世界上第(di)一臺(tai)蒸汽(qi)機是由古(gu)希臘數學(xue)家亞歷(li)山大港(gang)的(de)希羅(luo)(Hero of Alexandria)于公元(yuan)1世紀發明的(de)汽(qi)轉球(Aeolipile),這是蒸汽(qi)機的(de)雛(chu)形(xing)。
約1679年(nian)法國物(wu)理學家丹(dan)尼斯·巴本在觀察蒸汽逃(tao)離他的(de)(de)高(gao)壓(ya)鍋(guo)后制造(zao)了第(di)一(yi)臺蒸汽機的(de)(de)工作模(mo)型。同時(shi)代的(de)(de)薩繆爾·莫蘭也提出(chu)了蒸汽機的(de)(de)主意。
1698年(nian)托馬斯·塞(sai)維利和1712年(nian)托馬斯·紐科(ke)(ke)門制造了(le)早期的(de)工業(ye)蒸(zheng)汽(qi)機(ji),他(ta)們對蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)發(fa)(fa)展都做出了(le)自己的(de)貢獻。1807年(nian)羅伯特·富爾(er)頓第(di)一個(ge)成功地用(yong)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)來驅動輪(lun)船。瓦特運用(yong)科(ke)(ke)學理論(lun),逐漸發(fa)(fa)現(xian)了(le)這(zhe)種蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)毛(mao)病所在。從1765年(nian)到1790年(nian),他(ta)進(jin)行(xing)(xing)了(le)一系列(lie)發(fa)(fa)明,比如分離式(shi)冷凝器(qi)、汽(qi)缸外設置絕熱層(ceng)、用(yong)油(you)潤滑(hua)活塞(sai)、行(xing)(xing)星式(shi)齒輪(lun)、平(ping)行(xing)(xing)運動連桿機(ji)構、離心式(shi)調速器(qi)、節氣閥、壓力計等等,使蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)效率提高到原來紐科(ke)(ke)門機(ji)的(de)3倍多,最終發(fa)(fa)明出工業(ye)用(yong)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)。
16世紀(ji)末(mo)到17世紀(ji)后期,英(ying)國的采(cai)礦(kuang)(kuang)業,特別是煤(mei)礦(kuang)(kuang),已發展到相當的規模(mo),單靠人力、畜(chu)力已難以滿足(zu)排除礦(kuang)(kuang)井(jing)地下水的要求(qiu),而(er)現場又有豐(feng)富(fu)而(er)廉價的煤(mei)作為燃料。現實(shi)的需(xu)要促使許多人,如英(ying)國的帕潘、薩弗里、紐科門等就致力于(yu)“以火力提水”的探索(suo)和試驗(yan)。
最初的(de)(de)真空蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)被用來將礦井(jing)(jing)里的(de)(de)水(shui)抽出來。紐科門(men)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)將蒸(zheng)(zheng)汽引入氣缸(gang)(gang)后(hou)閥門(men)被關閉,然后(hou)冷(leng)水(shui)被撒入汽缸(gang)(gang),蒸(zheng)(zheng)汽凝結(jie)時(shi)造(zao)成(cheng)真空。活(huo)塞另(ling)一(yi)面(mian)的(de)(de)空氣壓力(li)推動活(huo)塞。在礦井(jing)(jing)中聯結(jie)一(yi)根深入豎井(jing)(jing)的(de)(de)桿(gan)來驅動一(yi)個泵。蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)活(huo)塞的(de)(de)運動通過這根桿(gan)傳到泵的(de)(de)活(huo)塞來將水(shui)抽到井(jing)(jing)外(wai)。
第一(yi)個(ge)巨大的改(gai)(gai)善是(shi)將氣缸(gang)與凝結(jie)缸(gang)通過一(yi)個(ge)閥門分(fen)開(kai)。瓦特在伯明翰發(fa)明了(le)這(zhe)個(ge)改(gai)(gai)進。這(zhe)個(ge)改(gai)(gai)進提高了(le)蒸(zheng)汽機的效率。下(xia)一(yi)個(ge)改(gai)(gai)進是(shi)將閥門的操(cao)作自動化。
這(zhe)些(xie)早(zao)期(qi)的(de)(de)(de)真(zhen)空(kong)蒸汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)有限(xian)(xian),但(dan)它(ta)(ta)們比(bi)(bi)(bi)較安(an)(an)全,因為(wei)它(ta)(ta)們的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)比(bi)(bi)(bi)較低,在(zai)(zai)物質發生(sheng)損壞(huai)的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)(xia)機器(qi)(qi)向(xiang)內收縮,而不(bu)是(shi)向(xiang)外爆炸。它(ta)(ta)們的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)受外部氣(qi)(qi)壓(ya)、氣(qi)(qi)缸變形、燃燒和(he)沸(fei)(fei)騰的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)和(he)凝(ning)結(jie)能力(li)的(de)(de)(de)限(xian)(xian)制。理(li)論最高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)受水在(zai)(zai)普通大(da)(da)氣(qi)(qi)壓(ya)下(xia)(xia)比(bi)(bi)(bi)較低的(de)(de)(de)沸(fei)(fei)騰溫(wen)度限(xian)(xian)制。使(shi)用高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)的(de)(de)(de)蒸汽(qi)(qi)為(wei)蒸汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)帶來了巨大(da)(da)的(de)(de)(de)提高(gao)。但(dan)這(zhe)種蒸汽(qi)(qi)機比(bi)(bi)(bi)真(zhen)空(kong)蒸汽(qi)(qi)機危險得(de)多(duo)。鍋爐(lu)和(he)機器(qi)(qi)的(de)(de)(de)爆炸造(zao)成了許多(duo)大(da)(da)事故。安(an)(an)全閥在(zai)(zai)這(zhe)里(li)帶來了很大(da)(da)的(de)(de)(de)改進(jin),在(zai)(zai)壓(ya)力(li)過高(gao)的(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)(xia)安(an)(an)全閥放氣(qi)(qi)減壓(ya)。但(dan)真(zhen)正保證安(an)(an)全只有依靠建(jian)造(zao)、運(yun)行和(he)維護的(de)(de)(de)經驗(yan)和(he)安(an)(an)全規則。
薩(sa)弗里制成的(de)(de)(de)世界上第(di)一臺實用(yong)的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)提水(shui)(shui)機,在1698年取得標名為(wei)“礦(kuang)工之(zhi)友”的(de)(de)(de)英國專利(li)。他將(jiang)一個(ge)蛋(dan)形容(rong)器(qi)先充(chong)滿蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi),然(ran)后關閉(bi)進汽(qi)(qi)(qi)(qi)閥(fa)(fa)(fa),在容(rong)器(qi)外(wai)噴淋冷(leng)(leng)水(shui)(shui)使容(rong)器(qi)內蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)冷(leng)(leng)凝而(er)形成真(zhen)空(kong)。打開進水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa),礦(kuang)井(jing)底的(de)(de)(de)水(shui)(shui)受大氣(qi)壓(ya)力(li)作用(yong)經進水(shui)(shui)管吸(xi)入(ru)容(rong)器(qi)中;關閉(bi)進水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa),重(zhong)開進汽(qi)(qi)(qi)(qi)閥(fa)(fa)(fa),靠蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)力(li)將(jiang)容(rong)器(qi)中的(de)(de)(de)水(shui)(shui)經排水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa)壓(ya)出(chu)。待容(rong)器(qi)中的(de)(de)(de)水(shui)(shui)被(bei)排空(kong)而(er)充(chong)滿蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)時,關閉(bi)進汽(qi)(qi)(qi)(qi)閥(fa)(fa)(fa)和排水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa),重(zhong)新噴水(shui)(shui)使蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)冷(leng)(leng)凝。如此反復循環,用(yong)兩(liang)個(ge)蛋(dan)形容(rong)器(qi)交替工作,可連續(xu)排水(shui)(shui)。
薩弗里的(de)提(ti)水(shui)機依靠(kao)真(zhen)空的(de)吸力汲水(shui),汲水(shui)深度不能超(chao)過(guo)六米(mi)。為了從幾十米(mi)深的(de)礦(kuang)井汲水(shui),須將(jiang)提(ti)水(shui)機裝(zhuang)在(zai)礦(kuang)井深處,用(yong)較高的(de)蒸汽(qi)壓(ya)力才能將(jiang)水(shui)壓(ya)到(dao)地面上,這(zhe)在(zai)當時無疑是困難而又危險的(de)。
紐科(ke)(ke)門及其助手卡利在(zai)1705年發明(ming)了大(da)氣式(shi)(shi)蒸汽(qi)(qi)機,用以驅動獨(du)立的(de)(de)提(ti)水泵,被(bei)稱為紐科(ke)(ke)門大(da)氣式(shi)(shi)蒸汽(qi)(qi)機。這種(zhong)蒸汽(qi)(qi)機先在(zai)英國(guo),后來在(zai)歐洲大(da)陸得(de)到迅(xun)速推廣(guang),它(ta)的(de)(de)改型產品直到19世紀初還在(zai)制造。紐科(ke)(ke)門大(da)氣式(shi)(shi)蒸汽(qi)(qi)機的(de)(de)熱效率(lv)很低(di),這主要是由(you)于蒸汽(qi)(qi)進入汽(qi)(qi)缸時(shi),在(zai)剛被(bei)水冷卻過的(de)(de)汽(qi)(qi)缸壁上冷凝而損失掉(diao)大(da)量熱量,只在(zai)煤價低(di)廉(lian)的(de)(de)產煤區才得(de)到推廣(guang)。
1764年,英國的(de)儀器修理工詹姆(mu)斯(si)·瓦(wa)特為(wei)格拉斯(si)哥大學(xue)修理紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)模(mo)型時,注意到(dao)了(le)這一缺點,并于(yu)1765年發明了(le)設(she)有與汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)(gang)壁分開的(de)凝汽(qi)(qi)(qi)器的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji),并于(yu)1769年取(qu)得了(le)英國的(de)專利。初期的(de)瓦(wa)特蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)仍用(yong)平衡杠桿和(he)拉桿機(ji)構來驅動提水泵,為(wei)了(le)從凝汽(qi)(qi)(qi)器中(zhong)抽(chou)除凝結水和(he)空氣(qi),瓦(wa)特裝(zhuang)設(she)了(le)抽(chou)氣(qi)泵。他(ta)還(huan)在(zai)汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)(gang)外壁加裝(zhuang)夾(jia)層,用(yong)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)加熱(re)汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)(gang)壁,以(yi)減少冷凝損失。
瓦特的(de)創造(zao)性工作使蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)迅(xun)速地發(fa)展,他(ta)使原來只能提(ti)水的(de)機(ji)(ji)械,成(cheng)為(wei)了可以(yi)普遍應(ying)用的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji),并使蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)熱效率成(cheng)倍提(ti)高,煤耗(hao)大大下降。因此瓦特是蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)改良者。
自18世紀晚期起,蒸汽機不僅在采礦業中得(de)到廣(guang)泛(fan)應用,在冶煉、紡(fang)織、機器制(zhi)造等行業中也都獲得(de)迅速推廣(guang)。它(ta)使英(ying)國的(de)(de)紡(fang)織品產(chan)量在20多(duo)年內(從1766年到1789年)增長了(le)5倍,為市場提供了(le)大量消費商品,加速了(le)資金的(de)(de)積(ji)累,并對運輸業提出(chu)了(le)迫切要求。
在(zai)船舶上采用蒸汽機(ji)作為推進(jin)動力的(de)實驗始于1776年,經(jing)過不斷改進(jin),至1807年,美國的(de)富爾頓制(zhi)成(cheng)了(le)第一艘實用的(de)明(ming)輪(lun)推進(jin)的(de)蒸汽機(ji)船“克萊(lai)蒙”號(hao)。此后,蒸汽機(ji)在(zai)船舶上作為推進(jin)動力歷百余年之(zhi)久(jiu)。
1800年(nian),英(ying)國(guo)的(de)特里(li)維西克設計了(le)可安裝在(zai)較(jiao)大車(che)體上的(de)高壓蒸汽機。1803年(nian),他(ta)把它用來(lai)(lai)推(tui)動(dong)在(zai)一條環(huan)形(xing)軌道上開動(dong)的(de)機車(che),找(zhao)來(lai)(lai)喜歡新奇玩(wan)意兒(er)的(de)人乘坐,向他(ta)們(men)收(shou)費,這就是(shi)機車(che)的(de)雛型。英(ying)國(guo)的(de)史(shi)蒂芬孫將機車(che)不斷(duan)改進,于1829年(nian)創(chuang)造了(le)“火箭”號蒸汽機車(che),該機車(che)拖帶一節載(zai)有30位乘客的(de)車(che)廂,時速達46公里(li)/時,引起了(le)各國(guo)的(de)重視,開創(chuang)了(le)鐵路時代。
19世(shi)紀末,隨著電(dian)力(li)應用的(de)興起,蒸汽(qi)機曾一度作為電(dian)站(zhan)中的(de)主要(yao)動力(li)機械(xie)。1900年,美(mei)國紐約曾有單機功率達五兆瓦的(de)蒸汽(qi)機電(dian)站(zhan)。
蒸汽機的發(fa)展在20世(shi)紀初達到了(le)頂峰。它具有恒扭矩、可(ke)(ke)變(bian)速(su)、可(ke)(ke)逆轉、運(yun)行可(ke)(ke)靠、制造和維修方便(bian)等優點,因此曾被廣泛用于(yu)電站、工廠、機車和船舶等各個領域中,特(te)別(bie)在軍艦(jian)上成了(le)當(dang)時(shi)唯一(yi)的原動機。
需要特(te)別(bie)注意(yi)的是,許多教科書(shu)上(歷史書(shu)、物理書(shu))說瓦特(te)是蒸汽機(ji)的發明者(zhe)。這是誤(wu)傳。蒸汽機(ji)是英國人(ren)薩維利(Savery)于(yu)1698年、紐可門(men)(Newcomen)于(yu)1705年各(ge)自獨立發明的,用于(yu)礦井抽水。當時效率很低。
1765年,瓦(wa)特在修理紐(niu)可門機(ji)的基礎上,對(dui)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)做了重大(da)改進,使冷凝器與汽(qi)(qi)缸分離(li),發明(ming)曲(qu)軸和齒輪傳動以及離(li)心調速器等,使蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)實現了現代(dai)(dai)化,大(da)大(da)提(ti)高(gao)了蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的效(xiao)率。瓦(wa)特的這(zhe)些發明(ming),仍使用在現代(dai)(dai)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)中(zhong),為紀念(nian)瓦(wa)特的貢獻(xian),功率的單位(wei)名稱以其姓氏命(ming)名。
蒸(zheng)汽(qi)機主(zhu)要由汽(qi)缸、底(di)座、活(huo)塞(sai)、曲柄連桿機構、滑閥配(pei)汽(qi)機構、調速機構和(he)飛輪等部分(fen)組成。汽(qi)缸和(he)底(di)座是靜止部分(fen)。
在(zai)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)鍋爐(lu)中(zhong),通(tong)(tong)過(guo)燃燒(shao)過(guo)程(cheng)水(shui)沸騰為(wei)(wei)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)。通(tong)(tong)過(guo)管(guan)道蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)被(bei)送到(dao)汽(qi)缸(gang)(gang)。閥門控(kong)制蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)到(dao)達汽(qi)缸(gang)(gang)的時間,經主汽(qi)閥和節流閥進(jin)入(ru)滑閥室(shi),受滑閥控(kong)制交(jiao)替地(di)進(jin)入(ru)汽(qi)缸(gang)(gang)的左側(ce)或右側(ce),推動(dong)活塞(sai)運動(dong)。蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)在(zai)汽(qi)缸(gang)(gang)內推動(dong)活塞(sai)做功,冷(leng)卻的蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)通(tong)(tong)過(guo)管(guan)道被(bei)引入(ru)冷(leng)凝器(qi)重(zhong)新(xin)凝結為(wei)(wei)水(shui)。這個過(guo)程(cheng)在(zai)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)運動(dong)時不斷重(zhong)復(fu)。
一(yi)般的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)有三個(ge)(ge)汽(qi)缸組成一(yi)個(ge)(ge)組。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)直接將(jiang)活塞的(de)(de)上下運(yun)動轉(zhuan)化為船軸(zhou)的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)運(yun)動。新造的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)中(zhong)還包含了一(yi)個(ge)(ge)小的(de)(de)渦(wo)(wo)輪機(ji)(ji)(ji),從汽(qi)缸中(zhong)出來的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)還可以利用(yong)它的(de)(de)余熱在推動這個(ge)(ge)渦(wo)(wo)輪機(ji)(ji)(ji)來提高(gao)整(zheng)個(ge)(ge)驅動裝(zhuang)置的(de)(de)效(xiao)率。這個(ge)(ge)渦(wo)(wo)輪機(ji)(ji)(ji)也與船的(de)(de)螺旋(xuan)漿(jiang)軸(zhou)相連。
火(huo)管造型(xing)被(bei)用(yong)在(zai)(zai)早期的(de)(de)船(chuan)只和蒸汽機車的(de)(de)鍋(guo)爐(lu)中(zhong)。在(zai)(zai)火(huo)管式鍋(guo)爐(lu)中(zhong),從燃(ran)燒(shao)室出來的(de)(de)熱煙(yan)通過煙(yan)道由煙(yan)囪排出。這種鍋(guo)爐(lu)需要(yao)一個比較高的(de)(de)煙(yan)囪。
水管造型的(de)水由熱氣通過多個(ge)(ge)管道加熱。這些(xie)管道在(zai)交換(huan)器的(de)頂部流(liu)入一(yi)個(ge)(ge)蒸汽集合(he)腔(qiang)。水管鍋(guo)爐(lu)的(de)一(yi)個(ge)(ge)重要優點是(shi)它(ta)在(zai)破(po)壞(huai)時造成的(de)危險比較(jiao)小(xiao),原因(yin)是(shi)因(yin)為鍋(guo)爐(lu)里的(de)水的(de)量比較(jiao)小(xiao),此外(wai)鍋(guo)爐(lu)里沒有多少會被磨損的(de)運(yun)動(dong)的(de)機械組(zu)成部分(fen),一(yi)些(xie)水管鍋(guo)爐(lu)在(zai)排煙道上(shang)還有一(yi)個(ge)(ge)熱交換(huan)器來提高整個(ge)(ge)鍋(guo)爐(lu)的(de)熱效率。
按蒸(zheng)(zheng)汽(qi)在活塞(sai)一側或兩側工作,蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機可分(fen)為單作用(yong)(yong)和(he)雙作用(yong)(yong)式兩種;
按(an)汽缸(gang)布置方式(shi)(shi)(shi),可(ke)分(fen)為(wei)立式(shi)(shi)(shi)和(he)臥式(shi)(shi)(shi);按(an)蒸(zheng)汽是在(zai)一個(ge)汽缸(gang)中膨(peng)脹或依次(ci)連續在(zai)多(duo)個(ge)汽缸(gang)中膨(peng)脹,可(ke)分(fen)為(wei)單脹式(shi)(shi)(shi)和(he)多(duo)脹式(shi)(shi)(shi);按(an)蒸(zheng)汽在(zai)汽缸(gang)中的流向,可(ke)分(fen)為(wei)回流式(shi)(shi)(shi)和(he)單流式(shi)(shi)(shi);
按排汽方式(shi)和排汽壓力可分為凝汽式(shi)、大(da)氣式(shi)和背壓式(shi)。
蒸(zheng)汽機的發展首先體現(xian)在功率和效率的提(ti)高,而這又主要取決于蒸(zheng)汽參數的提(ti)高。初(chu)期蒸(zheng)汽機的蒸(zheng)汽壓力(li)僅為0.11~0.13兆帕(pa),19世(shi)紀初(chu)才達(da)到(dao)0.35~0.7兆帕(pa),20世(shi)紀20年(nian)代曾(ceng)用(yong)到(dao)6~10兆帕(pa)。在蒸(zheng)汽溫度上,19世(shi)紀末還不超(chao)過250℃,而到(dao)20世(shi)紀30年(nian)代曾(ceng)用(yong)到(dao)450~480℃。
至于效率(lv)(lv),瓦(wa)特初(chu)期連續(xu)運轉(zhuan)的蒸(zheng)(zheng)汽機,按(an)燃料熱(re)值計總效率(lv)(lv)不超過3%;到(dao)1840年,最(zui)好的凝(ning)汽式蒸(zheng)(zheng)汽機總效率(lv)(lv)可(ke)達8%;到(dao)20世紀,蒸(zheng)(zheng)汽機最(zui)高效率(lv)(lv)可(ke)達到(dao)20%以上。
在轉速方面,18世(shi)紀(ji)(ji)末(mo)瓦特蒸汽機僅40~50轉/分(fen);20世(shi)紀(ji)(ji)初轉速達到(dao)100~300轉/分(fen),個(ge)別蒸汽機曾達到(dao)2500轉/分(fen)。在功(gong)(gong)率(lv)方面,最初單機功(gong)(gong)率(lv)僅幾(ji)馬力,20世(shi)紀(ji)(ji)初的一臺船用蒸汽機的功(gong)(gong)率(lv)可(ke)達25000馬力。
隨著蒸(zheng)汽(qi)參數和功率的(de)(de)提高(gao),蒸(zheng)汽(qi)已不(bu)可(ke)能(neng)在(zai)一個汽(qi)缸中繼(ji)續膨(peng)脹(zhang)(zhang),還必須在(zai)相連(lian)接的(de)(de)汽(qi)缸中繼(ji)續膨(peng)脹(zhang)(zhang),于(yu)是出(chu)現了(le)多級膨(peng)脹(zhang)(zhang)的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)。蒸(zheng)汽(qi)機(ji)因(yin)受到(dao)潤滑油閃點的(de)(de)限(xian)制,所用蒸(zheng)汽(qi)的(de)(de)最高(gao)溫度一般都(dou)不(bu)超(chao)過(guo)400℃,機(ji)車,船(chuan)用等移(yi)動式蒸(zheng)汽(qi)機(ji)還略低(di)一些,多數不(bu)高(gao)于(yu)350℃。考慮到(dao)膨(peng)脹(zhang)(zhang)的(de)(de)可(ke)能(neng)性和結(jie)構的(de)(de)經濟性,常用壓力(li)在(zai)2.5兆帕以下。蒸(zheng)汽(qi)參數受到(dao)限(xian)制,從(cong)而也(ye)限(xian)制了(le)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)功率的(de)(de)進一步(bu)提高(gao)。
蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的出現和改進(jin)促進(jin)了(le)社會經濟的發(fa)展,但同時(shi)經濟的發(fa)展反過來又(you)向(xiang)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)提出了(le)更高的要求(qiu),如(ru)要求(qiu)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)功率(lv)大(da)、效率(lv)高、重(zhong)量輕(qing)、尺(chi)寸小等。盡管人(ren)們對(dui)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)作過許多改進(jin),不斷擴大(da)它的使用范圍(wei)和改善它的性能,但是(shi)隨著(zhu)汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)和內(nei)燃(ran)機(ji)(ji)的發(fa)展,蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)因(yin)存在不可克(ke)服(fu)的弱點而(er)逐漸衰(shuai)落。
1764年,學(xue)校請瓦特(te)修理一臺紐可門式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji),在修理的(de)(de)過程中,瓦特(te)熟悉了蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)構造(zao)和原理,并且(qie)(qie)發現了這種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)兩大缺點:活塞動作不(bu)連續而且(qie)(qie)慢;蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)利用(yong)率低,浪費原料。以后,瓦特(te)開始思考(kao)改進的(de)(de)辦法。直(zhi)到1765年的(de)(de)春天,在一次散(san)步時,瓦特(te)想(xiang)到,既然紐可門蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)熱效率低是蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)在缸內冷凝造(zao)成的(de)(de),那么(me)為什么(me)不(bu)能讓蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)在缸外(wai)冷凝呢?瓦特(te)產生(sheng)了采用(yong)分(fen)離冷凝器的(de)(de)最初設想(xiang)。
在(zai)產生(sheng)(sheng)這(zhe)種設想以后,瓦特(te)在(zai)同(tong)年(nian)設計了一(yi)種帶有分離冷凝器的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機。按照設計,冷凝器與(yu)汽(qi)(qi)缸(gang)之間有一(yi)個(ge)調(diao)節閥門相連,使(shi)他們(men)既能(neng)連通又能(neng)分開。這(zhe)樣(yang),既能(neng)把(ba)做功后的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)引入汽(qi)(qi)缸(gang)外的(de)冷凝器,又可以使(shi)汽(qi)(qi)缸(gang)內產生(sheng)(sheng)同(tong)樣(yang)的(de)真空(kong),避免(mian)了汽(qi)(qi)缸(gang)在(zai)一(yi)冷一(yi)熱(re)過程(cheng)中(zhong)熱(re)量的(de)消耗,據瓦特(te)理(li)論計算(suan),這(zhe)種新(xin)的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)熱(re)效率將是紐(niu)可門蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)三倍。
從(cong)理(li)論(lun)上說,瓦(wa)(wa)特的(de)(de)(de)(de)這種帶(dai)有(you)分離器(qi)冷(leng)凝器(qi)的(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)顯然(ran)優于紐可門蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji),但是(shi),要(yao)把理(li)論(lun)上的(de)(de)(de)(de)東(dong)西變為(wei)實際(ji)上的(de)(de)(de)(de)東(dong)西,把圖紙(zhi)上的(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)變為(wei)實在(zai)的(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji),還(huan)要(yao)走很長的(de)(de)(de)(de)路。瓦(wa)(wa)特辛(xin)辛(xin)苦(ku)(ku)苦(ku)(ku)造出了幾臺(tai)蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji),但效(xiao)果反(fan)而不如紐可門蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji),甚(shen)至四(si)處漏氣,無法開動。盡(jin)管耗資巨(ju)大的(de)(de)(de)(de)試(shi)驗(yan)使他(ta)(ta)(ta)債臺(tai)高筑,但他(ta)(ta)(ta)沒(mei)有(you)在(zai)困難(nan)面前怯步,繼續進行試(shi)驗(yan)。當(dang)布萊克(ke)知道瓦(wa)(wa)特的(de)(de)(de)(de)奮斗目(mu)標和困難(nan)處境時(shi),他(ta)(ta)(ta)把瓦(wa)(wa)特介紹給了自己一個(ge)十分富(fu)有(you)的(de)(de)(de)(de)朋友--化工技師羅巴克(ke)。當(dang)時(shi)羅巴克(ke)是(shi)一個(ge)十分富(fu)有(you)的(de)(de)(de)(de)企業家,他(ta)(ta)(ta)在(zai)蘇格蘭的(de)(de)(de)(de)卡隆開辦(ban)了第一座規模較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)煉鐵廠。雖然(ran)當(dang)時(shi)羅巴克(ke)已近50歲,但對(dui)(dui)科學(xue)技術的(de)(de)(de)(de)新發明(ming)仍然(ran)傾注著極(ji)大的(de)(de)(de)(de)熱情。他(ta)(ta)(ta)對(dui)(dui)當(dang)時(shi)只有(you)三(san)十來(lai)歲的(de)(de)(de)(de)瓦(wa)(wa)特的(de)(de)(de)(de)新裝置很是(shi)贊許,當(dang)即(ji)與瓦(wa)(wa)特簽(qian)訂合同,贊助瓦(wa)(wa)特進行新式蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)試(shi)制。
從1766年(nian)開始(shi),在三年(nian)多的(de)(de)時間里,瓦(wa)特(te)(te)克服了(le)(le)在材料和工藝等各方(fang)(fang)面(mian)的(de)(de)困難,終于在1769年(nian)制出了(le)(le)第一臺(tai)樣機(ji)(ji)。同年(nian),瓦(wa)特(te)(te)因發明冷凝器(qi)(qi)而獲得他(ta)在革新紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)過程中的(de)(de)第一項專利(li)。第一臺(tai)帶有冷凝器(qi)(qi)的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)雖(sui)然試(shi)制成功(gong)了(le)(le),但它同紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)相比,除(chu)了(le)(le)熱效率有顯著提高外(wai),在作為動(dong)力(li)機(ji)(ji)來帶動(dong)其他(ta)工作機(ji)(ji)的(de)(de)性(xing)能方(fang)(fang)面(mian)仍未取得實質性(xing)進展。就是(shi)說,瓦(wa)特(te)(te)的(de)(de)這種蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)還是(shi)無法(fa)作為真正的(de)(de)動(dong)力(li)機(ji)(ji)。
現代(dai)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的最大的優點是它(ta)幾乎可以利用所有(you)的燃(ran)料將熱(re)能(neng)轉化為機(ji)(ji)(ji)械(xie)能(neng)。不像內燃(ran)機(ji)(ji)(ji)那樣,它(ta)對(dui)其(qi)燃(ran)料不挑剔(ti)。此外沒有(you)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的話原子(zi)(zi)能(neng)無法被使用。原子(zi)(zi)反應堆即不直(zhi)接產(chan)生(sheng)機(ji)(ji)(ji)械(xie)能(neng),又不直(zhi)接產(chan)生(sheng)電能(neng),原子(zi)(zi)反應堆實際上只(zhi)是加(jia)熱(re)水,這個水被沸騰后(hou)的蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)通過蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)來轉化為有(you)用的功。蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)不一定需要(yao)通過燃(ran)燒來產(chan)生(sheng),比(bi)如使用太(tai)陽能(neng)聚(ju)熱(re)器也可以產(chan)生(sheng)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)推(tui)動蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)。
另一種有類似優點(dian)的(de)小(xiao)巧的(de)外燃機是斯(si)特林(lin)發(fa)動機。其缺點(dian)是它在(zai)許(xu)多情況下難以運行。
尤其(qi)在(zai)高山上(shang)蒸汽(qi)機機車(che)的(de)優(you)點顯著,因(yin)為它們也可以(yi)在(zai)比較低的(de)氣壓(ya)下運行。當南美洲將用柴(chai)油(you)-電力(li)機車(che)取代(dai)它們的(de)蒸汽(qi)機車(che)后(hou)這一點就被發現(xian)了。在(zai)高山上(shang)他們不得不放棄使用功率(lv)比較高的(de)柴(chai)油(you)機車(che),取而代(dai)之的(de)還是功率(lv)雖然不如柴(chai)油(you)機車(che)但不受海拔限制的(de)蒸汽(qi)機車(che)。
在瑞士和奧(ao)地利新(xin)的(de)(de)齒(chi)軌鐵路使用現代(dai)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji),這些蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)只需(xu)要一個人(ren)來(lai)運行(xing),比起(qi)過去的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)它節省60%的(de)(de)燃料,比起(qi)電力機(ji)和柴(chai)油機(ji)它輕50%,因此(ci)對齒(chi)軌的(de)(de)磨(mo)損(sun)小得多。在日內瓦(wa)湖上也有一艘新(xin)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)船,它是世(shi)界上第一艘遙(yao)控(kong)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)船。
蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)弱點是(shi):離(li)不(bu)(bu)開鍋爐,整個(ge)裝置既笨重又龐大(da);新(xin)蒸汽(qi)(qi)的(de)壓力(li)和溫度不(bu)(bu)能過高(gao),排(pai)氣壓力(li)不(bu)(bu)能過低(di),熱效(xiao)率難以提(ti)高(gao);它是(shi)一種往復式(shi)機(ji)器,慣(guan)性限(xian)(xian)制(zhi)了轉速(su)的(de)提(ti)高(gao);工作過程是(shi)不(bu)(bu)連續的(de),蒸汽(qi)(qi)的(de)流量受(shou)到限(xian)(xian)制(zhi),也就限(xian)(xian)制(zhi)了功率的(de)提(ti)高(gao)。
因此,拋棄了笨(ben)重鍋(guo)爐的內燃機,最終(zhong)以(yi)其重量(liang)輕(qing),體積小、熱效率(lv)(lv)(lv)高和操(cao)作靈活等優點,在船舶和機車上逐(zhu)漸取代了蒸汽機。汽輪機則以(yi)其熱效率(lv)(lv)(lv)高、單機功(gong)率(lv)(lv)(lv)大、轉速高、單位功(gong)率(lv)(lv)(lv)重量(liang)輕(qing)和運行平穩等優點,將蒸汽機排擠(ji)出了電站。
接著電動機又以(yi)其使用(yong)方便,代替了蒸汽(qi)機在工業設備(bei)中的(de)應用(yong)。然而小功率蒸汽(qi)機熱(re)效率比汽(qi)輪(lun)機高,所以(yi)在產(chan)煤(mei)區(qu)或只(zhi)有(you)劣質燃料的(de)地(di)區(qu)或某些特殊場(chang)合,蒸汽(qi)機仍有(you)發揮作用(yong)的(de)余(yu)地(di)。
蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)有(you)很大(da)的(de)(de)歷史作用(yong),它(ta)曾(ceng)推(tui)動了(le)(le)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械工業甚至社(she)會的(de)(de)發展(zhan),解決了(le)(le)大(da)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)生產中最關(guan)鍵的(de)(de)問題,推(tui)動了(le)(le)交通運輸空前(qian)的(de)(de)進步(bu)。隨著它(ta)的(de)(de)發展(zhan)而建立(li)的(de)(de)熱力(li)學和機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)構(gou)(gou)學為汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和內燃(ran)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)發展(zhan)奠定了(le)(le)基(ji)(ji)礎;汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)繼承了(le)(le)蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)以蒸汽(qi)(qi)為工質的(de)(de)特(te)點(dian),和采用(yong)凝(ning)汽(qi)(qi)器(qi)以降低排汽(qi)(qi)壓力(li)的(de)(de)優點(dian),摒棄(qi)了(le)(le)往復運動和間斷進汽(qi)(qi)的(de)(de)缺點(dian);內燃(ran)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)繼承了(le)(le)蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)基(ji)(ji)本結構(gou)(gou)和傳動形式(shi),采用(yong)了(le)(le)將燃(ran)油直接輸入汽(qi)(qi)缸(gang)內燃(ran)燒的(de)(de)方(fang)式(shi),形成(cheng)了(le)(le)熱效率高得多的(de)(de)熱力(li)循環;同時,蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)所采用(yong)的(de)(de)汽(qi)(qi)缸(gang)、活(huo)塞、飛輪(lun)、飛錘調速器(qi),閥門和密封件等,均是構(gou)(gou)成(cheng)多種現(xian)代機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械的(de)(de)基(ji)(ji)本元件。
工業革(ge)命(ming)的(de)(de)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)一(yi)部分原(yuan)因是因為蒸(zheng)(zheng)汽機的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)(瓦特(te)沒有發明(ming)蒸(zheng)(zheng)汽機,他只是改(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)),而(er)(er)蒸(zheng)(zheng)汽機車(che)的(de)(de)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)也是因為蒸(zheng)(zheng)汽機的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)以及后人的(de)(de)應用而(er)(er)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de),當時英國鼓(gu)勵發明(ming),并且在(zai)人口增(zeng)(zeng)加(jia)需要增(zeng)(zeng)加(jia)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)速度之時,便開始有人努力的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)進(jin)當時的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)設備,瓦特(te)便是其中之一(yi),而(er)(er)瓦特(te)改(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)蒸(zheng)(zheng)汽機導致一(yi)系列技術革(ge)命(ming)引(yin)起(qi)了從手工勞動(dong)向動(dong)力機器(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)轉(zhuan)變。因此蒸(zheng)(zheng)汽機的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)絕對是促成工業革(ge)命(ming)的(de)(de)原(yuan)因之一(yi)。而(er)(er)蒸(zheng)(zheng)汽機車(che)是一(yi)種以蒸(zheng)(zheng)汽引(yin)擎(qing)作為動(dong)力來源的(de)(de)鐵路機車(che),因此若沒有蒸(zheng)(zheng)汽機的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)便不可(ke)能有這項交通工具的(de)(de)誕生(sheng)(sheng)(sheng)。