蒸汽机为什么不能成为现代的交通工具?

【专家解说】：1769年尼古拉·约瑟夫·居纽首次用他的“蒸汽车”展示了自动的蒸汽车的可行性。这辆车可以说是第一辆汽车。这辆车作为运输工具不太有用，但用来拖农具却很不错。 一直到20世纪初蒸汽机汽车依然可以与其它驱动方式的汽车抗衡。今天大多数汽车是用内燃机驱动的。蒸汽机汽车最大的缺点是它至少需要30秒钟时间来获得足够的压力。 世界上第一列蒸汽机火车是1804年2月21日理查德·特拉维斯克在威,尔,士展示的。 现代蒸汽机的最大的优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能。不像内燃机那样对其燃料很挑剔。此外没有蒸汽机的话原,子,能无法被使用。原,子,反,应,堆既不直接产生机械能，又不直接产生电能，原,子,反,应,堆实际上只是加热水，这个水被沸腾后的蒸汽通过蒸汽机来转化为有用的功。蒸汽不一定需要通过燃烧来产生，比如使用太阳能聚热器也可以产生蒸汽推动蒸汽机。 另一种有类似优点的小巧的外燃机是斯特林发动机。其缺点是它在许多情况下难以运行。现代的混合动力汽车就是为了弥补这个缺点而设计的。 尤其在高山上蒸汽机机车的优点显著，因为它们也可以在比较低的气压下运行。当南美洲将用柴油-电力机车取代它们的蒸汽机车后这一点就被发现了。在高山上他们不得不使用功率比较高的柴油机车。 在瑞士和奥地利新的齿轨铁路使用现代的蒸汽机，这些蒸汽机只需要一个人来运行，比起过去的蒸汽机它节省60%的燃料，比起电力机和柴油机它轻50%，因此对齿轨的磨损小得多。在日内瓦湖上也有一艘新的蒸汽机船，它是世界上第一艘遥控的蒸汽机船。 显然任何纯的热机的效率无法超过卡诺循环的效率。而卡诺循环的效率与循环中的温差有关。因此蒸汽机的蒸汽温度越高，而其做功后蒸汽温度越低，它的效率就越高。 实际上一个将使用后的蒸汽直接排入大气的蒸汽机(包括锅炉)的效率可以达到5%，加上冷凝器效率可以提高到25%或更好。一个使用废气加热的发电站可以达到30%的效率。首先让燃气推动一个燃气轮机后再进入锅炉的装置可以达到60%的效率。热电联产装置利用余热供暖，综合热效率可达90%。 降级效率的原因之一是冷凝器的温度比周围温度高。通过使用热交换器使用余热来预热空气可以降低这个损失。 蒸汽机不一定需要蒸汽来操作，任何高压气可以用来操作蒸汽机。有时人们用高压气来操作小的模型来测试一个新型式的可行性。 早期的真空蒸汽机的效率有限，但它们比较安全，因为它们的压力比较低，在物质发生损坏的情况下机器向内收缩，而不是向外爆炸。它们的效率受外部气压、气缸变形、燃烧和沸腾的效率和凝结能力的限制。理论最高效率受水在普通大气压下比较低的沸腾温度限制。使用高温高压的蒸汽为蒸汽机的效率带来了巨大的提高。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故。安全阀在这里带来了很大的改进，在压力过高的情况下安全阀放气减压。但真正保证安全只有依靠建造、运行和维护的经验和安全规则。 带压蒸汽技术被发明后下一个重要的改进是使用双动活塞，带压蒸汽在一个汽缸压力降低到普通大气压或在其凝结过程中可以推动另一个汽缸。大多数往复式引擎今天使用这个技术。汽缸完全封闭来防止蒸汽逃散。一根滑杆通过一根摇臂轴和曲壁将往复运动转换为旋转运动。另一个曲壁和轴承用来控制阀门。 另一种蒸汽机由多个直径不断增大的单动汽缸组成。一般由三个汽缸组成。称为三胀式蒸汽机。 从锅炉出来的高压蒸汽首先推动第一个和最小的一个活塞(蒸汽首先在高压气缸做功)。当这个活塞开始回退时一部分扩张的蒸气被驱入第二个汽缸推动它的活塞(高压缸排出的蒸汽在中压气缸继续做功)，这样继续使用在第一个汽缸膨胀的蒸汽。第三个汽缸则使用在第二个汽缸中膨胀的蒸汽(中压缸排出的蒸汽在低压气缸继续做功)。这些分级做功的方式是为了更加有效的利用蒸汽的内能。 有时人们也使用两个面积总和与最大的那个活塞的面积相同的小一些的活塞来取代最大的那个活塞，这样的引擎可以四步工作，比较平稳。 这种蒸汽机尤其对海上的轮船非常重要，因为它的蒸汽在做功的过程中不断减压后可以重新进入锅炉加热。海上的轮船必须节约用水，因为它可能很长时间无法补充水，而陆上的蒸汽机则可以不断加水。一直到二,战，大多数商船都使用这种蒸汽机。1905年以前所有的战,舰也使用这种蒸汽机。缺点是它的效率稍低。 另一种往复式蒸汽机是单流蒸汽机。在这些蒸汽机中阀门由凸轮来控制。汽缸容积最小时入汽阀门打开。然后入汽阀门关闭，蒸汽膨胀。汽缸容积最大时汽缸侧面的排气阀门打开。这些排气口与凝结腔相连，它们使汽缸内的压力降低到大气压以下。轴承的惯性使活塞重新向上运动。单流蒸汽机总是组成蒸汽机组一起运行。单流蒸汽机入气口和出气口的温度恒定，不像其它蒸汽机那样不断变化。 高压汽轮机由一系列带有螺旋桨式的桨叶的转盘组成。这些旋轮与不动的定轮交替，定轮的作用是导引气流的方向。这样的蒸汽机比往复蒸汽机要平稳。 1883年瑞,典,工,程,师,拉,瓦,尔设计制造出了第一台单级冲动式汽轮机，随后在1884年英,国,工,程,师,帕,森,斯设计制造了第一台单级反动式汽轮机，虽然当时的汽轮机和我们现在的汽轮机相比结构非常简单，但是从此推动了汽轮机在世界范围内的应用，被广泛应用在电站、航海和大型工业中。 在60年代，世界工业发达的国家生产的汽轮机已经达到500-600MW等级水平。1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机在美,国投入运行，设计参数达到24Mpa，蒸汽温度538°C，3600rpm;1974年西,德KWU公司制造的1300MW单轴半速(1500 rpm)饱和蒸汽参数汽轮机投入运行，;1982年世界上最大的1200MW单轴全速汽轮机在前苏联投入运行，压力24 Mpa，蒸汽温度540°C。 目前世界各国都在研究大容量、高参数汽轮机的研究和开发，如俄罗斯正在研究2000MW汽轮机。主要是大容量汽轮机有如下特点: 降低单位功率投资成本。如800MW机组比500MW汽轮机的千瓦造价低17%;1200MW机组比800MW机组的千瓦造价低15%-20%。 提高运行经济性。如法国的600MW机组比国产的125MW机组的热耗率低276kj/kW.h，每年可节约燃煤4万吨。 加快电网建设速度，满足经济发展需要。 提高电网的调峰能力。 汽轮机按照工作原理分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机。汽轮机是一种以蒸汽为动力，并将蒸气的热能转化为机械功的旋转机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。汽轮机具有单机功率大、效率高、寿命长等优点。 冲动式汽轮机蒸汽主要在静叶中膨胀，在动叶中只有少量的膨胀。 反动式汽轮机蒸汽在静叶和动叶中膨胀，而且膨胀程度相同。 由于反动级不能作成部分进汽，因此第一级调节级通常采用单列冲动级或双列速度级。如,中,国,引,进,美,国,西,屋技术生产的300MW、600MW机组。目前世界上生产冲动式汽轮机的企业有:美,国,通,用、英,国,通,用、日,本,东,芝和,日,立、俄,罗,斯的列宁格勒金属工厂等。制造反动式汽轮机的有美,国,西,屋,公,司、日,本,三,菱、英,国,帕,森,斯,公,司、法,国,电,器,机,械,公,司等，德,国,西,门,子。冲动式汽轮机为隔板型，如中国产的300MW高中压合缸汽轮机;反动式汽轮机为转鼓型(或筒型)，如中国上海汽轮机厂引进的300MW、600MW汽轮机。 汽轮机按照蒸汽参数(压力和温度)分为: 低压汽轮机:主蒸汽压力小于1.47Mpa; 中压汽轮机:主蒸汽压力在1.96-3.92Mpa; 高压汽轮机:主蒸汽压力在5.88-9.8Mpa; 超高压汽轮机:主蒸汽压力在11.77-13.93Mpa; 亚临界压力汽轮机:主蒸汽压力在15.69-17.65Mpa; 超临界压力汽轮机:主蒸汽压力大于22.15Mpa; 超超临界压力汽轮机:主蒸汽压力大于32Mpa; 由于冶金技术的不断发展，使得汽轮机结构也有了很大改进。目前的大机组普遍采用了高中压合缸的双层结构，高中压转子采用一根转子结构，高、中、低压转子全部采用整锻结构，轴承较多地采用了可倾瓦结构。目前各国都在进行大容量、高参数机组的开发和设计，如,俄,罗,斯正在开发的2000MW汽轮机。日,本正在开发一种新的合金材料，将使高中、低压转子一体化成为可能。