蒸汽机

蒸汽机是（狭义上的）活塞式热机。 水在作为机器一部分的加热蒸汽发生器中蒸发。 加压蒸汽通过移动在气缸中移动的活塞将其包含的热能（也称为压力能）转化为动能。 通常，活塞是曲柄滑块机构的一部分，曲柄滑块机构将活塞的往复运动转换为驱动工作机器的飞轮的旋转。 为了逆转活塞的运动，压力被转移到它的另一个圆柱面。

另一种以蒸汽为动力的热力发动机是蒸汽轮机，它将蒸汽的热能转化为旋转能，而无需后续机构（齿轮）来改变运动类型。

蒸汽机是“外燃”热力发动机，这将它们与内燃机区分开来。

托马斯·纽科门 的xxx个功能性蒸汽机的应用发现于 18 世纪初的硬煤开采中用于脱水，他们最初使用较旧的机械动力源，例如水轮补充后更换。 在效率逐渐提高后，到 18 世纪末，在不断发展的纺织工业中，值得使用它们来驱动纺织机器，并且它们最终传播到其他工业部门，在那里它们也补充了水车和风车。

活塞式蒸汽机将来自蒸汽发生器的热力学能（蒸汽压力）转化为机械旋转能。 活塞在关联的气缸中来回移动，执行摆动运动。 然而，对于有用的机械能通常需要旋转运动。

活塞的向前运动是以蒸汽的压力为工作行程进行的。 返回运动是通过单作用活塞（单作用蒸汽机）从储存的旋转动量能量中进行的。 另一方面，对于两侧驱动的活塞（双作用蒸汽机），活塞的返回运动也作为工作冲程进行，现在在活塞的下侧通过蒸汽压力控制.

汽缸的蒸汽供应由滑块或阀门控制。 活塞首先在压力下被向下推或沿曲轴的方向推。 活塞的直线运动通过十字头和连杆作为曲轴曲柄销上的耦合元件转换为旋转运动。 然后连杆（在单侧操作中）利用存储在飞轮和曲轴中的旋转能量将活塞从较低位置线性推回到其较高的起始位置。

蒸汽机的工作过程因此分为两个循环，因此是一个双循环过程。

在大气蒸汽机中，力是由真空产生的。 为此，活塞下方的气缸空间充满了蒸汽。 在下一个工作循环中，将水注入气缸，使水蒸气冷却并凝结。 产生负压，使活塞被外部大气压力推入气缸。 当蒸汽阀打开时，活塞在泵连杆的重量作用下移出，泵连杆连接在xxx臂上，即所谓的平衡器。 旋转运动不是有意的，因为阀门最初是手动控制的。 当时还没有可以达到高于大气压力的蒸汽压力的耐压锅炉系统。

这种设计最著名的代表是托马斯·纽科门 (Thomas Newcomen) 于 1712 年设计的大气蒸汽机。蒸汽机主要用于煤矿的脱水。 这台机器的能效高达魏James Watt 的开发不到 1%。 瓦特将蒸汽的冷凝从工作缸转移到下游的水冷容器，即冷凝器。 这消除了工作气缸在每个工作循环中的持续冷却和再加热，这是造成大量能量损失的原因。

负压或大气压力如何在大气蒸汽机中做功，因为热蒸汽冷凝，在此过程中大大收缩。 大多数液态水从气缸中流出。 这种工作方式不是很经济，因为在每个冲程中都会使用大量能量来加热和冷却气缸和活塞。 为了让蒸汽足够快地冷凝，将冷水注入气缸上止点附近（此处未显示）。 在膨胀式蒸汽机中，充液阀仅在工作循环开始时短暂打开。 与全压机不同的是，在高压下流入的蒸汽在工作循环中失去了部分压力。 虽然这也会导致气缸冷却，但与全压机器相比，消耗的蒸汽要少得多。 为了限制冷却，蒸汽没有完全膨胀到大气压。 复合蒸汽机还通过将蒸汽引导到另一个更大直径的气缸中来利用蒸汽排出时剩余的压力。 （注意：与此处显示的相反，在活塞向下运动期间，蒸汽几乎不会进一步冷却。）

在低压蒸汽机的情况下，蒸汽以 100 mbar 的轻微超压输入。

与 Newcomen-蒸汽机相比，工作不仅在冷凝过程中进行，而且在气缸填充过程中进行。 这导致了性能的提高，并且是蒸汽机进一步发展到更高蒸汽压力的起点。 为了防止工作缸冷却下来，为注入冷却水引起的冷凝提供了一个单独的容器。

瓦特将仅从一侧作用于活塞的单作用汽汽机发展为活塞从两侧交替作用的双作用汽机。 由于消除了空行程，因此提高了效率和性能。 然后通过曲柄驱动直接驱动飞轮，由于不需要平衡器，因此减少了质量。

使用高压蒸汽机，蒸汽会被加热到 100°C 以上，从而产生更高的压力。 无需冷却从汽缸中逸出的水蒸气，因为与明显更高的工作压力（排气操作）相比，大气压力不再重要。 因此可以省略冷凝器，这使得这种类型的机器在加压蒸汽的能量密度更高的情况下相当轻，因此首先可以在蒸汽机车中使用蒸汽机。 这种类型的代表实际上是自 1802 年左右的奥利弗埃文斯和理查德特雷维希克以来车辆中的所有活塞式蒸汽机。 高压蒸汽机也允许使用蒸汽膨胀。 虽然大气和低压蒸汽发动机通常是全压发动机，其中蒸汽在整个活塞冲程中流入气缸，但膨胀机的气缸仅在每个活塞冲程开始时才充满蒸汽。 随着压力下降，蒸汽膨胀导致进一步运动。 储存在蒸汽中的能量因此得到了更好的利用。

复合式蒸汽机或多级膨胀机是至少有两个工作单元沿蒸汽方向串联的蒸汽机。

在直流蒸汽机中，膨胀的蒸汽喷出时流动方向不变。 流入和流出彼此分开，流出通过圆柱体中间的流出槽发生，流入通常从圆柱体末端。 通过这种设计，可以显着减少冷却损失，但这是用相当长的气缸购买的。 这些机器的引入失败了，因为当时 12 到 14 巴的蒸汽压力太低；这种结构只能在 20 巴及以上的压力下证明自己。