr. De Moura of Portugal, F. R. S. Described by Mr. J. Smeaton”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 47: 436–438. 1752. doi:10.1098/rstl.1751.0073.
13. ^ Landes 1969.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFLandes1969 [trợ giúp]
14. ^ Jenkins, Ryhs [1971] [First published 1936]. Links in the History of Engineering and Technology from Tudor Times. Cambridge: The Newcomen Society at the Cambridge University Press. ISBN978-0-8369-2167-0Collected Papers of Rhys Jenkins, Former Senior Examiner in the British Patent OfficeQuản lý CS1: postscript [liên kết]
15. ^ a b Landes 1969, tr.101.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFLandes1969 [trợ giúp]
16. ^ Brown 2002, tr.60-.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFBrown2002 [trợ giúp]
17. ^ a b c d e f g Hunter 1985.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFHunter1985 [trợ giúp]
18. ^ Nuvolari, A; Verspagen, Bart; Tunzelmann, Nicholas [2003]. “The Diffusion of the Steam Engine in Eighteenth-Century Britain. Applied Evolutionary Economics and the Knowledge-based Economy”. Eindhoven, The Netherlands: Eindhoven Centre for Innovation Studies [ECIS]: 3. Chú thích journal cần |journal= [trợ giúp] [Paper to be presented at 50th Annual North American Meetings of the Regional Science Association International 20–ngày 22 tháng 11 năm 2003]
19. ^ Nuvolari, Verspagen & Tunzelmann 2003, tr.4.
20. ^ Galloway, Elajah [1828]. History of the Steam Engine. London: B. Steill, Paternoster-Row. tr.23–24.
21. ^ Leupold, Jacob [1725]. Theatri Machinarum Hydraulicarum. Leipzig: Christoph Zunkel.
22. ^ Hunter & Bryant 1991Lỗi harv: không có mục tiêu: CITEREFHunterBryant1991 [trợ giúp] Duty comparison was based on a carefully conducted trial in 1778.
23. ^ Rosen, William [2012]. The Most Powerful Idea in the World: A Story of Steam, Industry and Invention. University of Chicago Press. tr.185. ISBN978-0-226-72634-2.
24. ^ Rosen, William [2012]. The Most Powerful Idea in the World: A Story of Steam, Industry and Invention. University of Chicago Press. tr.185. ISBN978-0-226-72634-2.
25. ^ Thomson, Ross [2009]. Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. tr.34. ISBN978-0-8018-9141-0.
26. ^ "The Pictorial History of Steam Power" J.T. Van Reimsdijk and Kenneth Brown, Octopus Books Limited 1989, ISBN 0-7064-0976-0, p. 30
27. ^ Thomson, Ross [2009]. Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. tr.34. ISBN978-0-8018-9141-0.
28. ^ A Social History of American Technology. ISBN978-0-19-504606-9.
29. ^ Dickinson, Henry W; Titley, Arthur [1934]. “Chronology”. Richard Trevithick, the engineer and the man. Cambridge, England: Cambridge University Press. tr.xvi. OCLC637669420.
30. ^ The American Car since 1775, Pub. L. Scott. Bailey, 1971, p. 18
31. ^ Hunter 1985, tr.601–628.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFHunter1985 [trợ giúp]
32. ^ Hunter 1985, tr.601.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFHunter1985 [trợ giúp]
33. ^ Van Slyck, J.D. [1879]. New England Manufacturers and Manufactories. New England Manufacturers and Manufactories. volume 1. Van Slyck. tr.198.
34. ^ Thomson, Ross [2009]. Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. tr.34. ISBN978-0-8018-9141-0.
35. ^ a b Payton 2004.Lỗi sfn: không có mục tiêu: CITEREFPayton2004 [trợ giúp]
36. ^ Gordon, W.J. [1910]. Our Home Railways, volume one. London: Frederick Warne and Co. tr.7–9.
37. ^ “Nation Park Service Steam Locomotive article with photo of Fitch Steam model and dates of construction as 1780–1790”. Nps.gov. 14 tháng 2 năm 2002. Truy cập ngày 3 tháng 11 năm 2009.
38. ^ “Richard Trevithick's steam locomotive | Rhagor”. Museumwales.ac.uk. Bản gốc lưu trữ ngày 15 tháng 4 năm 2011. Truy cập ngày 3 tháng 11 năm 2009.
39. ^ “Steam train anniversary begins”. BBC. ngày 21 tháng 2 năm 2004. Truy cập ngày 13 tháng 6 năm 2009. A south Wales town has begun months of celebrations to mark the 200th anniversary of the invention of the steam locomotive. Merthyr Tydfil was the location where, on ngày 21 tháng 2 năm 1804, Richard Trevithick took the world into the railway age when he set one of his high-pressure steam engines on a local iron master's tram rails
40. ^ Garnett, A.F. [2005]. Steel Wheels. Cannwood Press. tr.18–19.
41. ^ Young, Robert [2000]. Timothy Hackworth and the Locomotive . Lewes, UK: the Book Guild Ltd.
42. ^ Hamilton Ellis [1968]. The Pictorial Encyclopedia of Railways. The Hamlyn Publishing Group. tr.24–30.
43. ^ Michael Reimer, Dirk Endisch: Baureihe 52.80 – Die rekonstruierte Kriegslokomotive, GeraMond, ISBN 3-7654-7101-1
44. ^ Smil, V. [2005]. Creating the Twentieth Century: Technical Innovations of 1867-1914 and Their Lasting Impact. Oxford University Press. ISBN978-0-19-516874-7.

1. ^ This model was built by Samuel Pemberton between 1880-1890.
2. ^ Landes[15] refers to Thurston's definition of an engine and Thurston's calling Newcomen's the "first true engine."
3. ^ Landes[15] refers to Thurston's definition of an engine and Thurston's calling Newcomen's the "first true engine."