Chapter 7

1. 熱力學 Chapter 7 蒸 汽 循 環

2. 有 關 瓦 特

3. James Watt (1736 - 1819)

4. 1736年，瓦特出生在英國蘇格蘭格拉斯哥市附近1736年，瓦特出生在英國蘇格蘭格拉斯哥市附近 的一個小鎮格裏諾克。 他的父親是一個經驗豐富的木匠，祖父和叔父都 是機械工匠。 少年時代的瓦特，由於家境貧苦和體弱多病，沒 有受過完整的正規教育。但是在父母的教導下， 一直堅持自學，很早就對物理和數學產生了興趣。 1753年，瓦特到格拉斯哥市當徒工。由於收入過 低不能維持生活，第二年他又到倫敦的一家儀表 修理廠當徒工。憑著自己的勤奮好學，他很快學 會製造那些難度較高的儀器。但是繁重的勞動生 活損害了他的健康，一年後，他不得不回家休養。

5. 1756年，瓦特的才能引起了格拉斯哥大學教授臺克1756年，瓦特的才能引起了格拉斯哥大學教授臺克 的重視，在他的介紹下，瓦特進入格拉斯哥大學當 了教學儀器的工人。 學校擁有當時較為完善的儀器設備，使瓦特在修理 儀器時認識了先進的技術，開闊了眼界。 這時他對以蒸汽作動力的機械產生了濃厚的興趣， 開始收集有關資料，還為此學會了意大利文和德文。 1764年，瓦特與表妹瑪格麗特結婚。 1764年，學校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，在 修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理

6. Thomas Newcomen (1663 - 1729).

7. 紐可門蒸汽機 紐可門是英國工程師，蒸汽機發明人之一。 1663年 生於達特茅斯一個商人家庭， 1729年在倫敦去世。 紐可門幼年僅受過初等教育，少年時代做過鍛工。 17世紀80年代與卡利合夥經營鐵器，後來共同研製 蒸汽機，並於1705年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽 和把活塞與連桿聯接以產生運動”的專利權。 此後，紐可門繼續改進蒸汽機，於1712年首次製成 可供實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐可門蒸汽機。 這台蒸汽機的汽缸活塞直徑為30.48厘米,每分鐘往復 12次，功率為5.5馬力。 但熱效率低，燃料消耗量很 大，僅適用於煤礦等燃料充足的地方。

8. 紐可門蒸汽機 紐可門蒸汽機被廣泛應用了60多年，在瓦特改善蒸 汽機的發明後很長時間還在使用。 紐可門蒸汽機是 第一個實用的蒸汽機，也為後來蒸汽機的發展奠定 了基礎。

9. The model Newcomen engine upon which Watt experimented

10. 紐可門蒸汽機 Newcomen steam engine (atmospheric engine).– Steam is shown pink and water is blue.– Valves move from open (green) to closed (red)

12. 瓦特發現紐可門蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連瓦特發現紐可門蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連 續而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。 1765年的春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐 可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的， 那麽為什麽不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產生了 採用分離冷凝器的最初構想。 按照設計，冷凝器與汽缸之間有一調節閥門相連， 使他們既能連通又能分開。這樣，既能把做工後的 蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內產生同 樣的真空，避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量的消 耗，據瓦特理論計算，這種新的蒸汽機的熱效率將 是紐可門蒸汽機的 3 倍。

13. 但是，要把理論上的東西變為實際上的東西，把圖但是，要把理論上的東西變為實際上的東西，把圖 紙上的蒸汽機變為實在的蒸汽機，還要走很長的路。 瓦特辛辛苦苦造出了幾臺蒸汽機，但效果反而不如 紐可門蒸汽機，甚至四處漏氣，無法開動。 盡管耗資巨大的試驗使他債臺高築，但他沒有在困 難面前怯步，繼續進行試驗。後來大學裡認識他的 化學家布萊克知道瓦特的奮鬥目標和困難處境，他 把瓦特介紹給自己一個十分富有的朋友--化工技師羅 巴克。羅巴克是一個十分富有的企業家，他在蘇格蘭 開辦了第一座規模較大的煉鐵廠。 當時羅巴克已近50歲，他對當時只有三十來歲的瓦特 的新裝置很贊許，於是與瓦特簽訂合同，贊助瓦特進 行新式蒸汽機的試製。

14. 從1766年開始，在三年多的時間裏，瓦特克服了在從1766年開始，在三年多的時間裏，瓦特克服了在 材料和工藝等各方面的困難，終於在1769年製出了 第一臺樣機。同年，瓦特因發明冷凝器而獲得他在 革新紐可門蒸汽機的過程中的第一項專利。 第一臺帶有冷凝器的蒸汽機雖然試制成功了，但它 同紐可門蒸汽機相比，除了熱效率有顯著提高外， 在作為動力機來帶動其他工作機的性能方面仍未取 得實質性進展。就是說，瓦特的這種蒸汽機還是無 法作為真正的動力機。

15. 當瓦特繼續進行探索時，羅巴克本人已瀕於破產，當瓦特繼續進行探索時，羅巴克本人已瀕於破產， 他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業家 博爾頓，以便瓦特能得到贊助繼續進行研製工作。 博爾頓當時經四十多歲，是位能幹的工程師和企業 家。他經常參加社會活動，是當時伯明翰地區著名 的科學社團“圓月學社”的主要成員之一。參加這個 學社的大多都是本地的一些科學家、工程師、學者 以及科學愛好者。 經博爾頓的介紹，瓦特也參加了圓月學社。在圓月 學社活動期間，由於與化學家普列斯特列等交往， 瓦特對當時人們關註的氣體化學與熱化學有了更多 的了解。

16. 瓦特自與博爾頓合作之後即在資金、設備、材料等瓦特自與博爾頓合作之後即在資金、設備、材料等 方面得到大力支持。瓦特又生產了兩臺帶分離冷凝 器的蒸汽機，由於沒有顯著的改進，這兩臺蒸汽機 並沒有得到社會的關註。這兩臺蒸汽機耗資巨大， 使博爾頓也瀕臨破產，但他仍然給瓦特以慷慨的贊 助。 自1769年試製出帶有分離冷凝器的蒸汽機樣機之後， 瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊 病，而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本侷 限。 1781年，他想到了把活塞往返的直線運動變為旋轉 的圓周運動就可以使動力傳給任何工作機。

17. 同年，他研製出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪同年，他研製出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪 聯動裝置，終於把活塞的往返的直線運動轉變為齒 輪的旋轉運動。為了使輪軸的旋軸增加慣性，從而 使圓周運動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個 火飛輪。 由於對傳統機構的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽 機才真正成為了能帶動一切工作及的動力機。1781 年底，瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置 獲得第二個專利。 這時的蒸汽機在把活塞的往返直線運動轉變為輪軸 的旋轉運動時，多消耗了不少能量。這樣，蒸汽機 的效率下降，且動力也不大。

18. 他雖然把紐可門蒸汽機的內部冷凝變成了外部冷他雖然把紐可門蒸汽機的內部冷凝變成了外部冷 凝，使蒸汽機的熱效率有了顯著提高，但他的蒸 汽機中蒸汽推動活塞的衝程技術與紐可門蒸汽機 沒有不同。兩者的蒸汽都是單向運動，從一端進 入、另一端出來。 他想，如果讓蒸汽能夠從兩端進入和排出，就可 以讓蒸汽即能推動活塞向上運動又能推動活塞向 下運動。那麼，他的效率就可以提高一倍。 1782年，瓦特製出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。 由此瓦特獲得了他的第三項專利，並首次把引入 汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽，這是瓦特 在改進紐可門蒸汽機的過程中的第三次革新，也 使紐可門蒸汽機完全演變成瓦特蒸汽機。

19. 從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機研製成功，瓦特從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機研製成功，瓦特 走過了二十多年的艱難歷程，終於完成了對紐可門 蒸汽機的三次革新。更使蒸汽機得到了更廣泛的應 用，成為改造世界的動力。 1784年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝 置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門 蒸汽機過程中的第四項專利。 1785年，瓦特被當選為英國皇家學會會員。1814年， 他被法國科學家學會接納為外國會員。 1790年以後，優厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢 的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲爾德郡的家 裏去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區的教堂裏。

20. 瓦特生活在十八、十九世紀的英國，所以在他的身瓦特生活在十八、十九世紀的英國，所以在他的身 上不可避免的帶有時代和階級的侷限。他曾經阻撓 雙筒蒸汽機和高壓蒸汽機的發明和推廣，還嘲笑別 人用蒸汽機來驅動車輛的努力。 恩格斯在《自然辨證法》中這樣寫道：“蒸汽機是第 一個真正國際性的發明 …… 瓦特給它加上了一個分 離的冷凝器，這就使蒸汽機達到了現在的水平。” 後人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定 為“瓦特”。

21. The major components of a Watt pumping engine

22. JAMES WATT This working model was invented in 1778.

23. Rotative steam engine by Boulton and Watt, 1788

24. http://www.youtube.com/watch?v=EMNrtOcZ6XQ&feature=youtube_gdata_playerhttp://www.youtube.com/watch?v=EMNrtOcZ6XQ&feature=youtube_gdata_player http://www.videosurf.com/video/boulton-and-watt-engine-at-the-national-museum-of-scotland-83338222

25. 1. four-bar linkage consisting of AB, BE and EG and the base link is AG 2. parallelogram linkage BCDE to form a pantograph Watt’s parallel motion

28. Watt’s Linkage Pantograph

29. The engine shown in the picture below is a Double-Acting steam engine because the valve allows high-pressure steam to act alternately on both faces of the piston. The animation below it shows the engine in action: The Double-Acting, Triple Expansion Steam Engine. The steam travels through the engine from left to right High-pressure steam in Exhaust steam out

30. Watt parallel motion on a pumping engine

31. A late version of a Watt double-acting steam engine, in the lobby of the Superior Technical School of Industrial Engineers of the UPM (Madrid Spain ). Steam engines of this kind propelled the Industrial Revolution in Great Britain and the world.

32. The 1817 engine in Birmingham, England

33. 瓦 特 的 介 紹 結 束

34. 本章大綱 • 討論蒸汽動力循環的兩個性能準則： • 熱效率 • 比功輸出 • 討論蒸汽的卡諾循環 • 使用卡諾循環之限制以介紹冉肯循環 • 分析蒸汽的冉肯循環 • 比較冉肯循環及卡諾循環的性能

35. 本章大綱 • 討論使用過熱蒸汽及兩階段膨脹以改進 冉肯循環 • 討論逆卡諾循環為冷凍機的基礎 • 介紹冷凍系統中的蒸汽- 壓縮循環 • 討論蒸汽- 壓縮循環中冷凍劑的特色 • 討論實際冷凍情況下的修正蒸汽壓縮及 吸收式系統

36. 7.1蒸汽動力循環 理想熱機，通常在兩熱源(一高溫熱源，另一為低溫 熱槽)間運轉。 在蒸汽動力循環(steam power cycle) 中，高溫熱源指 的就是鍋爐，低溫熱 源就是冷凝器。 早期的紐可門蒸汽機熱效率遠低於1 %，目前在蒸汽 動力廠中，蒸汽循環的熱效率大約在35 %

37. 7.1蒸汽動力循環 在整個發展期間熱效率的增加情況，三世紀以來 熱效率大約提高了50 倍。

38. 7.1蒸汽動力循環 燃料( 煤) 的消耗量大約是紐可門蒸汽機的1/50，這 意謂著，若使用紐可門蒸汽機，不僅成本增加50 倍， 而且煤礦的貯存量也會以較快的速率被消耗掉。

39. 7.1蒸汽動力循環 提高熱效率不僅可以降低成本，而且也有助於能源 的保存。

40. 7.1蒸汽動力循環 熱機效率 提高 TH及降低 TL都可使熱效率提高 對一固定的冷凝器壓力 P = 20 kPa , T = 60.1℃(333.1 K) 下，兩個不同壓力的鍋爐，其熱效率有何差別？ 壓 力 TH 400 kPa 0.20 143.6℃(416.6 K) 0.48 20 MPa 365.8℃(638.8 K) 鍋爐壓力增加使熱效率也相對地提高！

41. 7.1蒸汽動力循環 實際上，由於許多機件，如往復式蒸汽機或迴轉式 輪機的不可逆因素，使得實際熱效率小於理想熱效 率，但僅管如此，在提出一些可以提升蒸汽循環實 際性能的熱力變化時，理想熱效率仍是一個十分有 用的觀念。 判斷實際蒸汽廠的性能時，熱效率是一項重要準則。  熱效率愈高，燃料消耗率愈低，即所需的燃料 質量流率較小，運轉成本也愈低。 • 蒸汽廠的大小則與質量流率有關，並決定主要 成本，因此成本與熱效率成反比的關係！

42. 7.2卡諾循環 卡諾循環(Carnot cycle) • 在卡諾循環中，鍋爐的加熱及冷凝器的散熱都是 在等溫過程中完成。 1→2 在鍋爐中等溫加熱 2→3 可逆絕熱膨脹 3→4 在凝結器中等溫排熱 4→1 可逆絕熱壓縮

43. 7.2 卡諾循環 1→2 在一特定鍋爐壓力下飽和液變成飽和蒸汽！ TH =T1= T2 , TL =T3= T4 比輸出功(單位質量流體所作的淨功)

44. 7.2 卡諾循環 例題7-1 一座以卡諾循環運轉的蒸汽廠，鍋爐壓力 1 MPa， 冷凝器壓力 20 kPa，試求此蒸汽廠的熱效率及比輸 出功。 [解]

45. 7.3冉肯循環 卡諾循環的限制 卡諾循環是一理想狀況，因為 (1)在卡諾循環中，狀態 4 為液 汽混合物，狀態 1 則為飽和液， 要利用泵達成以上相變化是困 難的。 (2)冷凝過程難以控制剛好使濕 蒸汽達到狀態 4 。 將卡諾循環加以修正：在冷凝過程使濕蒸汽變成水， 再利用泵將水加壓並送入鍋爐，而這就是冉肯循環 ( Rankine Cycle )。

46. 7.3 冉肯循環  Rankine cycle Carnot cycle 1→2 在鍋爐中等壓加熱 2→3 可逆絕熱膨脹 3→4 在凝結器中等溫排熱 至飽和液狀態 4→1 可逆絕熱壓縮

47. 7.3 冉肯循環 所有機件皆為穩流： 泵：

48. 7.3 冉肯循環 例題7-2 一座以冉肯循環運轉的蒸汽廠，鍋爐壓力 1 MPa， 冷凝器壓力 20 kPa，試求此蒸汽廠的熱效率及比輸 出功。假設蒸汽離開鍋爐時為飽和蒸汽。 [解]

49. 7.3 冉肯循環 泵：

50. 7.3 冉肯循環 卡諾循環及冉肯循環的比較 1. 由例題7.1 ( = 0.265)及7.2 (=0.241)的結果比較 可以得知在相同的鍋爐及冷凝器壓力下，卡諾循 環的熱效率高於冉肯循環的熱效率。 2. 在狀態1 的飽和水溫度低於鍋爐的飽和溫度，雖 然冉肯循環的熱效率較低，但相對的，它的比輸 出功有608 kJ/kg 卻比卡諾循環的534 kJ/kg 來得 高，主要原因在於對冉肯循環而言，輸入泵的功 為0.98 kJ/kg 遠比卡諾循環中輸入到壓縮器的功 為77 kJ/kg (請自己驗證此數據)來得小。 3. 我們假設例題7.1 及7.2 中卡諾及冉肯循環中的 輪機、壓縮機及泵的運轉十分完美，實際上，這 些機件的絕熱效率通常都小於1。