蒸汽機

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蒸汽機，是能夠將水蒸汽中的動能轉換為功的熱機，由於其中的燃燒過程在熱機外部進行，屬於熱機中的外燃機。泵、火車頭和輪船曾使用蒸汽機驅動。蒸汽機在工業革命中作用甚大，為其他機械提供動力，且其操作不受地理位置及天氣情況影響。今天的核能發電及火力發電仍使用蒸汽渦輪發動機來將熱能轉換為電能。

蒸汽機需要一個使水沸騰產生高壓蒸汽的鍋爐，這個鍋爐可以使用木頭、煤、石油或天然氣甚至垃圾作為熱源。蒸汽膨脹推動活塞做功。

## 發明

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世界上第一台蒸汽機是由古希臘數學家亞歷山大港的希羅於1世紀發明的汽轉球，它比工業革命早了二千年，但它只不過是個雛形而已，沒有任何用途。

約1679年法國物理學家丹尼斯·帕潘在觀察蒸汽冒出他的高壓鍋後製造了第一台蒸汽機的工作模型。於此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意。1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特改良出早期的工業蒸汽機，他們對蒸汽機的發展都做出了自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船。

## 使用和發展

早期蒸汽機使用蒸汽凝結時產生的真空做功，嗣後則以蒸汽膨脹來做功。

最初的真空蒸汽機被用來將礦井裡的水抽出來。紐科門的蒸汽機將蒸汽引入氣缸後閥門被關閉，然後冷水被撒入汽缸，蒸汽凝結時造成真空。活塞另一面的空氣壓力推動活塞。在礦井中聯結一根深入豎井的杆來驅動一個泵。蒸汽機活塞的運動通過這根杆傳到泵的活塞來將水抽到井外。

第一個巨大的改善是將氣缸與凝結缸通過一個閥門分開。瓦特在伯明罕發明了這個改進。這個改進提高了蒸汽機的效率。下一個改進是將閥門的操作自動化。

這些早期的真空蒸汽機的效率有限，但它們比較安全，因為它們的壓力比較低，在物質發生損壞的情況下機器向內收縮，而不是向外爆炸。它們的效率受外部氣壓、氣缸變形、燃燒和沸騰的效率和凝結能力的限制。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限制。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機的效率帶來了巨大的提高。但這種蒸汽機比真空蒸汽機危險得多。鍋爐和機器的爆炸造成了許多大事故。安全閥在這裡帶來了很大的改進，在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全只有依靠建造、運行和維護的經驗和安全規則。

## 技術

### 鍋爐

鍋爐分兩種：

- 火管造型被用在早期的船隻和蒸汽機車的鍋爐中。在火管式鍋爐中，從燃燒室出來的熱煙通過煙道由煙囪排出。這種鍋爐需要一個比較高的煙囪。
- 水管造型的水由熱氣通過多個管道加熱。這些管道在交換器的頂部流入一個蒸汽集合腔。水管鍋爐的一個重要優點是它在破壞時造成的危險比較小，原因是因為鍋爐里的水的量比較小，此外鍋爐里沒有多少會被磨損的運動的機械組成部分，一些水管鍋爐在排煙道上還有一個熱交換器來提高整個鍋爐的熱效率。

## 引擎

高壓蒸汽機引擎有多種造型，但最主要的是往復活塞和汽輪機。

### 往復式

#### 雙動

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- 雙動活塞

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- 位於重慶工業博物館的雙動活塞蒸汽機，生產於1905年

帶壓蒸汽機發明後，下一個重要的改進是使用雙動活塞，帶壓蒸汽在一個汽缸壓力降低到普通大氣壓或在其凝結過程中可以推動另一個汽缸。大多數往復式引擎今天使用這個技術。汽缸完全封閉來防止蒸汽逃散。一根滑杆通過一根搖臂軸和曲臂將往復運動轉換為旋轉運動。另一個曲臂和軸承用來控制閥門。

假如兩個雙動活塞同時使用，一般它們的曲臂相正好差90度，這樣一個引擎在任何時候都做功。

#### 多脹式蒸汽機

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另一種蒸汽機由多個直徑不斷增大的單動汽缸組成。一般由三個汽缸組成。稱為三脹式蒸汽機。

從鍋爐出來的高壓蒸汽首先推動第一個和最小的一個活塞（蒸汽首先在高壓氣缸做功）。當這個活塞開始回退時一部分擴張的蒸氣被驅入第二個汽缸推動它的活塞（高壓缸排出的蒸汽在中壓氣缸繼續做功），這樣繼續使用在第一個汽缸膨脹的蒸汽。第三個汽缸則使用在第二個汽缸中膨脹的蒸汽（中壓缸排出的蒸汽在低壓氣缸繼續做功）。這些分級做功的方式是為了更加有效的利用蒸汽的內能。

因蒸汽流量不變，後兩級隨蒸汽壓力減小氣缸越來越大，對最後一級有時人們也使用兩個小一些的氣缸並聯來取代最大的氣缸，而保持總容積相同，以便於製造和安放。

這種蒸汽機尤其對海上的輪船非常重要，因為它的蒸汽經三個汽缸做功後不斷減壓，蒸氣溫度更低，更易冷凝然後以液態重新泵入鍋爐加熱。海上的輪船必須節約用水，因為它可能很長時間無法補充水，而陸上的蒸汽機則可以不斷加水。一直到第二次世界大戰大多數商船都使用這種蒸汽機。1905年以前所有的戰艦也使用這種蒸汽機。它的總體效率較單脹式高，但後面兩個中、低壓氣缸體積遞增，使整台設備更為龐大，自重更重，功率密度降低，因此僅限於船用和固定的工業用途。

#### 單流蒸汽機

另一種往復式蒸汽機是單流蒸汽機。在這些蒸汽機中閥門由凸輪來控制。汽缸容積最小時入汽閥門打開。然後入汽閥門關閉，蒸汽膨脹。汽缸容積最大時汽缸側面的排氣閥門打開。這些排氣口與凝結腔相連，它們使汽缸內的壓力降低到大氣壓以下。軸承的慣性使活塞重新向上運動。單流蒸汽機總是組成蒸汽機組一起運行。單流蒸汽機入氣口和出氣口的溫度恆定，不像其它蒸汽機那樣不斷變化。

### 汽輪機

高壓汽輪機由一系列帶有螺旋槳式的槳葉的轉盤組成。這些旋輪與不動的定輪交替，定輪的作用是導引氣流的方向。這樣的蒸汽機比往復蒸汽機要平穩。其名稱又叫做蒸氣透平，主要作為發電機用的原動機。

### 旋轉式

旋轉蒸汽機是一種比較新的蒸汽機設計。比如螺杆膨脹機。

## 安全性

蒸汽機中有鍋爐及其他壓力容器，因此有許多潛在的安全性問題。過去蒸汽洩漏及鍋爐爆炸曾造成許多的傷亡。在不同的國家有許多的標準，藉由嚴格的法令、測試、訓練、生產、使用及認證來確保其安全性。

其失效模式有：

- 鍋爐內壓力過大
- 鍋爐的水不足，因此造成鍋爐過熱
- 因水垢等沈積物造成的局部熱點，常出現在河上的蒸汽機，用河裡的水作為工質。
- 由於建設或維護不當造成鍋爐壓力容器的失效。
- 因為蒸汽從鍋爐或管道中洩漏造成的燙傷。

蒸汽設備一般有兩套獨立的機制來確保鍋爐內的壓力不致過高，第一套可以由使用者調整，第二套則是最後的失效安全裝置。這類的安全閥一般是用一個簡單的槓桿連接到鍋爐上的洩壓閥，另一端槓桿連接重物或是彈簧，以控制鍋爐內的壓力，若壓力大於控制值，洩壓閥就會打開。早期洩壓閥可以由蒸汽機的操作員調整，因此當工程師為了讓蒸汽機產生更多能量而將調整閥門，允許更大的壓力，因此造成許多事故。最近的安全閥使用一個可調整的彈簧-負載閥，但是平常是鎖住不允許調整的，因此操作員無法直接調整安全閥，在運作上也比較安全操作。

鍋爐的頂蓋板可能會有鉛製的保險絲插塞，若鍋爐水位下降，鍋爐頂蓋板的溫度會上昇，少量蒸汽會漏出，警告操作員，操作員可能需要手動滅火。不過除了最小型的鍋爐外，蒸汽漏出對於減少火勢的幫助不大。而插塞的面積一般也沒有大到可以使蒸氣壓力明顯下降的程度。假如插塞的面積再擴大，漏出的蒸汽就有可能會危害操作員。

## 蒸汽機驅動的運輸工具

1769年尼古拉·約瑟夫·居紐首次用他的「蒸汽車」展示了自動的蒸汽車的可行性。這輛車可以說是第一輛汽車。這輛車作為運輸工具不太有用，但用來拖農具卻很不錯。

一直到20世紀初蒸汽機汽車依然可以與其它驅動方式的汽車抗衡。今天大多數汽車是用內燃機驅動的。蒸汽機汽車最大的缺點是它至少需要30秒鐘時間來獲得足夠的壓力。

世界上第一列蒸汽機火車是1804年2月21日理察·特拉維斯克在威爾斯展示的。

## 優點

現代蒸汽機的最大的優點是它幾乎可以利用所有的燃料將熱能轉化為機械能，比最初的蒸氣機轉換效率提升許多。不像內燃機那樣對其燃料很挑剔。此外沒有蒸汽機的話原子能難以低成本地被使用。原子反應堆既不直接產生機械能、電能，原子反應堆實際上只是產生熱並加熱水，水沸騰後產生的蒸汽通過蒸汽機來轉化為有用的功。蒸汽不一定需要通過燃燒來產生，比如使用太陽能聚熱器也可以產生蒸汽推動蒸汽機。

另一種有類似優點的小巧的外燃機是斯特林發動機。其缺點是它在許多情況下難以運行。現代的混合動力汽車就是為了彌補這個缺點而設計的。

尤其在高山上蒸汽機機車的優點顯著，因為它們也可以在比較低的氣壓下運行。當南美洲將用柴油-電力機車取代它們的蒸汽機車後這一點就被發現了。在高山上他們不得不使用功率比較高的柴油機車。

在瑞士和奧地利新的齒軌鐵路使用現代的蒸汽機，這些蒸汽機只需要一個人來運行，比起過去的蒸汽機它節省60%的燃料，比起電力機和柴油機它輕50%，因此對齒軌的磨損小得多。在日內瓦湖上也有一艘新的蒸汽機船，它是世界上第一艘遙控的蒸汽機船。

## 蒸汽機的循環

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朗肯循環是蒸汽機的基本熱力學循環，其中用到了在簡易發電設備中常用的元件，並且用到了水的相變化（將水煮沸產生水蒸汽，將水蒸汽冷凝產生液態水）來實現熱和功的轉換。熱能由外界加入此封閉工質迴路中，廢熱會由冷凝器排出。幾乎所有的發電應用都是使用朗肯循環。在1990年代，世界上約90%的電力是由朗肯循環產生的，幾乎包括了所有使用太陽熱能、生質能、火力、核能的發電廠。朗肯循環得名自蘇格蘭的博學家威廉·約翰·麥夸恩·蘭金。

## 效率

以前量測蒸汽機的效率是用「duty」來計算，duty的概念最早是由瓦特引進，為了要描述他蒸汽機的效率比紐科門蒸汽機效率提昇了多少效率。duty是燃燒一蒲式耳（約94磅）的煤可以輸出多少英尺-磅的功。紐科門蒸汽機最好的duty約有七百萬，但大部份只有五百萬。瓦特最早的低壓蒸汽機設計是可以提供到最多二千五百萬的duty，但平均只有一千七百萬，即使如此，就已經是紐科門蒸汽機的三倍。瓦特的高壓蒸汽機早期可以提升到六千五百萬的duty。

現在蒸汽機的效率定義為蒸汽機產生的機械功除以燃燒燃料產生能量之間的比值。根據熱力學第二定律，任何純熱機的效率無法超過卡諾循環的效率。而卡諾循環的效率與循環中的溫差有關。因此蒸汽機的蒸汽溫度越高（過熱蒸汽），而其做功後蒸汽溫度越低，其溫差越大，它的效率就越高。

蒸汽機用的朗肯循環，其熱效率又被工作流體所限制。若壓力沒有超過工作流體的臨界壓力，蘭金循環可以運作的溫度範圍其實很小。在蒸汽機中，因為考慮不鏽鋼的潛變限制，蒸汽入口處的溫度只能高到565°C，而冷凝器的溫度約為30度，其理論的卡諾效率約為63%，但現代燃煤的火力發電廠效率只到42%。由於其入口溫度低於燃氣渦輪發動機的溫度，也使得蘭金循環常是氣機-蒸汽聯合循環中的最後一級循環。

實際上一個將使用後的蒸汽直接排入大氣的蒸汽機（包括鍋爐）的效率可以達到5%，加上冷凝器效率可以提高到25%或更好。一個使用廢氣加熱的發電站可以達到30%的效率。首先讓燃氣推動一個燃氣輪機後再進入鍋爐的裝置可以達到60%的效率。熱電聯產裝置利用餘熱供暖，綜合熱效率可達90%。

降級效率的原因之一是冷凝器的溫度比周圍溫度高。通過使用熱交換器使用餘熱來預熱空氣可以降低這個損失。

蒸汽機不一定需要蒸汽來操作，任何高壓氣可以用來操作蒸汽機。有時人們用高壓氣來操作小的模型來測試一個新型式的可行性。

## 外部連結

- Wilesco Mamod Jensen Steam Enignes
- Mamod Model Steam Engine and Train Products and Accessories
- Interactive Animation and Download Files for School (German, English, Spanish)