Історія винаходу парової машини2

Історія винаходу парової машини



Вважається, що велика індустріальна революція 18 століття сталася після винаходу парової машини. Доповідь про історію створення цього пристрою охоплює біографії вчених різних країн і епох, які займалися дослідженням енергії пари, а також огляд сконструйованих ними механізмів.

ККД теплових машин

Історія винаходу

Короткий зміст повідомлення про створення перших парових машин слід почати зі згадки Герона Олександрійського. Ще в першому столітті нашої ери цей дивовижний древній вчений коротко описав пристрій, який приводив в рух пар. Він назвав його “еоліпіл” – керований вітром.

Потоки гарячої пари, що виходять з клапанів, приводили конструкцію в дію. Греки не знали, що таке пар, і вважали, що вода при нагріванні переходить в гаряче повітря. Тому Герон був упевнений, що з сопла його машини виривається гарячий вітер.

Також Герон був першим, хто використав паровий двигун як водяний насос. До речі, багато дослідників вважають, що відкриття Герона могло вже в ті часи спровокувати початок промислової революції, проте практичного застосування ці машини в стародавньому світі не знайшли.

Чому? Швидше за все, за відсутністю необхідності, оскільки праця рабів і тварин була набагато дешевше, ніж виготовлення будь-яких машин, до яких ставилися не більше, як до іграшок.

Багато вчених намагалися звернути потужну енергію киплячої води на службу людству. Ось імена деяких першопрохідців, які працювали над створенням і вдосконаленням парових механізмів:

  • Архімед – захоплений грек придумав парову гармату одноразової дії. Він назвав її “супергрім” — архітроніто. Ескізи схожого пристрою також були знайдені в рукописах Леонардо да Вінчі, який був, в першу чергу, придворним винахідником, і тільки в другу — геніальним живописцем.
  • Тагі-аль-Діноме – арабський фізик, філософ, астроном, інженер. У шістнадцятому столітті створив машину, що нагадує парову турбіну. Лопаті оберталися за допомогою спрямованих на них потоків пари.
  • Архітектор Дж. Бранка в 1629 році опублікував книгу «різні машини». У ній він описаний аналог двигуна Герона, який використовувався, як парова ступа: до турбіни був приєднаний привід для дроблення руди.
  • Дені Папен – доктор, фізик. В сімнадцятому столітті сконструював перший у світі паровий двигун.
  • Олівер Еванс – удосконалив двигун, використавши замість вакууму пар високого тиску.
  • Джеймс Уатт – винахідник, інженер. В кінці вісімнадцятого століття винайшов тепловий двигун, поліпшену парову машину. Саме він міг би стати творцем першого у світі транспортного засобу на базі парового двигуна, але проєкт здався йому занадто небезпечним і ризикованим, внаслідок чого не був реалізований.
  • Нікола Жозеф Кюнью – французький військовий інженер, в 1769 році створив прародительку всіх безкінних засобів пересування. Вага цього дерев’янного возу становила близько 2800 кг. Конструкція мала два поршні, пари вистачало на 15 хвилин. Історія з вантажівкою Кюньо закінчилася не дуже вдало – він врізався в стіну, оскільки гальм не було.

Історія винаходу парових машин знала багатьох неєвропейських вчених. Перший схожий на сучасну турбіну, що приводиться в рух парою, механізм був винайдений в Єгипті в середині 1500-х років фізиком Тагі-аль-Діноме. Трохи пізніше в Італії було представлено схоже рішення.

Недоліком таких двигунів був досить низький коефіцієнт корисної дії (ККД), оскільки велика частина тепла розсіювалася в повітрі. З цієї причини подальший винахід подібних пристроїв тимчасово призупинився. Ще однією причиною була відсутність необхідності в таких речах.

Парова машина Джеймса Ватта
Парова машина Джеймса Ватта

Спроби практичного використання парового двигуна

Едвард Сомерсет показав паровий пристрій для підйому води на високі будови, але проєкт не отримав фінансування і був відкладений. Француз Дені Папен проводив досліди щодо відведення повітря з циліндра за допомогою вибуху пороху і зробив висновок, що вакуум створюється в процесі пароутворення. Для автоматизації процесу він використовував котел з водою, що постійно нагрівається. Це стало його винаходом. Також вчений створив запобіжний клапан.

Науковий прогрес неминуче слідує за усвідомленням необхідності змін. В Англії така термінова потреба якраз назрівала, оскільки вугледобувна промисловість країни виявлялася невигідною через величезну вартість відкачування води з рудників. Необхідно було придумати спосіб розв’язувати цю проблему, замінивши силу коней на більш раціональне рішення.

Військовий інженер Томас Севері створив перший паровий агрегат, що відкачує воду з рудників. Він отримав патент на свою так звану “вогняну машину” в 1698 році. У машині Севері, як і у Герона, використовувалися надлишковий тиск пари і вакуум, що виникає при конденсації.

Також він сконструював пристрій для пожежогасіння, але і він протримався недовго — його визнали небезпечним. Головним мінусом було те, що від високого тиску резервуар з рідиною міг вибухнути, саме це і відлякувало людей від нововведень.

Однак справжній переворот справили поршневі парові механізми. Томас Ньюкомен, виходець з народу, коваль за професією, інженер-самоучка, вивчив переваги і недоліки машин Севері, коли встановлював їх на рудниках.

У 1712 році він винайшов пристосування на базі двигуна Севері для відкачування води з глибоких шахт, яке можна назвати поршневим атмосферним двигуном. Цей двигун був популярним і користувалося успіхом, оскільки проблема із затопленням шахт вимагала вирішення. Недолік таких машин полягав в їх величезних розмірах і нікчемному ККД.

Олівер Еванс і Річард Тревітік у своїх конструкціях використовували пар, який подавався з підвищеним тиском — це значно збільшило потужність і ефективність, але підвищило число випадків вибуху котла.

У зв’язку з цим було прийнято рішення про використання запобіжного клапана Дені Папена, щоб знижувати надмірно високий тиск пари.

Двигун Савері
Двигун Савері

Поява конденсатора

В кінці 17 століття Джеймс Уатт створив тепловий двигун – поліпшену версію парової машини. У такій конструкції внутрішня енергія палива перетворювалася в механічну енергію поршня.

Уатт провів ряд дослідів над уже наявними моделями парових двигунів і переконався в їх неефективності. Він довів, що в них три чверті пари витрачаються без користі: під час кожного циклу пар повинен зігрівати циліндр, тому що перед ним там знаходилася холодна вода, оскільки від різниці температур створювався великий тиск.

Через це велика частина енергії витрачалася на обігрів, замість того, щоб бути перетвореною в механічну енергію. Він винайшов конденсатор-пристрій, що знижує тиск в циліндрі шляхом конденсації частини пари, камера згоряння була такої ж температури, як і пар, входить в неї.

Парові машини

Перший паровий автомобіль

У доповіді на тему винаходу парової машини не можна не згадати самохідний «віз». У 1769 французьким військовим інженером і винахідником Нікола Жозефом Кюнью був представлений цей перший у світі «автомобіль».

Він мав три дерев’яні колеса – одне переднє і два задніх, провідним було переднє колесо, на якому були зачепи для підвищення зчеплення з ґрунтом. Спереду був розміщений котел для нагріву води, поруч з ним знаходився циліндр, розташований у вертикальному положенні.

Машина виявилася практично некерованою. Також в конструкції не було гальм, внаслідок чого під час випробувань вона врізалася в стіну. Водночас цю машину можна вважати попередником паровозів і локомобілів (двигунів з локально розташованими вузлами).

Принцип дії парової турбіни

Принцип роботи і застосування парових двигунів

Для дії парової машини обов’язково потрібен паровий котел. Він являє собою двигун зовнішнього згоряння, оскільки паливо для нагріву котла згорає в топці, тобто поза основним механізмом (у двигуні внутрішнього згоряння процес горіння відбувається всередині циліндра).

Пар, який розширюється в котлі, тисне на поршень (в паровому двигуні) або на лопаті (в паровій турбіні), а їх рух передається механічним шляхом до решти деталей.

Існує кілька видів парових машин:

  • Локомобіль – установка, в якій пароутворюючий агрегат, поршень і інші елементи змонтовані разом, як один механізм. Звідси і назва (локальний — розташований в одному місці).
  • Тип компаунд – машина одиночної дії. Поршень переміщається в одну сторону під тиском пари, а назад повертається внаслідок інерційного обертання маховика, який приєднується до двигуна.
  • Тип тандем – машина подвійної дії. Була винайдена в 1782 році Джеймсом Уаттом. Тут пар по черзі подається в кожну сторону, штовхаючи поршень. У зв’язку з цим тут складніша система паророзподілу. У порівнянні з компаунд версією, ця має високу швидкість роботи і більшу плавність руху.

До середини 20 століття, коли вже досягли розквіту найскладніші галузі фізики, парові двигуни все ще застосовувалися там, де були необхідні їх позитивні властивості:

  • високий показник надійності;
  • можливість довготривалих перевантажень;
  • невибагливість;
  • невисокі витрати на експлуатацію;
  • відсутність спеціальних навичок для ремонту;
  • їх використання було вигідним.

Вони активно впроваджувалися на тепловитратних промислових підприємствах: заводах з виробництва цукру, паперових заводах, у залізничному та водному транспорті.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *