蒸汽機

蒸汽機是（狹義上的）活塞式熱機。 水在作為機器一部分的加熱蒸汽發生器中蒸發。 加壓蒸汽通過移動在氣缸中移動的活塞將其包含的熱能（也稱為壓力能）轉化為動能。 通常，活塞是曲柄滑塊機構的一部分，曲柄滑塊機構將活塞的往復運動轉換為驅動工作機器的飛輪的旋轉。 為了逆轉活塞的運動，壓力被轉移到它的另一個圓柱面。

另一種以蒸汽為動力的熱力發動機是蒸汽輪機，它將蒸汽的熱能轉化為旋轉能，而無需后續機構（齒輪）來改變運動類型。

蒸汽機是“外燃”熱力發動機，這將它們與內燃機區分開來。

托馬斯·紐科門 的xxx個功能性蒸汽機的應用發現于 18 世紀初的硬煤開采中用于脫水，他們最初使用較舊的機械動力源，例如水輪補充后更換。 在效率逐漸提高后，到 18 世紀末，在不斷發展的紡織工業中，值得使用它們來驅動紡織機器，并且它們最終傳播到其他工業部門，在那里它們也補充了水車和風車。

活塞式蒸汽機將來自蒸汽發生器的熱力學能（蒸汽壓力）轉化為機械旋轉能。 活塞在關聯的氣缸中來回移動，執行擺動運動。 然而，對于有用的機械能通常需要旋轉運動。

活塞的向前運動是以蒸汽的壓力為工作行程進行的。 返回運動是通過單作用活塞（單作用蒸汽機）從儲存的旋轉動量能量中進行的。 另一方面，對于兩側驅動的活塞（雙作用蒸汽機），活塞的返回運動也作為工作沖程進行，現在在活塞的下側通過蒸汽壓力控制.

汽缸的蒸汽供應由滑塊或閥門控制。 活塞首先在壓力下被向下推或沿曲軸的方向推。 活塞的直線運動通過十字頭和連桿作為曲軸曲柄銷上的耦合元件轉換為旋轉運動。 然后連桿（在單側操作中）利用存儲在飛輪和曲軸中的旋轉能量將活塞從較低位置線性推回到其較高的起始位置。

蒸汽機的工作過程因此分為兩個循環，因此是一個雙循環過程。

在大氣蒸汽機中，力是由真空產生的。 為此，活塞下方的氣缸空間充滿了蒸汽。 在下一個工作循環中，將水注入氣缸，使水蒸氣冷卻并凝結。 產生負壓，使活塞被外部大氣壓力推入氣缸。 當蒸汽閥打開時，活塞在泵連桿的重量作用下移出，泵連桿連接在xxx臂上，即所謂的平衡器。 旋轉運動不是有意的，因為閥門最初是手動控制的。 當時還沒有可以達到高于大氣壓力的蒸汽壓力的耐壓鍋爐系統。

這種設計最著名的代表是托馬斯·紐科門 (Thomas Newcomen) 于 1712 年設計的大氣蒸汽機。蒸汽機主要用于煤礦的脫水。 這臺機器的能效高達魏James Watt 的開發不到 1%。 瓦特將蒸汽的冷凝從工作缸轉移到下游的水冷容器，即冷凝器。 這消除了工作氣缸在每個工作循環中的持續冷卻和再加熱，這是造成大量能量損失的原因。

負壓或大氣壓力如何在大氣蒸汽機中做功，因為熱蒸汽冷凝，在此過程中大大收縮。 大多數液態水從氣缸中流出。 這種工作方式不是很經濟，因為在每個沖程中都會使用大量能量來加熱和冷卻氣缸和活塞。 為了讓蒸汽足夠快地冷凝，將冷水注入氣缸上止點附近（此處未顯示）。 在膨脹式蒸汽機中，充液閥僅在工作循環開始時短暫打開。 與全壓機不同的是，在高壓下流入的蒸汽在工作循環中失去了部分壓力。 雖然這也會導致氣缸冷卻，但與全壓機器相比，消耗的蒸汽要少得多。 為了限制冷卻，蒸汽沒有完全膨脹到大氣壓。 復合蒸汽機還通過將蒸汽引導到另一個更大直徑的氣缸中來利用蒸汽排出時剩余的壓力。 （注意：與此處顯示的相反，在活塞向下運動期間，蒸汽幾乎不會進一步冷卻。）

在低壓蒸汽機的情況下，蒸汽以 100 mbar 的輕微超壓輸入。

與 Newcomen-蒸汽機相比，工作不僅在冷凝過程中進行，而且在氣缸填充過程中進行。 這導致了性能的提高，并且是蒸汽機進一步發展到更高蒸汽壓力的起點。 為了防止工作缸冷卻下來，為注入冷卻水引起的冷凝提供了一個單獨的容器。

瓦特將僅從一側作用于活塞的單作用汽汽機發展為活塞從兩側交替作用的雙作用汽機。 由于消除了空行程，因此提高了效率和性能。 然后通過曲柄驅動直接驅動飛輪，由于不需要平衡器，因此減少了質量。

使用高壓蒸汽機，蒸汽會被加熱到 100°C 以上，從而產生更高的壓力。 無需冷卻從汽缸中逸出的水蒸氣，因為與明顯更高的工作壓力（排氣操作）相比，大氣壓力不再重要。 因此可以省略冷凝器，這使得這種類型的機器在加壓蒸汽的能量密度更高的情況下相當輕，因此首先可以在蒸汽機車中使用蒸汽機。 這種類型的代表實際上是自 1802 年左右的奧利弗埃文斯和理查德特雷維希克以來車輛中的所有活塞式蒸汽機。 高壓蒸汽機也允許使用蒸汽膨脹。 雖然大氣和低壓蒸汽發動機通常是全壓發動機，其中蒸汽在整個活塞沖程中流入氣缸，但膨脹機的氣缸僅在每個活塞沖程開始時才充滿蒸汽。 隨著壓力下降，蒸汽膨脹導致進一步運動。 儲存在蒸汽中的能量因此得到了更好的利用。

復合式蒸汽機或多級膨脹機是至少有兩個工作單元沿蒸汽方向串聯的蒸汽機。

在直流蒸汽機中，膨脹的蒸汽噴出時流動方向不變。 流入和流出彼此分開，流出通過圓柱體中間的流出槽發生，流入通常從圓柱體末端。 通過這種設計，可以顯著減少冷卻損失，但這是用相當長的氣缸購買的。 這些機器的引入失敗了，因為當時 12 到 14 巴的蒸汽壓力太低；這種結構只能在 20 巴及以上的壓力下證明自己。