Kā darbojas tvaika dzinēji?

Tie bija pirmais cilvēces izgudrotais mehāniskās jaudas avots

Donnings Kinderslijs / Getty Images

Uzkarsē ūdeni līdz tam vārīšanās punkts un tas no šķidruma kļūst par gāzi vai ūdens tvaiku, ko mēs pazīstam kā tvaiku. Kad ūdens kļūst par tvaiku, tā tilpums palielinās apmēram 1600 reizes, šī izplešanās ir enerģijas pilna.

Dzinējs ir mašīna, kas pārvērš enerģiju mehāniskā spēkā vai kustībā, kas var pagriezt virzuļus un riteņus. Dzinēja mērķis ir nodrošināt jaudu, tvaika dzinējs nodrošina mehānisko jaudu, izmantojot tvaika enerģiju.

Tvaika dzinēji bija pirmie veiksmīgie izgudrotie dzinēji un bija dzinējspēks industriālā revolūcija . Tie ir izmantoti, lai darbinātu pirmos vilcienus, kuģus, rūpnīcas un pat automašīnas . Un, lai gan tvaika dzinēji noteikti bija svarīgi pagātnē, tiem arī tagad ir jauna nākotne, apgādājot mūs ar enerģiju ar ģeotermālās enerģijas avotiem.

Kā darbojas tvaika dzinēji

Lai saprastu pamata tvaika dzinēju, ņemsim piemēru ar tvaika dzinēju, kas atrasts vecā tvaika lokomotīvē, piemēram, attēlā. Tvaika dzinēja pamatdaļas lokomotīvē būtu katls, slīdvārsts, cilindrs, tvaika rezervuārs, virzulis un piedziņas ritenis.

Katlā būtu kurtuve, kurā iebērtu ogles. Ogles dedzinātu ļoti augstā temperatūrā un izmantotas katla sildīšanai, lai uzvārītu ūdeni, radot augstspiediena tvaiku. Augstspiediena tvaiks izplešas un pa tvaika caurulēm iziet no katla tvaika rezervuārā. Pēc tam tvaiku kontrolē ar bīdāmo vārstu, lai pārvietotos cilindrā, lai virzītu virzuli. Tvaika enerģijas spiediens, spiežot virzuli, griež piedziņas riteni pa apli, radot lokomotīvei kustību.

Tvaika dzinēju vēsture

Cilvēki ir apzinājušies tvaika spēku gadsimtiem ilgi. grieķu inženieris, Aleksandrijas varonis (apmēram mūsu ēras 100. gadā), eksperimentēja ar tvaiku un izgudroja eolipili, pirmo, bet ļoti neapstrādāto tvaika dzinēju. Eolipile bija metāla sfēra, kas uzstādīta uz verdoša ūdens tējkannas. Tvaiks pa caurulēm ceļoja uz sfēru. Divas L formas caurules pretējās sfēras pusēs izlaida tvaiku, kas deva sfērai grūdienu, kas lika tai griezties. Tomēr Hero nekad neaptvēra eolipiles potenciālu, un bija jāpaiet gadsimtiem, līdz tiks izgudrots praktisks tvaika dzinējs.

1698. gadā angļu inženieris, Tomass Saverijs patentēja pirmo jēlnaftas tvaika dzinēju. Saveri izmantoja savu izgudrojumu, lai izsūknētu ūdeni no ogļraktuves. 1712. gadā angļu inženieris un kalējs, Tomass Ņūkomens izgudroja atmosfēras tvaika dzinēju. Newcomen tvaika dzinēja mērķis bija arī izvadīt ūdeni no raktuvēm. 1765. gadā skotu inženieris, Džeimss Vats sāka pētīt Tomasa Ņūkomena tvaika dzinēju un izgudroja uzlabotu versiju. Tieši Vata dzinējs bija pirmais, kuram bija rotācijas kustība. Džeimsa Vata dizains bija tas, kas izdevās, un tvaika dzinēju izmantošana kļuva plaši izplatīta.

Tvaika dzinējiem bija liela ietekme uz transporta vēsturi. 1700. gadu beigās izgudrotāji saprata, ka tvaika dzinēji var darbināt laivas, un pirmo komerciāli veiksmīgo tvaika kuģi izgudroja Džordžs Stīvensons. Pēc 1900. gada tvaika virzuļdzinējus sāka aizstāt benzīna un dīzeļa iekšdedzes dzinēji. Tomēr pēdējo divdesmit gadu laikā tvaika dzinēji atkal ir parādījušies.

Tvaika dzinēji šodien

Var būt pārsteidzoši zināt, ka 95 procenti no kodolenerģija rūpnīcas enerģijas ražošanai izmanto tvaika dzinējus. Jā, radioaktīvās degvielas stieņi atomelektrostacijā tiek izmantoti tāpat kā ogles tvaika lokomotīvē, lai vārītu ūdeni un radītu tvaika enerģiju. Tomēr izlietotās radioaktīvās degvielas stieņu apglabāšana, atomelektrostaciju neaizsargātība pret zemestrīcēm un citi jautājumi rada lielu risku sabiedrībai un videi.

Ģeotermālā enerģija ir enerģija, kas iegūta, izmantojot tvaiku, ko rada siltums, kas izplūst no izkusušās zemes kodola. Ģeotermālās elektrostacijas ir salīdzinoši zaļā tehnoloģija . Kaldara Green Energy, Norvēģijas/Islandes ģeotermālās elektroenerģijas ražošanas iekārtu ražotājs, ir bijis lielākais novators šajā jomā.

Saules termoelektrostacijas savas enerģijas iegūšanai var izmantot arī tvaika turbīnas.