动力系统(上):机械能从何而来?

来源:宇辰网 作者:赵孜 时间:2016-05-10 分享至:
[宇辰导读]能源的多样性给了我们更多选择,可以根据不同的用途使用不同的动力系统,动力系统发展到现在,经过了哪些阶段呢?

  内燃机作为普遍使用的机械动力已经霸占了动力系统的半壁江山好多年了,不过由于石化能源的缺乏和不可再生,人们正在尝试逐步摆脱以汽油和柴油作为燃料的内燃机,使用更清洁、更高效的能源作为动力。这也许会颠覆整个动力系统。

       什么是动力系统?

  动力,是指能让机械作功的各种作用力,比如风力、水力、电力、热力、原子能等。动力系统则是指将发动机产生的动力,经过一系列的动力传递,最后传到驱动装置上的整个机械布置。

       动力系统原本是个数学上的概念,在动力系统中存在一个固定的规则,描述了几何空间中的一个点随时间变化情况。在动力系统中有所谓状态的概念,状态是一组可以被确定下来的实数。状态的微小变动对应这组实数的微小变动。这组实数也是一种流形的几何空间坐标。动力系统的演化规则是一组函数的固定规则,它描述未来状态如何依赖于当前状态的。这种规则是确定性的,即对于给定的时间间隔内状态只能演化出一个未来的状态。

       不过本文所述的动力系统是指驱动机械运动的装置,包含电力系统和动力系统。目前,我们所使用的动力一般来源于化石燃料,通过发动机将化学能转化为机械能。而电力则是由发电机将各种机械能转化为电能,供人们使用。故,本文上半部分主要说明动力的来源,下半部分则说明将动力转化为电力再供使用。

  在依靠热力带动的机械装置发明之前,人类一直使用人力、畜力或自然界的各种力作为动力。这其中应用较多的当属风力和水力。

       风力:原始而清洁的动力

  风力机械有风帆、风车(风力机)、风磨等。

风帆/图  来源网络

  人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米,用风帆推动船舶前进。埃及尼罗河上的风帆船、中国的木帆船,都有两三千年的历史记载。唐代有"乘风破浪会有时,直挂云帆济沧海"诗句,可见那时风帆船已广泛用于江河航运。到了宋代更是我国应用风车的全盛时代,当时流行的垂直轴风车,一直沿用至今。

  在国外,公元前2世纪,古波斯人就利用垂直轴风车碾米。十世纪伊斯兰人用风车提水,十一世纪风车在中东已获得广泛的 应用。十三世纪风车传至欧洲,十四世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水,其风车的功率可达50马力,以后又用于榨油和锯木。

  风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式,以风能作动力,就是利用风来直接带动各种机械装置,如带动水泵提水等这种风力发动机的优点是:投资少、工效高、经济耐用。目前,世界上约有一白多万台风力提水机在运转。澳大利亚的许多牧场,都设有这种风力提水机。

  水力:水往低处流带来的位能

  另一个自然界存在的动力就是水力了。水力机械包括水车、水磨、水轮机等。

  水力机械是指开发利用水体蕴藏的能量的生产技术。天然河道或海洋内的水体,具有位能、压能和动能三种机械能。水能利用主要是指对水体中位能部分的利用。水能开发利用的历史也相当悠久。

水车/图  来源网络

  早在2000多年前,在埃及、中国和印度已出现水车、水磨和水碓等利用水能于农业生产。18世纪30年代开始有新型水力站。随着工业发展,18世纪末这种水力站发展成为大型工业的动力,用于面粉厂、棉纺厂和矿石开采。

  人类利用水能的历史很久,我国是世界上利用水能最早的国家之一。早在1900多年前,就制造了木制的水轮,让流水冲击水轮转动,用来汲水、磨粉、碾谷,在《天工开物》中,曾详细地记载了古代人民对水能的利用。到18世纪,社会生产需要越来越强大的动力机,随着科学技术的发展,人们造出了大功率的水轮机,来带动纺织机,冶金鼓风机等。但这些机器都必须安置在河流旁。

  水能利用的另一种方式是通过水轮泵或水锤泵扬水。其原理是将较大流量和较低水头形成的能量直接转换成与之相当的较小流量和较高水头的能量。虽然在转换过程中会损失一部分能量,但在交通不便和缺少电力的偏远山区进行农田灌溉、村镇给水等,仍不失其应用价值。20世纪60年代起水轮泵在中国得到发展,也被一些发展中国家所采用。

  热力:推动历史进步,改变人类的生活方式

  目前应用最广泛的热力发动机同样不可或缺。热力发动机依靠中间的工质(如水蒸汽、空气或燃烧气体等)完成热功转换。由高温热源对工质供给热量。以蒸汽动力装置为例:水在锅炉中吸收由燃料燃烧后产生的高温热量而成为高温高压的蒸汽,蒸汽在汽轮机中膨胀,推动汽轮机转子转动对外做功,然后进入凝汽器,而将剩余热量排给冷却水。

蒸汽机/ 图  来源网络

  热力发动机有两种分类方法。按工质的加热方式分为内燃式和外燃式。内燃机、燃气轮机等属于内燃式,燃料是在它们内部的气缸或燃烧室内燃烧的。蒸汽动力装置是属于外燃式,燃料是在蒸汽机、汽轮机以外的锅炉炉膛内燃烧的。按照热能转换为机械功的机构及其运动方式分为旋转叶轮式、往复活塞式、旋转活塞式和自由活塞式。旋转叶轮式有汽轮机、燃气轮机和喷气式发动机等。往复活塞式有蒸汽机、热气机、柴油机、汽油机和煤气机等。下面一一介绍各种热力发动机。

  煤气机:以煤气、天然气和其他可燃气体为燃料,有采用电点火的,也有采用喷入少量柴油压燃引火的。由于气体燃料来源的限制,加上煤气机本身体积大、携带困难等原因,它的应用远不及汽油机、柴油机广泛。煤气机大多应用于固定式动力装置,但也有将气体燃料装囊,或液化装瓶以用于运输车辆的,但因使用不便,未能推广。

  蒸汽机:把蒸汽中的热能转化为机械能的热力装置。由于效率过低,除在少数国家仍用于机车外,已基本被淘汰。

  汽轮机:广泛用于大型发电机组和大型船舶的动力装置。

  热气机:或称斯特林发动机。以空气、氢和氦等作为工质、按回热闭式热力循环进行周期性的压缩和膨胀而作功的热力发动机。热气机是外燃机,可以采用多种燃料,同时还具有噪声低、振动小和排污较少等优点。主要缺点是散热器大、密封困难和成本较高。仍处于研制阶段,尚未推广应用。

  燃气轮机:以燃料燃烧产生的燃气直接推动涡轮作功的装置。转速可高达数万转每分,效率也较高。燃气轮机分为开式循环和闭式循环两种,多用作发电机组、船舶、机车和飞机的动力。

  喷气式发动机:利用燃料燃烧气体排出过程中所产生的反作用力作功的热力发动机,主要用于航空和航天方面。喷气式发动机可以分为两大类,即空气喷气式发动机和火箭喷气式发动机。从外界吸入空气作为工质、以空气中所含的氧作为氧化剂的喷气式发动机称为空气喷气式发动机。它又可分为无压气机空气喷气式发动机和有压气机空气喷气式发动机两种。现代航空上采用最广的燃气轮喷气式发动机就属于后一种。燃料和氧化剂都由发动机或飞行器本身随带的喷气式发动机称为火箭喷气式发动机,或简称火箭发动机。按其所用燃料分固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机两种,它们主要用作兵器和航天飞机的动力。

  不过,用的最多的还是文章开头提到的汽油机和柴油机两种内燃机。

  汽油机是将一定数量的汽油和空气混合喷入到进气管道后再吸入发动机气缸内(注:缸内直喷发动机是在燃烧室内形成混合),压缩后用电火花强制点燃使其燃烧,产生热能膨胀做功。转速一般在3000~6000转/分,甚至高达每分钟一万转。功率由几百瓦至几百千瓦。在农林方面广泛用作采茶机、割草机、机锄、喷药机、割灌机、机锯等的动力;在交通方面用作摩托车、汽车、小艇的动力。此外,用于通信和电影放映机的小型发电机组,采矿用凿岩机、建筑用打夯机等无不以小型汽油机作动力。早期的飞机曾以大型汽油机为动力,后已基本上为涡轮机,特别是喷气式发动机所取代。汽油机的排放物对人类环境的污染毒害十分严重。

汽油机/图  来源网络

  柴油机则利用喷油泵使柴油在高压下由喷油器直接喷入发动机气缸内,并与气缸内已经被压缩的高温空气混合形成混合气,柴油自燃后产生热能而膨胀做功。转速一般在百余转至五、六千转每分钟,功率由几千瓦至数万千瓦。广泛用作汽车、拖拉机、坦克、船舶、军舰、机车、发电机组、物料搬运机械、土方机械等的动力。二十世纪60年代以来,由于世界性的石油危机,以及柴油机具有较高的热效率,因此应用范围也日益扩大。一些过去采用汽油机的领域,如小轿车、轻型卡车等采用柴油机作为动力的日渐增多。

柴油机/图  来源网络

  正是由于热力发动机的出现,才促成了机械化生产,解决了交通工具的动力问题,引起了交通运输领域的革命性变革,进一步增强了人们的生产能力改变了人们的生活方式,扩大了人们的活动范围,加强了人与人之间的交流。另一方面,内燃机的发明推动了石油开采业的发展和石油化学工业的产生,促进生产力飞跃发展,使社会面貌发生翻天覆地的变化。可以说,是内燃机促成了今天的世界的格局,决定了人们的出行方式。


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