Definīcija

Tvaika dzinējs ir dzinējs, kas kustībai izmanto tvaiku no verdoša ūdens. Tvaiks spiež dzinēja detaļas, lai tās kustētos. Tvaika dzinēji var darbināt daudzu veidu mašīnas, tostarp transportlīdzekļus un elektriskos ģeneratorus.

Vienkāršāk sakot, tvaika dzinējs pārvērš siltumenerģiju (kurināmā vai citas siltuma avota radīto) mehāniskā darbā, izmantojot ūdens pāreju no šķidruma stāvokļa uz tvaiku. Pastāv divi pamata veidi — virzuļdzinēji (ar atgriezenisku kustību) un tvaika turbīnas (rotējoši mehānismi).

Vēsture

Tvaika dzinēji tika izmantoti raktuvju sūkņos jau 18. gadsimta sākumā, un 1770. gados Džeimss Vats (James Watt) tos ievērojami uzlaboja. Tie bija ļoti nozīmīgi industriālās revolūcijas laikā, kad tie aizstāja zirgus, vējdzirnavas un ūdensdzirnavas, lai darbinātu mašīnas.

Pirms Vata bija arī citi pionieri — piemēram, Tomass Seivērijs un Tomass Ņūkomens (Thomas Newcomen) — kas izstrādāja agrīnas konstrukcijas. Vata uzlabojumi, it īpaši siltuma apmaiņas un kondensācijas uzlabojumi, padarīja tvaika dzinējus daudz efektīvākus un piemērotākus rūpnieciskai ražošanai. Līdz 19. gadsimtam tvaika tehnoloģijas izplatījās visā pasaulē, veicinot dzelzceļa, kuģu un rūpniecības attīstību.

Darbības princips

Pirmie tvaika dzinēji bija virzuļdzinēji. Tvaika spiediens spiež virzuli, kas liek tam kustēties pa cilindru, un tādējādi tiem bija atgriezeniska (turp un atpakaļ) kustība. Tas varēja tieši darbināt sūkni vai darbināt kloķi, lai pagrieztu riteni un darbinātu mašīnu. Tajos darbojās zems spiediens, un tiem bija jābūt ļoti lieliem, lai iegūtu lielu jaudu.

Tvaika dzinējus izmantoja rūpnīcās, lai darbinātu mašīnas, un raktuvēs, lai darbinātu sūkņus. Vēlāk tika būvēti mazāki dzinēji, kas varēja darbināt dzelzceļa lokomotīves un tvaika kuģus.

Funkcionāli tvaika dzinējs darbojas, pārvēršot augsta spiediena tvaika enerģiju mehāniskā kustībā. Svarīgas daļas ir katls (kur tiek ražots tvaiks), vārsti (kas regulē tvaika plūsmu), cilindri un virzuļi vai turbīnu lāpstiņas, kā arī spararats vai tieša savienošana ar darba agregātu. Efektivitāti uzlabo tādas ierīces kā kondensatori (kas atdzesē un kondensē izplūstošo tvaiku), superkarteris un pārkarsto tvaiku izmantojoši sistēmu elementi.

Konstrukcijas galvenās daļas un tehniskie aspekti

Tvaiks, kas darbina tvaika dzinēju, tiek ražots katlā, kas uzsilda ūdeni, lai iegūtu tvaiku. Lielākajā daļā vietu katlu uzkarsē uguns. Kurināmais var būt malka, ogles vai nafta. Uguns vietā var izmantot kodolenerģiju vai saules enerģiju. Tvaiks, kas izplūst no katla, ar spēku iedarbojas uz virzuli. Vārsts sūta tvaiku uz vienu virzuļa galu, tad uz otru, lai virzuli virzītu uz priekšu un atpakaļ. Kustīgais virzuļstūmējs stumj un velk virzuļstieni, krusteņgalvu un savienotājstieni, lai grieztu riteņus vai darbinātu citas mašīnas. Smags rotējošs spararats izlīdzina virzuļa jaudu. Regulators regulē motora apgriezienus.

Katlu konstrukcijas var būt dažādas — ugunscaurules (fire-tube) un ūdenscaurules (water-tube) katli ir visizplatītākie. Lai uzlabotu efektivitāti, bieži izmanto superkarsēšanu (tvaika temperatūras paaugstināšana virs ūdens vārīšanās punkta bez spiediena palielināšanās) un atkārtotu tvaika izmantošanu (reheaters vai kompozītmotori). Kondensators rada vakuumu zemā spiedienā izplūstošajam tvaikam, tādējādi palielinot spiediena starpību un efektivitāti. Barošanas ūdens tiek sūknēts atpakaļ uz katlu ar barošanas sūkņiem un tiek sildīts caur siltummaiņiem, lai samazinātu degvielas patēriņu.

Veidi un attīstība

Mūsdienās joprojām darbojas daudzas tvaika lokomotīves. 20. gadsimtā virzuļus aizstāja ar turbīnām, kas griežas kā vējdzirnavas, ko virza tvaika strūklas. Tās griežas ātrāk un ar lielāku energoefektivitāti nekā sākotnējā veida virzuļdzinēji. Tās izmanto spēkstacijās, lai darbinātu ģeneratorus, kas ražo elektroenerģiju. Dažus kuģus arī darbina tvaika turbīnas. Tvaika turbīnu katlus var sildīt ar dažāda veida kurināmo, dažās spēkstacijās un kara kuģos pat ar kodolreaktoru.

Virzuļdzinēji ir vienkāršāki un piemēroti gadījumiem, kur nepieciešama liela griezes momenta pie relatīvi zema apgrieziena (piem., lokomotīvēm), savukārt turbīnas ir piemērotas stacionāriem augstas jaudas avotiem (piem., elektrostacijām). Pastāv arī hibrīdas sistēmas un speciālas konstrukcijas, piemēram, daudzpakāpju (kompresijas) tvaika dzinēji un daudzstieņu turbīnas ar atsevišķu pārkaršanu un atdzīvināšanu (reheat), kas uzlabo kopējo efektivitāti.

Lietojumi mūsdienās

Pat ja lielākā daļa transporta līdzekļu un rūpniecības iekārtu tagad izmanto iekšdedzes dzinējus vai elektriskos motorus, tvaika tehnoloģija joprojām ir svarīga:

  • elektroenerģijas ražošanā — lielākā daļa termoelektrostaciju izmanto tvaika turbīnas, lai darbinātu ģeneratorus;
  • kuģu rūpniecībā — daži lieli okeāna kuģi un karakuģi izmanto tvaika turbīnas vai to variācijas;
  • industrijā — tvaiks tiek plaši lietots procesa siltumapmaiņā un mehāniskajā darbināšanā;
  • oglekļa emisiju samazināšanai — tvaika cikli tiek kombinēti ar citiem tehnoloģiskiem risinājumiem (piem., kondensācijas un atkausēšanas sistēmām), kā arī ar atjaunojamiem energoresursiem un kodolenerģiju.

Vēsturiski saglabātas tvaika lokomotīves un muzeju eksponāti demonstrē tehnoloģijas principus un veicina tehnisko mantošanu.

Efektivitāte, vides ietekme un drošība

Tvaika dzinēju efektivitāte ir atkarīga no spiediena, tvaika temperatūras, kondensācijas efektivitātes un mainīgo elementu ekonomijas (piem., siltuma atgūšana). Mūsdienu tvaika turbīnas ar augstu spiedienu un superkarsētu tvaiku var sasniegt labāku efektivitāti nekā agrīnās virzuļtehnoloģijas, tomēr termodinamiskās robežas (Carnot ierobežojums) nosaka maksimālo iespējamā efektivitāti.

Vides ietekme lielā mērā saistīta ar izmantotā kurināmā tipu. Oglekļa dioksīda un citu piesārņotāju emisijas būs lielākas, ja tiek dedzinātas fosilās izejvielas. Izmantojot kodolenerģiju, biomasu vai atjaunojamus siltuma avotus, emisijas var būt daudz mazākas. Apkopes ziņā tvaika sistēmas prasa rūpīgu uzraudzību (spiediena ierīces, katlu drošības vārsti, regulāras pārbaudes), jo bojājumi var novest pie eksplozijām vai nopietnām avārijām.

Noslēgums

Tvaika dzinējs ir bijis viens no svarīgākajiem tehnoloģiskajiem atklājumiem, kas veicināja rūpniecības attīstību un mūsdienu enerģētikas pamatus. Lai gan daudzās jomās tas ir aizstāts ar modernākām un kompaktākām tehnoloģijām, tvaika principam joprojām ir plašas praktiskas pielietojuma iespējas — sākot no elektroenerģijas ražošanas un beidzot ar aizsargātu vēsturisku transporta līdzekļu demonstrēšanu.