蒸汽原动机

图1展示了活塞式蒸汽原动机的主要部件。这是用在蒸汽机车中的典型蒸汽原动机。从图中可以看到废蒸汽被简单地排放到了空气中。这就解释了关于蒸汽机车的两件事：

1、它解释了为什么蒸汽机车需要在车站加水——随着蒸汽的消耗，水不断地在损失。

2、它解释了火车“呼哧”声的来源。当阀门打开汽缸释放废蒸汽时，蒸汽以很大的压力冲出来而产生“哧”的声音。当火车刚启动的时候，活塞移动得很慢，而后火车开始变快，活塞运动也在加快。这就产生了我们在火车启动时常常听到的效果：“呼…哧…呼哧…哧哧哧”。

蒸汽原动机的重要组成部分是一个汽缸，汽缸运动到右侧末端时，打开右侧进气阀向汽缸右侧冲高压水蒸汽，打开左侧排气阀，高压水蒸汽推动活塞向左运动，运动最左端时，打开左侧进气阀关闭右侧排气阀，向汽缸左侧冲高压水蒸汽，使汽缸活塞向右运动。将汽缸活塞的往复运动通过联杆滑块曲轴转化为旋转运动。各阀门的开关也是通过联杆滑块带动滑阀进行的。

蒸汽原动机的发展首先体现于功率和效率的提高，而这又主要取决于蒸汽参数的提高。初期蒸汽原动机的蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕，19世纪初才达到0.35～0.7兆帕，20世纪20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽温度上，19世纪末还不超过250℃，而到20世纪30年代曾用到450～480℃。至于效率，瓦特初期连续运转的蒸汽机，按燃料热值计总效率不超过3%；到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%；到20世纪，蒸汽机最高效率可达到20%以上。

蒸汽原动机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求，如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽原动机作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽原动机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。

蒸汽原动机的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

现代蒸汽原动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，它对其燃料不挑剔。此外没有蒸汽原动机的话原子能无法被使用。原子反应堆即不直接产生机械能，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原动机。

蒸汽原动机又称为蒸汽机，是将蒸汽能转换为功的机器。泵、火车头和现代轮船曾使用蒸汽原动机驱动。蒸汽原动机在工业革命中起了基本的作用。

蒸汽原动机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至可燃垃圾作为热源。蒸汽膨胀推动活塞做功。

1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。瓦特并不是蒸汽机的发明者，在他之前就出现了蒸汽机，即纽科门蒸汽机，但它的耗煤量大、效率低。瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年，他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发明出了现代意义上的蒸汽机。

蒸汽原动机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成。汽缸和底座是静止部分。

在蒸汽锅炉中，通过燃烧过程水沸腾为蒸汽。通过管道蒸汽被送到汽缸。阀门控制蒸汽到达汽缸的时间，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。蒸汽在汽缸内推动活塞做功，冷却的蒸汽通过管道被引入冷凝器重新凝结为水。这个过程在蒸汽机运动时不断重复。

一般的蒸汽原动机有三个汽缸组成一个组。蒸汽原动机直接将活塞的上下运动转化为船轴的旋转运动。新造的蒸汽原动机中还包含了一个小的涡轮机，从汽缸中出来的蒸汽还可以利用它的余热在推动这个涡轮机来提高整个驱动装置的效率。这个涡轮机也与船的螺旋浆轴相连。

（1）动力史上的标志性改革与进步

（2）为后来的工业革命拉开了序幕

（3）极大的解放了人力，提高了社会生产力

（4）蒸汽原动机有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展，解决了大机器生产中最关键的问题，推动了交通运输空前的进步。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。

1880年，美国开始使用蒸汽机来驱动输气管道上的压气机。20世纪初,电动机和柴油机相继问世,并在管道运输上被广泛使用，逐渐取代了蒸汽机作为管道运输的原动机。1929年，柴油机开始用于输油管道。30年代中期，燃气机进入了管道原动机的行列。1948年前后，大功率的燃气轮机开始用于管道运输。这些原动机在油、气管道运输上各有各的适用范围。50年代燃气机占输气管道全部原动机的90%左右。60年代以后，天然气管道的规模越来越大，需要的输气功率日益提高，促使燃气轮机大量地应用到输气管道上。1960年苏联天然气管道用的燃气轮机在原动机中占29%，1971年为57%，到1974年为66.2%。

选择原则是:①管道线长、站多,常年连续运行，要求原动机安全可靠，维修方便，大修间隔长。②管道运行工况经常变化，要求原动机易于调节负荷或转速，易于自控和遥控。③考虑到管道通过地区的能源供应情况，要求原动机能尽量利用管道本身输送的油、气作为燃料;为了减少燃料费用,一条管道的各个泵站或压气站条件各异，可以选择不同类型的机组。④要求原动机的热效率高和能量利用效果好。

电动机 　电动机安装、维修和管理都较方便，能与泵直接连接，容易实现自控和遥控，效率不受高程影响。鼠笼型异步电动机的转速不能改变，调速要通过调速型液力偶合器或采用电子逆变技术通过变频来实现，调速会降低机组效率。输油管道如果电源充足，应优先采用电动机。大型天然气管道的压气机所需功率很大，电动机启动时，会增大电网负荷，引起电压波动，因此，电动机很少用于大型天然气管道。

往复式内燃机　往复式内燃机热效率可达30～35%，大修间隔接近 4万小时，多用于无电源或电力不足地区。用于油、气管道上的内燃机组功率一般都小于5000马力。用作管道动力的内燃机有柴油机、燃气发动机和双燃料发动机三种。柴油机的热效率为32～35%，如果从循环冷却水和排气中回收余热，则热效率可达75%。柴油机可以变速，以调节管道输量，一般适用于中小型输油管道。燃气发动机的热效率可达40%,燃料可用天然气,所以适用于天然气管道。双燃料发动机是由柴油机改装而成的，其热效率为32～35%，燃料可用天然气和柴油二者的混合物，比例可随意调配。双燃料发动机由于可燃用两种燃料，工作可靠性较高，多在输气管道上使用。

燃气轮机 　燃气轮机的主要优点是：体积小，转速高，能以多种油品和天然气作燃料；不用水冷却；便于自控和遥控；机组有双重甚至三重保护系统，运行安全可靠；可在满负荷转速的70～110%范围内变速,以调节输量。主要缺点是：燃料消耗大，热效率偏低，只有20～30%，且受高程和气温影响。燃气轮机大型化和采用全能量系统，以及充分回收和利用余热后，它的热效率已可提高到80%。燃气轮机在需要大量动力的天然气管道上使用效果良好，已成为天然气管道的主要原动机。

燃气轮机分为工业型和航空型两种，前者大修间隔期为50000小时，后者为20000小时。工业型的转速通常为6000转/分，可直接与高速离心泵或压气机连接;航空型的转速为 18000～25000转/分，必须通过减速器与离心泵或压气机连接。工业型燃气轮机的投资高于航空型，但管理费用较低。航空型燃气轮机在航空事业发达的国家经过改造在管道上应用较为普遍。

水蒸汽的热能可以转变成机械能、加热和蒸发液体等。利用水蒸汽来做功（把水提到高处）的初步尝试是在17世纪开始的。

2002年大岛克仁利用水蒸汽处理装置进行了过热水蒸气条件下柳杉试件的力学特性的研究。

1999年李杰等研究了脉冲放电等离子体中水蒸汽活化作用。

1998年4月，鞍山焦化耐火材料设计研究总院为江西景德镇焦化煤气总厂设计的工业燃气生产装置，选用了该项技术，以义马长焰煤为原料，以空气一水蒸汽为气化剂，生产工业燃气，单炉制气能力lxl了衬/h，已于2001年2月投人使用。

1997年该工作组提出了工业用水和水蒸汽热力性质计算公式。

王良恩等于1997年分别对福州市塑料橡胶厂和福建省三丰鞋业有限公司运动鞋车间的三苯废气进行治理，采用了活性炭吸附—水蒸汽脱附—工业水冷凝的组合技术。

1997年1月，利用烧结厂停产的间隙，上了一套重力喷淋除尘器，利用含水蒸汽烟气与大气的密度差，不需任何外用动力，靠自然抽风进行工作。

铝板顺水搭缝处涂玻璃胶密封后铝板既起着保护作用，又起防潮层作用，但在实际施工中由于搭缝多，涂胶密封这项工作大都疏忽做得不好，外界空气中的水蒸汽易渗入聚氨酯孔隙中热胀冷缩造成破坏，因此我们在1995年新建12只大罐的续建工程保温中特别注意做好这项工作。

欧空局在1991年发射的欧洲遥感卫星，装载有两波段的微波辐射计，用来复原大气中总的水蒸汽含量，解译海洋表面温度受大气的影响，开始了星载微波辐射计的研究工作等等。

1990年国际水和水蒸汽性质学会IAPWS成立了一个由多个国家的科学家组成的工作组，研究新的计算公式。

金陵石化公司炼油厂发明的“不用水蒸汽的大气式热力除氧方法”于1986年3月12日向中国专利局申请了发明专利，经过将近五年的审查，中国专利局于1990年12月12日授予发明专利权。

在1984年安全月中查出的18条重大隐患，已整改了10条，象山冶金机械厂铸造车间厂房原设计起重荷载为8吨，但经常超负荷作业，造成屋面多处裂缝；水爆房钢屋架受水蒸汽和煤气侵蚀，焊缝府蚀严重，水泥挂条外面巳剥落。

1982年11月中旬，工作面上隅角再次出现达37℃的高温，同时有水蒸汽和“挂汗.现象，煤炭自燃征兆已相当明显。

这意味着无需加防水涂层就足以挡住风和雨滴，但对人体散发的水蒸汽而言，又足以使之逸散出去，即具有能“呼吸”透湿防风雨性能，如1981年钟纺公司开发的SavinaDP超高密防水织物。

后来，于1975年和1977年由国际水蒸汽性质协会（I APS）先后公布了经过鉴定的粘度和导热系数的最新测试数据表〔一川。

1972年2月电解槽预试途中因槽盖在90℃湿氯气及盐水蒸汽侵袭下，使用不到几小时就鼓泡整块脱落，槽底因水泥养护质量差裂纹多，盐水渗透，阳极头接缝处及底边周围漏出盐水，与此同时沥青被软化呈菌状渗出槽底表面。

1972年进行了硫化料矿浓密机的各种覆盖层在温度为80℃的含有硫化氢、水蒸汽介质中的耐腐蚀试验研究。

自1972年英国的APV公司和托里（Torry）研究所联合研制的第一台生产型真空水蒸汽解冻装置问世后，这种解冻方法就进入了实用阶段，并在冻品解冻工艺中发挥了重要作用。

1971年该厂在一个按两个阶段减轻臭 蒸浓器的效果气、飞灰和水蒸汽逸出的方案中，在470吨/ 最先使用PFR蒸浓器的工厂之一是设日回收炉系统用一台PFR蒸浓器代替直接在美国蒙大拿州的Hoerner Waldorf公司的接触蒸发器，并同时安装了一台省煤器、静工厂。

中国自行研究开发的水蒸汽脱附固定床分子筛脱蜡技术，已有二十多年的历史，1969年至今先后在南京、燕化炼、大庆炼厂、荆门炼厂和林源炼厂建成五套用于生产轻液蜡或重液蜡的生产装置。

锅炉热力计算方案多数参考日方白皮书，汽机按简化热力试验（水电部规范）进行，公式参考日方白皮书，水和水蒸汽状态方程用1968年IFC公式。

设备于1967年投入生产，操作介质为焦碳、渣油、油气和水蒸汽等。

为了适应上述变化，我们基于国际公式化委员会提出的“工业用1967年IFC公式，编制通用的水和水蒸汽热力性质计算软件，实现水和水蒸汽热力性质的计算机通用求解。

在编制水和水蒸汽热力性质计算通用程序时，主要依照工业用1967年IFC公式，对其中某些不准确区域采用了苏联热工研究所拟合的公式，且对公式中个别系数做小幅度修改。

IFC公式是由国际公式化委员会（IFC）于1967年提出来的，直到2013年采用的水蒸汽性质图、表就是以IFC公式为基础的。

水和水蒸汽性质表采用1967年IWi公式。

计算范围为第六届国际水蒸汽性质会议的国际公式化委员会（IFC）拟定的“工业用1967年IFC公式”规定的整个区域。

水和水蒸汽表计算程序采用当前国际公认的“工业用1967年IFC公式”作为计算依据，能够计算水和水蒸汽的饱和温度、饱和压力、焓h、熵s、比容v、火用e。

以Baker的流动图为基础，1961年，Goldman〔得到了绝热的水蒸汽一水二相流的流动图，使二相流研究进入汽一液二相流研究阶段。

1960年武大周嫦、杨弘适两先生采用普通热水瓶中保存的温热水蒸汽来处理稽穗,达到催花毅雄的目的。

我吲扯1959年曾终大搞松针油的生产，将粉碎的针叶，用水蒸汽进行蒸馏，馏出液经油水分离收集松针油。

某厂在1956年新建一座尾气吸收塔，投产后，茫茫一股自烟从尾气烟囱冒出，当时对其不够了解，孰为尾气吸收塔用氨水循环吸收，必定有水蒸汽产生，自烟就是水蒸汽是不可避免的。

自1954年到2013年短短几年中就迎檀举行了雨灰国际性会畿来尊同封谕水和水蒸汽的性耍。

自1954年到2013年短短几年中就连续举行了两次国际性会议来专门讨论水和水蒸汽的性质。

自1954年起，由于及气层核试验，使大气层水蒸汽和雨水中的氮浓度逐步增加。

1941年德国Harteck和美国urey等人提出用水蒸汽和氢交换生产重水，不久在挪威建成世界上第一座氢一水同位素交换法重水生产工厂协，l。

1929年日本宫田等发明了铝阳极氧化膜水蒸汽封孔法，1931年欧洲出现了沸水和重铬酸钾溶液封闭法，至此为铝阳极化工业化奠定了实用技术基础。

1904年德国人莫利哀提出水蒸汽的焓熵图。

16.1904年德国人莫利哀提出水蒸汽焓一熵图。

1895年初，威尔逊采用爱特肯（J．Aitken）创造的方法：爱特肯早在1880年就发现，火焰升起的气体，可以引起饱和气体中水蒸汽沉积，爱特肯把能让水蒸汽自行凝结的装置称之为“记尘计”

1705年英国的铁匠纽可门制成了第一台矿井抽水蒸汽机。