Nguyên lý hoạt động của động cơ hơi nước

Sức mạnh động cơ hơi nước và nguyên lý hoạt động

Động cơ hơi nước có sức mạnh như thế nào? Chúng vận hành bởi các nguyên lý hoạt động ra sao? Động cơ hơi nước được ra đời trong hoàn cảnh nào? Bởi ai?…

[toc]

 

Đã bao giờ bạn đi trên chiếc tàu hỏa và tự đặt câu hỏi rằng tại sao chiếc tàu có thể chạy được? Động cơ nào đã giúp cả một chiều tàu to lớn di chuyển? Cùng đến với EVBN giải đáp các câu hỏi này nhé!

Động cơ hơi nước có sức mạnh gì?

Mô hình thu nhỏ một động cơ hơi nước

Cần phải có năng lượng để làm hoàn toàn bất cứ điều gì bạn có thể nghĩ đến — đi trên ván trượt, bay trên máy bay, đi bộ đến các cửa hàng hoặc lái ô tô xuống phố. Hầu hết năng lượng chúng ta sử dụng cho giao thông ngày nay đến từ dầu mỏ, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Cho đến đầu thế kỷ 20, than đá là nhiên liệu ưa thích của thế giới và nó cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ xe lửa, tàu thủy,…

• Nguyên lý hoạt động thang máy [Nguyên tắc làm việc thang máy]
• Nguyên lý hoạt động của máy bay [ Cách động cơ hoạt động ]
• Nguyên lý hoạt động của ô tô [ Các hoạt động để ô tô di chuyển ]

Than-hóa chất hữu cơ, nó dựa trên nguyên tố của cacbon. Than đá hình thành qua hàng triệu năm khi tàn tích của thực vật chết vùi dưới đá, bị ép bởi áp suất và nấu chín bởi nhiệt bên trong của Trái đất . Đó là lý do tại sao nó được gọi là nhiên liệu hóa thạch .

Những cục than thực sự là những cục năng lượng. Carbon bên trong chúng bị khóa với các nguyên tử hydro và oxy bằng các khớp nối được gọi là liên kết hóa học. Khi chúng ta đốt than trên ngọn lửa, các liên kết bị vỡ ra và năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt.

Than chứa năng lượng bằng một nửa mỗi kg so với các nhiên liệu hóa thạch sạch hơn như xăng, dầu diesel và dầu hỏa — và đó là một lý do tại sao động cơ hơi nước phải đốt nhiều năng lượng hơn.

Máy hơi nước là gì?

Động cơ hơi nước là một cỗ máy đốt than để giải phóng năng lượng nhiệt mà nó chứa — vì vậy nó là một ví dụ về cái mà chúng ta gọi là động cơ nhiệt. Nó hơi giống một cái ấm khổng lồ đặt trên ngọn lửa than. Sức nóng từ ngọn lửa đun sôi  nước trong ấm và biến thành hơi nước. Nhưng thay vì thổi vô ích vào không khí, giống như hơi nước từ ấm đun nước, hơi nước được giữ lại và sử dụng để cung cấp năng lượng cho máy móc.

Nguyên lý hoạt động

Có bốn bộ phận khác nhau trong động cơ hơi nước:

1. Lửa nơi than cháy.
2. Một nồi hơi chứa đầy nước mà ngọn lửa nóng lên để tạo thành hơi nước.
3. Một xi lanh và piston, giống như một cái bơm xe đạp nhưng lớn hơn nhiều. Hơi nước từ lò hơi được dẫn vào xi lanh, làm cho piston chuyển động đầu tiên theo chiều này sau đó chuyển động theo chiều khác. Chuyển động vào và ra này (còn được gọi là “chuyển động qua lại”) được sử dụng để truyền động …
4. Một máy móc gắn với pít-tông. Đó có thể là bất cứ thứ gì từ máy bơm nước đến máy móc của nhà máy … hay thậm chí là một đầu máy hơi nước khổng lồ đang chạy ngược xuôi trên đường ray.

Đó là một mô tả rất đơn giản, tất nhiên. Trong thực tế, có hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn bộ phận trong đầu máy xe lửa nhỏ nhất.

Từng bước một

Thật dễ dàng nhất để xem mọi thứ hoạt động như thế nào trong hình ảnh động nhỏ của chúng tôi về đầu máy hơi nước, bên dưới. Bên trong ca-bin đầu máy, bạn nạp than vào hộp cứu hỏa (1), nghĩa đen là một hộp kim loại chứa ngọn lửa than đang ầm ầm. Ngọn lửa làm nóng nồi hơi — “cái ấm khổng lồ” bên trong đầu máy.

Hình Mô phỏng các hoạt động. Nguồn:explainthatstuff.com

các nồi hơi(2) trong một đầu máy hơi nước trông không giống một cái ấm mà bạn dùng để pha một tách trà, nhưng nó hoạt động theo cách tương tự, tạo ra hơi nước dưới áp suất cao. Lò hơi là một bể nước lớn với hàng chục ống kim loại mỏng chạy qua (để đơn giản, chúng tôi chỉ hiển thị một cái ở đây, có màu cam). Các ống này chạy từ hộp lửa đến ống khói, mang theo nhiệt và khói của ngọn lửa (được thể hiện dưới dạng các chấm trắng bên trong ống).

Sự sắp xếp của các ống lò hơi, như chúng được gọi, có nghĩa là ngọn lửa của động cơ có thể làm nóng nước trong bình lò hơi nhanh hơn nhiều, do đó nó tạo ra hơi nhanh hơn và hiệu quả hơn. Nước tạo ra hơi nước đến từ các bồn chứa gắn bên hông của đầu máy hoặc từ một toa xe riêng được gọi là đầu thầu, được kéo phía sau đầu máy. (Cuộc đấu thầu cũng mang theo nguồn cung cấp than cho đầu máy).

Hơi nước sinh ra trong lò hơi chảy xuống một xi lanh (3) ngay phía trước bánh xe, đẩy một pít tông được lắp chặt, pít tông (4), tới lui. Một cổng cơ khí nhỏ trong xi lanh, được gọi là van đầu vào (màu cam) cho phép hơi nước vào. Pít tông được kết nối với một hoặc nhiều bánh xe của đầu máy thông qua một loại khớp tay-khuỷu-vai được gọi là tay quay và kết nối que tính (5).

Khi piston đẩy, tay quay và thanh nối làm quay các bánh của đầu máy và cung cấp năng lượng cho đoàn tàu (6). Khi pittông đã đến cuối xi lanh, nó không thể đẩy được nữa. Động lượng của đoàn tàu (có xu hướng tiếp tục chuyển động) mang tay quay trở đi, đẩy piston trở lại xi lanh theo cách mà nó đã đến. Van đầu vào hơi đóng lại.

Một van đầu ra mở ra và piston đẩy hơi nước trở lại qua xi lanh và đi ra ống khói của đầu máy (7). Tiếng ồn chuff-chuff ngắt quãng mà động cơ hơi nước tạo ra và những luồng khói phun ra không liên tục xảy ra khi piston di chuyển qua lại trong xi lanh. Có một xi lanh ở mỗi bên của đầu máy và hai xi lanh bắn lệch nhau một chút để đảm bảo luôn có một số lực đẩy động cơ chạy theo.

• Ai phát minh ra máy Mp3? Ra đời như thế nào?
• Ai phát minh đàn piano? Người sáng tạo lịch sử ra đời đàn piano
• Ai phát minh ra máy in? Được phát minh trong bối cảnh nào?

Tuabin hơi nước

Ai đã phát minh ra động cơ hơi nước và khi nào?

Đây là một lịch sử ngắn gọn về điện hơi nước:

• Thế kỷ 1 CN: Anh hùng của Alexandria trình diễn một quả cầu quay chạy bằng hơi nước được gọi là aeolipile.
• Thế kỷ 16 CN: Kiến trúc sư người Ý Giovanni Branca (1571–1640) sử dụng một tia hơi nước để quay các cánh của một bánh xe nhỏ, tiên đoán là tuabin hơi do Sir Charles Parsons phát triển năm 1884.
• 1680: Nhà vật lý người Hà Lan Christiaan Huygens (1629–1693) chế tạo động cơ piston đầu tiên sử dụng một xylanh đơn giản và piston chạy bằng thuốc súng nổ. Trợ lý của Huygens, Denis Papin (1648 – c.1712) nhận ra rằng hơi nước là cách tốt hơn để dẫn động xi lanh và piston.
• 1698: Thomas Savery (1650–1715) phát triển một máy bơm nước chạy bằng hơi nước được gọi là Người bạn của thợ mỏ. Đó là một động cơ hơi nước chuyển động đơn giản (hoặc động cơ chùm) để bơm nước từ các mỏ.
• 1712: Người Anh Thomas Newcomen (1663–1729) phát triển một thiết kế động cơ chạy bằng hơi nước, bơm nước tốt hơn nhiều so với Savery và thường được ghi nhận là người đã phát minh ra động cơ hơi nước. Một kỹ sư người Scotland tên là James Watt (1736–1819) đã tìm ra cách sản xuất năng lượng từ hơi nước hiệu quả hơn nhiều sau khi cải tiến một mẫu động cơ Newcomen. Những cải tiến của Watt đối với động cơ của Newcomen dẫn đến việc sử dụng hơi nước rộng rãi.
• 1770: Sĩ quan quân đội Pháp Nicolas-Joseph Cugnot (1725–1804) phát minh ra máy kéo ba bánh chạy bằng hơi nước.
• 1797: Kỹ sư khai thác mỏ người Anh Richard Trevithick (1771–1833) phát triển phiên bản hơi nước áp suất cao của động cơ Watt, mở đường cho đầu máy hơi nước.
• 1803: Kỹ sư người Anh Arthur Woolf (1776–1837) chế tạo động cơ hơi nước có nhiều hơn một xi lanh.
• 1804: Nhà công nghiệp người Mỹ Oliver Evans (1775–1819) phát minh ra phương tiện chở khách chạy bằng hơi nước. Giống như Trevithick, ông nhận ra tầm quan trọng của hơi nước áp suất cao và đã chế tạo hơn 50 phương tiện chạy bằng hơi nước.
• 1807: Kỹ sư người Mỹ Robert Fulton (1765–1815) điều hành dịch vụ tàu chạy bằng hơi nước đầu tiên dọc theo sông Hudson.
• 1819: Tàu viễn dương chạy bằng hơi nước Savannah vượt Đại Tây Dương từ New York đến Liverpool chỉ trong 27 ngày.
• 1825: Kỹ sư người Anh George Stephenson (1781–1848) xây dựng tuyến đường sắt hơi nước đầu tiên trên thế giới giữa các thị trấn Stockton và Darlington. Để bắt đầu, đầu máy hơi nước chỉ kéo những xe chở than nặng, trong khi hành khách được chở trên xe ngựa.
• 1830: Đường sắt Liverpool và Manchester trở thành tuyến đầu tiên sử dụng năng lượng hơi nước để vận chuyển cả hành khách và hàng hóa.
• 1882: Nhà phát minh tài giỏi người Mỹ Thomas Edison (1847–1931) mở nhà máy điện thương mại đầu tiên trên thế giới tại Pearl Street, New York. Nó sử dụng động cơ hơi nước tốc độ cao để cung cấp năng lượng cho các máy phát điện.
• 1884: Kỹ sư người Anh Sir Charles Parsons (1854–1931) phát triển tuabin hơi nước cho tàu hơi nước tốc độ cao Turbinia của ông.