Kā darbojas tvaika dzinēji?

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

Dzinējs ir mašīna, kas enerģiju pārvērš mehāniskā spēkā vai kustībā, kas var pagriezt virzuļus un riteņus. Motora mērķis ir nodrošināt enerģiju, tvaika motors nodrošina mehānisku jaudu, izmantojot tvaika enerģiju.

Tvaika dzinēji bija pirmie veiksmīgi izgudrotie dzinēji un bija dzinējspēks industriālā revolūcija. Tie tika izmantoti, lai darbinātu pirmos vilcienus, kuģus, rūpnīcas un pat automašīnas. Un, lai arī agrāk tvaika dzinēji bija nozīmīgi, viņiem tagad ir arī jauna nākotne, piegādājot mums enerģiju no ģeotermiskās enerģijas avotiem.

Lai saprastu pamata tvaika dzinēju, ņemsim piemēru par tvaika motoru, kas atrodams vecā tvaika lokomotīvē, piemēram, tajā, kas attēlota. Tvaika dzinēja pamatdaļas lokomotīvē būtu katls, bīdāmais vārsts, cilindrs, tvaika rezervuārs, virzulis un piedziņas ritenis.

Katlā atradīsies kurtuve, kurā tiks ierautas ogles. Akmeņogles tiks dedzinātas ļoti augstā temperatūrā un izmantotas katla sildīšanai, lai vārītu ūdeni, kas rada augstspiediena tvaiku. Augstspiediena tvaiks izplešas un iziet no katla caur tvaika caurulēm tvaika rezervuārā. Pēc tam tvaiku kontrolē ar slīdvārstu, lai nonāktu cilindrā, lai virzītu virzuli. Tvaika enerģijas spiediens, virzot virzuli, pagriež piedziņas riteni aplī, radot lokomotīves kustību.

Cilvēki gadsimtiem ilgi ir zinājuši par tvaika spēku. Grieķu inženieris, Aleksandrijas varonis (apmēram 100 AD), eksperimentēja ar tvaiku un izgudroja aeolipilu, kas bija pirmais, bet ļoti neapstrādātais tvaika dzinējs. Aeolipils bija metāla lode, kas uzstādīta uz verdoša ūdens tējkannas. Tvaiks caur caurulēm nokļuva sfērā. Divas L formas caurules sfēras pretējās pusēs izlaida tvaiku, kas sfērai radīja vilci, kas izraisīja tās pagriešanos. Tomēr varonis nekad neapzinājās aeolipila potenciālu, un pirms praktiska tvaika dzinēja izgudrošanas bija jāpaiet gadsimtiem.

1698. gadā angļu inženieris, Tomass Saverijs patentēts pirmais neapstrādātais tvaika dzinējs. Glābējs izmantoja savu izgudrojumu, lai izsūknētu ūdeni no ogļu raktuvēm. 1712. gadā angļu inženieris un kalējs, Tomass Ņūkomens izgudroja atmosfēras tvaika motoru. Newcomen tvaika dzinēja mērķis bija arī ūdens noņemšana no raktuvēm. 1765. gadā skotu inženieris Džeimss Vats sāka studēt Tomasa Ņūkomena tvaika motoru un izgudroja uzlabotu versiju. Tas bija Watt motors, kas bija pirmais, kas veica rotācijas kustību. Džeimsa Vata dizains bija tas, kas izdevās, un tvaika dzinēju izmantošana kļuva plaši izplatīta.

Tvaika dzinējiem ir bijusi liela ietekme uz pārvadāšanas vēsturi. Līdz 1700. gadu beigām izgudrotāji saprata, ka tvaika dzinēji var darbināt laivas, un pirmo komerciāli veiksmīgo tvaikoni izgudroja Džordžs Stefensons. Pēc 1900. gada tvaika virzuļdzinējus sāka aizvietot benzīna un dīzeļdegvielas iekšdedzes dzinēji. Tomēr pēdējos divdesmit gados ir parādījušies tvaika dzinēji.

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

Ģeotermiskā enerģija ir enerģija, ko ražo, izmantojot tvaiku, kas iegūts, siltumam izdaloties no zemes izkusušā pamata. Ģeotermiskās elektrostacijas ir samērā zaļā tehnoloģija. Kaldara Green Energy, Norvēģijas / Islandes ģeotermiskās elektroenerģijas ražošanas iekārtu ražotājs, ir bijis galvenais novators šajā jomā.

Saules termoelektrostacijas savas enerģijas ražošanai var izmantot arī tvaika turbīnas.