Höyrykone
Tätä sivua ei ole
 |
Tähän artikkeliin tai osioon ei ole merkitty lähteitä tai viitteitä. Voit auttaa Wikipediaa lisäämällä artikkelille asianmukaisia lähteitä. |
Sanalla höyrykone tarkoitetaan yleensä mäntähöyrykonetta, vaikka myös muilla periaatteilla toimivilla koneilla voidaan muuntaa höyryn sisältämä lämpöenergia mekaaniseksi energiaksi, ja niitäkin voidaan siten pitää höyrykoneina. Varsinainen höyrykone on nykyään melko harvinainen voimanlähde, vaikka niitä aiemmin käytettiin mm. pumpuissa, vetureissa, höyrylaivoissa sekä höyrytraktoreissa ja ne vaikuttivat merkittävästi teollisen vallankumouksen syntyyn. Nykyisin höyryvoimalaitoksissa käytetään höyryturbiineja höyryn sisältämän energian muuntamiseen sähköenergiaksi.
Höyrykoneen tarvitsema paineinen höyry tuotetaan höyrykattilassa. Lämmönlähde voi olla mikä vain, mutta yleisimmin käytetään puun, hiilen tai öljyn polttoa lämmön tuottamiseen. Muita vaihtoehtoja on, varsinkin hajautetussa energiantuotannossa kuten maakaasu, biokaasu, hake, jätteet, bensiini, etanoli, rypsiöljy tai vilja. Myös ydinreaktorit tuottavat höyryä muunnettavaksi edelleen sähköksi.
Höyrykoneessa höyry laajenee ja liikuttaa mäntää, joka puolestaan pyörittää varsinaista toimilaitetta, joka voi olla sähkögeneraattori, laivan potkuri, pumppu, kompressori tai junan veturi.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Höyrykoneen toiminta
Katso oheista kuva-animaatiota. Männän ollessa vasemmassa reunassa, sen yläpuolella liikkuva luisti on sellaisessa asennossa, että höyryputkesta tuleva höyry pääsee kanavistoa myöten sylinteriin männän vasemmalle puolelle. Männän oikealta puolelta on kanavan kautta yhteys poistoputkeen. Höyrynpaine työntää mäntää oikealle. Männän painuttua lähelle oikeanpuolimmaista ääriasentoaan luistin liike vaihtaa höyryn tulo- ja poistokanavat keskenään. Männän vasemmalla puolella käytetty höyry pääsee nyt purkautumaan poistoputken kautta joko ulkoilmaan tai lauhduttimeen, jossa se tiivistyy. Männän oikealle puolelle ohjatun höyryn paine lähtee työntämään mäntää vasemmalle ja kierto jatkuu. Kuvassa näkyy myös pyörivä keskipakosäädin, joka avaa tai sulkee tuolohöyryputkessa olevaa venttiiliä ja pyrkii siten säilyttämään pyörimisnopeuden vakiona.
Korkeapainekoneita käytetään höyryvetureissa ja -laivoissa. Lauhduttimelliset koneet ovat edullisia silloin, kun saatavissa on runsaasti kylmää vettä, siksi lauhduttimia käytetään mm. höyrylaivoissa.
[muokkaa] Historia
Ensimmäisen höyrykoneen, aeolipiilin, keksi kreikkalainen Heron Aleksandrialainen, joka yritti käyttää höyryä liikkeen aikaan saamiseksi, mutta mitään käytännön sovellutusta tälle laitteelle ei tiedetä. Ranskalainen Denis Papin suunnitteli 1690 männällisen sylinterin, jossa höyryn avulla aikaansaatu tyhjiö kehitti liikkeen. Hän myös kehitti ensimmäisenä ylipaineventtiilin, jolla voitiin säätää laitteen korkein sallittu paine. Ensimmäiset teolliset koneet suunnittelivat Thomas Savery vuonna 1698 ja Thomas Newcomen vuonna 1712. Vuonna 1769 James Watt patentoi ensimmäisenä nykyaikaisen höyrykoneen.
Ensimmäinen käytännöllinen höyryn avulla toimiva laite oli Saveryn kehittämä mäntäpumppu. Käytännöllisempi oli Newcomenin rakentama höyrykone, jossa höyrykattilasta laskettiin höyryä sylinteriin, jossa liikkuva mäntä nousi ylös. Sen jälkeen venttiili katkaisi höyryn tulon ja sylinteriin suihkutettiin kylmää vettä, jolloin syntyi alipaine höyryn tiivistyessä vedeksi paljon pienempään tilavuuteen ja männän yläpuolella vallitseva ulkoilman paine painoi männän alas. Tällä tavalla kuvan vipuvarsi saatiin liikkumaan vastaavasti. Kun vesi laskettiin sylinteristä ja uutta höyryä laitettiin tilalle, saatiin työkierto jälleen alkamaan.
Skotlantilainen insinööri James Watt kehitti tätä konetta edelleen melkein kuusikymmentä vuotta myöhemmin. Wattin tekemä olennaisin keksintö oli ulkopuolisen lauhduttimen käyttö. Muita parannuksia oli männän liitäminen sylinteriin jäykemmin nivelmekanismin avulla ketjun asemasta. Tällaista höyrykonetta kutsutaankin Wattin höyrykoneeksi. Siinä samoin kuin Newcomen koneessa varsinainen työpaine tuli vielä ulkopuolisesta ilmanpaineesta. Ulkopuolisella lauhduttimella kone saatiin toimimaan nopeammin. Planeettavaihteen avulla Watt ja Boulton tekivät ensimmäisen akselia pyörittävän koneen 1785. Watt myös lisäsi koneeseensa koneen käyntiä tasoittavan keskipakoventtiilin. Näillä muutoksilla höyrykoneen hyötysuhde parani selvästi ja sylinteri pystyi toimimaan määrätyssä lämpötilassa.
Sylinterin jäykällä kiinnityksellä, joka myöhemmin toteutettiin kammen avulla pystyttiin 1800-luvun alussa rakentamaan kaksitoiminen höyrykone, jossa mäntää liikutetaan molempiin suuntiin höyrynpaineella. Tätä varten tarvittiin luistiventtiili. Sen jälkeen oleellisia uudistuksia ovat olleet höyrykoneen kehityksessä ovat olleet höyryn paineen nostaminen ja useamman eripaineissa toimivan sylinterin käyttö.
