一種余熱利用的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 一種余熱利用方法特別是余熱來驅(qū)動(dòng)活塞蒸汽機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 世界上第一臺蒸汽機(jī)是由古希臘數(shù)學(xué)家亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria)于1世紀(jì)發(fā)明的汽轉(zhuǎn)球（Aeolipile)，是蒸汽機(jī)的雛形。
[0003] 約1679年法國物理學(xué)家丹尼斯?巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋后制造了第 一臺蒸汽機(jī)的工作模型。約與此同時(shí)薩繆爾?莫蘭也提出了蒸汽機(jī)詹姆斯?瓦特（James Watt). 的主意。
[0004] 1698年托馬斯?塞維利、1712年托馬斯?紐科門和1769年詹姆斯?瓦特制造了 早期的工業(yè)蒸汽機(jī)，他們對蒸汽機(jī)的發(fā)展都做出了自己的貢獻(xiàn)。1807年羅伯特?富爾頓第 一個(gè)成功地用蒸汽機(jī)來驅(qū)動(dòng)輪船。瓦特運(yùn)用科學(xué)理論，逐漸發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機(jī)的毛病所在。 從1765年到1790年，他進(jìn)行了一系列發(fā)明，比如分離式冷凝器、汽缸外設(shè)置絕熱層、用油潤 滑活塞、行星式齒輪、平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)、離心式調(diào)速器、節(jié)氣閥、壓力計(jì)等等，使蒸汽機(jī)的 效率提高到原來紐科門機(jī)的3倍多，最終發(fā)明出了現(xiàn)代意義上的蒸汽機(jī)。
[0005] 16世紀(jì)末到17世紀(jì)后期，英國的采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相當(dāng)?shù)囊?guī)模，單靠 人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現(xiàn)場又有豐富而廉價(jià)的煤作為燃料?，F(xiàn) 實(shí)的需要促使許多人，如英國的帕潘、薩弗里、紐科門等就致力于"以火力提水"的探索和試 驗(yàn)。
[0006] 最初的真空蒸汽機(jī)被用來將礦井里的水抽出來。紐科門的蒸汽機(jī)將蒸汽引入氣缸 后閥門被關(guān)閉，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝結(jié)時(shí)造成真空?；钊硪幻娴目諝鈮毫ν苿?dòng)活 塞。在礦井中聯(lián)結(jié)一根深入豎井的桿來驅(qū)動(dòng)一個(gè)泵。蒸汽機(jī)活塞的運(yùn)動(dòng)通過這根桿傳到泵 的活塞來將水抽到井外。
[0007] 第一個(gè)巨大的改善是將氣缸與凝結(jié)缸通過一個(gè)閥門分開。瓦特在伯明翰發(fā)明了這 個(gè)改進(jìn)。這個(gè)改進(jìn)提高了蒸汽機(jī)的效率。下一個(gè)改進(jìn)是將閥門的操作自動(dòng)化。
[0008] 這些早期的真空蒸汽機(jī)的效率有限，但它們比較安全，因?yàn)樗鼈兊膲毫Ρ容^低，在 物質(zhì)發(fā)生損壞的情況下機(jī)器向內(nèi)收縮，而不是向外爆炸。它們的效率受外部氣壓、氣缸變 形、燃燒和沸騰的效率和凝結(jié)能力的限制。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸 騰溫度限制。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機(jī)的效率帶來了巨大的提高。但這種蒸汽機(jī)比真 空蒸汽機(jī)危險(xiǎn)得多。鍋爐和機(jī)器的爆炸造成了許多大事故。安全閥在這里帶來了很大的改 進(jìn)，在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全只有依靠建造、運(yùn)行和維護(hù)的經(jīng) 驗(yàn)和安全規(guī)則。
[0009] 薩弗里制成的世界上第一臺實(shí)用的蒸汽提水機(jī)，在1698年取得標(biāo)名為"礦工之 友"的英國專利。他將一個(gè)蛋形容器先充滿蒸汽，然后關(guān)閉進(jìn)汽閥，在容器外噴淋冷水使容 器內(nèi)蒸汽冷凝而形成真空。打開進(jìn)水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經(jīng)進(jìn)水管吸入容器中； 關(guān)閉進(jìn)水閥，重開進(jìn)汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經(jīng)排水閥壓出。待容器中的水被排空而 充滿蒸汽時(shí)，關(guān)閉進(jìn)汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復(fù)循環(huán)，用兩個(gè)蛋形容器 交替工作，可連續(xù)排水。
[0010] 薩弗里的提水機(jī)依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過六米。為了從幾十米深 的礦井汲水，須將提水機(jī)裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當(dāng)時(shí) 無疑是困難而又危險(xiǎn)的。
[0011] 紐可門及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的提水泵，被 稱為紐科門大氣式蒸汽機(jī)。這種蒸汽機(jī)先在英國，后來在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型 產(chǎn)品直到19世紀(jì)初還在制造。紐科門大氣式蒸汽機(jī)的熱效率很低，這主要是由于蒸汽進(jìn)入 汽缸時(shí)，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價(jià)低廉的產(chǎn)煤區(qū)才得 到推廣。
[0012] 蒸汽機(jī)火車頭764年，英國的儀器修理工詹姆斯?瓦特為格拉斯哥大學(xué)修理紐可 門蒸汽機(jī)模型時(shí)，注意到了這一缺點(diǎn)，并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸 汽機(jī)，并于1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機(jī)仍用平衡杠桿和拉桿機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng) 提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結(jié)水和空氣，瓦特裝設(shè)了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾 層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。
[0013] 瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機(jī)迅速地發(fā)展，他使原來只能提水的機(jī)械，成為了可以 普遍應(yīng)用的蒸汽機(jī)，并使蒸汽機(jī)的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機(jī)的改 良者。
[0014] 自18世紀(jì)晚期起，蒸汽機(jī)不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在冶煉、紡織、機(jī)器制造 等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產(chǎn)量在20多年內(nèi)（從1766年到1789年） 增長了 5倍，為市場提供了大量消費(fèi)商品，加速了資金的積累，并對運(yùn)輸業(yè)提出了迫切要 求。
[0015]在船舶上采用蒸汽機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)始于1776年，經(jīng)過不斷改進(jìn)，至1807 年，美國的富爾頓制成了第一艘實(shí)用的明輪推進(jìn)的蒸汽機(jī)船"克萊蒙"號。此后，蒸汽機(jī)在 船舶上作為推進(jìn)動(dòng)力歷百余年之久。
[0016] 1800年，英國的特里維西克設(shè)計(jì)了可安裝在較大車體上的高壓蒸汽機(jī)。1803年， 他把它用來推動(dòng)在一條環(huán)形軌道上開動(dòng)的機(jī)車，找來喜歡新奇玩意兒的人乘坐，向他們收 費(fèi)，這就是機(jī)車的雛型。英國的史蒂芬孫將機(jī)車不斷改進(jìn)，于1829年創(chuàng)造了"火箭"號蒸汽 機(jī)車，該機(jī)車拖帶一節(jié)載有30位乘客的車廂，時(shí)速達(dá)46公里/時(shí)，引起了各國的重視，開創(chuàng) 了鐵路時(shí)代。
[0017] 19世紀(jì)末，隨著電力應(yīng)用的興起，蒸汽機(jī)曾一度作為電站中的主要?jiǎng)恿C(jī)械。1900 年，美國紐約曾有單機(jī)功率達(dá)五兆瓦的蒸汽機(jī)電站。
[0018] 蒸汽機(jī)的發(fā)展在20世紀(jì)初達(dá)到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉(zhuǎn)、運(yùn)行可 靠、制造和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機(jī)車和船舶等各個(gè)領(lǐng)域中，特別 在軍艦上成了當(dāng)時(shí)唯一的原動(dòng)機(jī)。
[0019] 需要特別注意的是，許多教科書上(歷史書、物理書)說瓦特是蒸汽機(jī)的發(fā)明者。這 是誤傳。蒸汽機(jī)是英國人薩維利（Savery)于1698年、紐可門（Newcomen)于1705年各自獨(dú) 立發(fā)明的，用于礦井抽水。當(dāng)時(shí)效率很低。1765年，瓦特在修理紐可門機(jī)的基礎(chǔ)上，對蒸汽 機(jī)做了重大改進(jìn)，使冷凝器與汽缸分離，發(fā)明曲軸和齒輪傳動(dòng)以及離心調(diào)速器等，使蒸汽機(jī) 實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化，大大提高了蒸汽機(jī)的效率。瓦特的這些發(fā)明，仍使用在現(xiàn)代蒸汽機(jī)中，為紀(jì) 念瓦