В каком году придумали паровой двигатель

Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.

Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.

Понятие

Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.

История изобретения

История изобретения паровых машин связана со знаниями древнегреческой цивилизации. Долгое время трудами этой эпохи никто не пользовался. В XVI веке была предпринята попытка создать паровую турбину. Работал над этим в Египте турецкий физик и инженер Такиюддин аш-Шами.

Интерес к этой проблеме вновь появился в XVII веке. В 1629 году Джованни Бранка предложил свой вариант паровой турбины. Однако изобретения теряли большое количество энергии. Дальнейшие разработки требовали соответствующих экономических условий, которые появятся позднее.

Первым, кто изобрел паровую машину, считается Дени Папен. Изобретение представляло собой цилиндр с поршнем, поднимающимся за счет пара и опускающимся в результате его сгущения. Такой же принцип работы имели устройства Сэвери и Ньюкомена (1705). Оборудование применяли для выкачивания воды из выработок при добыче полезных ископаемых.

Окончательно усовершенствовать устройство удалось Уатту в 1769 году.

Изобретения Дени Папена

Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».

Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.

В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.

К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана.

Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла.

Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.

Изобретения Томаса Ньюкомена

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.

Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.

Кратко можно пояснить созданную модель так:

• Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
• Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
• Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.

Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.

Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Изобретение Уатта

Первым изобрел оборудование компактных размеров, но достаточно мощное, Джеймс Уатт. Паровая машина была первой в своем роде. Механик из университета Глазго в 1763 году принялся чинить паровой агрегат Ньюкомена.

В результате ремонта он понял, как сократить расход топлива. Для этого необходимо было держать цилиндр в постоянно нагретом состоянии.

Однако паровая машина Уатта не могла быть готова, пока не решилась проблема конденсации пара.

Решение пришло, когда механик проходил мимо прачечных и заметил, что клубы пара выходят из-под крышек котлов. Он понял, что пар – это газ, и ему нужно перемещаться в цилиндре с пониженным давлением.

Добившись герметичности внутри парового цилиндра с помощью пеньковой веревки, пропитанной маслом, Уатт смог отказаться от атмосферного давления. Это стало большим шагом вперед.

В 1769 году механик получил патент, в котором прописывалось, что температура двигателя в паровой машине будет всегда равна температуре пара. Однако дела незадачливого изобретателя шли не так хорошо, как ожидалось. Он был вынужден заложить патент за долги.

В 1772 году он знакомится с Мэтью Болтоном, который был богатым промышленником. Тот выкупил и вернул Уатту его патенты. Изобретатель вернулся к работе, поддерживаемый Болтоном. В 1773 году паровая машина Уатта прошла испытание и показала, что потребляет угля значительно меньше своих аналогов. Через год в Англии начался выпуск его машин.

В 1781 году изобретателю удалось запатентовать свое следующее творение – паровую машину для приведения в движение промышленных станков. Спустя время все эти технологии позволят двигать при помощи пара поезда и пароходы. Это полностью перевернет жизнь человека.

Одним из людей, изменивших жизнь многих, стал Джеймс Уатт, паровая машина которого ускорила технический прогресс.

Изобретение Ползунова

Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.

Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.

Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.

Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.

Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.

Принцип действия

Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей.

Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.

Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.

Коэффициент полезного действия

КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.

КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.

Преимущества

Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.

История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию.

Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла.

Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.

Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.

В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям.

Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами.

При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.

Недостатки

К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.

Применение

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

• сахарные;
• спичечные;
• бумажные фабрики;
• текстильные;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

• автомобиль;
• трактор;
• экскаватор;
• самолет;
• локомотив;
• судно;
• тягач.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Стимпанк как веяние эпохи паровых машин

Говоря о паровых машинах, хочется упомянуть о популярном направлении – стимпанке. Термин состоит из двух английских слов — «пар» и «протест». Стимпанк — это вид научной фантастики, которая повествует о второй половине XIX века в викторианской Англии. Данный период в истории часто упоминается как Эпоха пара.

Все произведения имеют одну отличительную особенность – они повествуют о жизни второй половины XIX века, стиль повествования при этом напоминает роман Герберта Уэллса «Машина времени».

В сюжетах описываются городские пейзажи, общественные строения, техника. Особое место уделяется дирижаблям, старинным машинам, причудливым изобретениям.

Все металлические детали крепились при помощи клепок, поскольку сварку еще не применяли.

Термин «стимпанк» возник в 1987 году. Его популярность связана с появлением романа «Разностная машина». Написан он был в 1990 году Уильямом Гибсоном и Брюсом Стерлингом.

В начале XXI века в этом направлении было выпущено несколько известных кинофильмов:

• «Машина времени»;
• «Лига выдающихся джентльменов»;
• «Ван Хельсинг».

К предтечам стимпанка можно отнести произведения Жюля Верна и Григория Адамова. Интерес к этому направлению время от времени проявляется во всех сферах жизни – от кинематографа до повседневной одежды.

Паровые машины. Часть первая — двигатель

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и ветряных мельниц на совершенно новые и уникальные механизмы – паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь последующий прогресс человечества.

Первые опыты использования пара в механике были предприняты еще на заре нашей эры Героном Александрийским. Его устройство представляло собой шар с двумя закрученными выходными трубками-соплами, выходя из которых пар приводил шар в движение. Машина получила название эолипил или «сфера Герона».

Существует предположение, что сам Герон непричастен к созданию данного механизма – он лишь первый его описал в своем труде «Пневматика», а сами лавры изобретателя принадлежат Ктесибию Александрийскому, жившему на 300 лет ранее.

Однако в любом случае устройство, в силу своей ненадобности, было забыто более чем на полторы тысячи лет.

Позднее, уже в XVI веке, арабский философ и изобретатель Таги-аль-Диноме усовершенствовал машину Герона, заменив шар на колесо, приводимое в движение струей пара, направленной прямо на лопасти колеса. Нечто похоже предлагал позднее и итальянский инженер Джованни Бранка.

Машина, именованная паровой турбиной, имела один очень большой недостаток – огромный расход пара, а соответственно и низкий коэффициент полезного действия.

И снова дальнейшего развития работа над паровой машиной не получила – все еще не была ясна сфера применения данных исследований.

В 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

И вот, наконец, к концу века французский врач Дени Папен изобрел первый паровой котел. В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень.

В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались. К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде.

Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла.

Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.

Конечно, Папена это не остановило. На свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.

Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел.

Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты.

Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.

Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи. Уже к 1712 году он создал свою первую модель.

Агрегат Ньюкомена поднимал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.

В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год. Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно.

На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.

Годы шли. И промышленная революция накрывала все больше и больше стран. Первенство и лидерство среди других держав доставалось неизменно Англии.

К концу восемнадцатого века именно Великобритания стала создательницей крупной промышленности, благодаря чему завоевала титул всемирной монополистки в данной отрасли.

Вопрос о механическом двигателе с каждым днем становился все более актуальным. И такой двигатель был создан.

1784 год стал для Англии и для всего мира переломным моментом в промышленной революции. И человеком, ответственным за это, стал английский механик Джеймс Уатт. Паровая машина, которую он создал, стала самым громким открытием века.

На основании предыдущих опытов работ по созданию пароатмосферных машин он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм.

Новая паровая машина была сконструирована так, что цилиндр, заключенный в специальную рубашку из пара, постоянно находился в нагретом состоянии. Кроме того, Уатт так же создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду – конденсатор.

Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду.

Таким образом, весь пар, попадавший из цилиндра, конденсировался в нем. Благодаря этому нововведению очень сильно увеличивался процесс расширения пара, что в свою очередь позволяло извлекать из того же количества пара намного больше энергии.

Это был венец успеха. Создатель паровой машины также изменил и принцип подачи воздуха. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская.

Таким образом, оба хода поршня в механизме стали рабочими, что ранее даже не представлялось возможным. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у пароатмосферных машин, чего и добивался Джеймс Уатт.

Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, ну а затем и целый мир.

Изобретение парового двигателя

Изобретение парового двигателя

Схема паровой машины Джеймса Уатта (1775 г.)

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.

: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей.

Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум.

После этого вода — например со дна шахты — засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх.

Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления.

Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз.

Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740-х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все-таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса.

Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение.

Вот здесь-то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя.

Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди-профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г.

Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро-атмосферную машину в паровую.

Например, он изобрел шарнирный механизм — «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев — рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала.

Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.

Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать.

Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм[102] для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности — лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Паровой двигатель создали три века назад — он изменил мир сильнее, чем смартфоны и интернет

Наука и технологии Ровно 322 года назад, 2 июля 1698 года английский ученый Томас Севери запатентовал первый паровой двигатель.

Полностью его труд звучит так: «новое изобретение для подъема воды для всех видов мельниц с помощью двигательной силы огня.» Впоследствии механизм нарекли «Машиной Севери» или «огненным двигателем». Патент был выдан сроком на 14 лет, а позже продлен до 21 года.

Как паровые двигатели изменили облик всего мира

По словам ученого, это изобретение произошло абсолютно случайно. На самом деле, «Машина Севери» — это всего лишь паровой насос. В основу его конструкции не входили цилиндр с поршнем или какие-либо другие детали, приводимые в движение.

Однако пар для работы насоса генерировался в отдельном котле. Именно это открытие впоследствии позволило другим ученым разработать и внедрить в механические устройства реальные паровые двигатели.

«Машина Севери», в свою очередь, отличалась низкой эффективностью и прерывистой работой (воду приходилось откачивать разными порциями).

Первый прототип паровоза (поезда, оснащенного паровым двигателем) был построен в 1769 году военным инженером Николя-Жозе Кюньо. Именно паровой двигатель привёл к взрывному росту промышленности в XVIII-XIX веках.

Железнодорожные составы, корабли, водяные насосы, станки на заводах и фабриках, котельные, первая моторизированная сельская техника, деревообрабатывающие предприятия, ранние автомобили и грузовики — буквально всё держалось на паровых двигателях, пока их не заменили электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания в конце XIX — начале XX веков.

Именно на таких двигателях, примитивных и проблемных по современным меркам, двигателях обработка и логистика материалов постепенно пришли в кондицию, при которой мир стал готов к внедрению цифровых высокотехнологичных продуктов, как интернет и смартфоны. Без «гонки вооружений» в транспорте и технологичных заводах мир бы ещё долго стагнировал.

Да что и говорить — до изобретения парового двигателя путешествовать между городами было большой проблемой, а до поездов по железной дороге ездили… лошади, которые были медленными и быстро уставали.

Кстати, немного позже именно Севери впервые использовал такое понятие, как «лошадиная сила».

…1900 года был совершен первый полет на дирижабле жесткого типа. Воздушный аппарат под названием LZ-1 (Luftschiff Zeppelin) спроектировал и создал граф Фердинанд фон Цеппелин. Всего история цепеллинов насчитывает 119 моделей, большая часть из которых поставлялась армии и флоту. LZ-1 стал первым дирижаблем, созданным из алюминия.

Длина аппарата составляла 128 метров (дирижабль собирали на воде) при диаметре 11,7 м. Каркас аппарата (две гондолы) был создан из алюминия. В его основе лежали два двигателя мощностью 14,7 л.с. каждый с общим весом 420 кг.

Моторы приводили во вращение по два алюминиевых винта диаметром до 1,25 м. Дирижабль был построен в плавучем эллинге на Боденском озере. Для безопасности летательный аппарат садился только на воду.

Затем при помощи 28 канатов дирижабль втягивался в эллинг.

Как родились и почему вымерли дирижабли?

Первая попытка запустить LZ-1 в небо, как мы уже отметили, осуществилась 2 июля. Экипаж летательного аппарата насчитывал пять человек. В итоге во время полета наблюдались серьезные прогибы ферм. Из-за них скорость полета снизилась до 15 км/ч.

Время нахождения в воздухе составило всего 18 минут. Плюс были получены повреждения при посадке на воду. Вторая попытка была совершена 17 октября — после капитального ремонта. А третья — 21 октября, в результате которой дирижабль поднялся на высоту 400 метров и разогнался до 28,1 км/ч.

Полет продолжался ровно 121 минуту.

К сожалению, даже относительно успешные экспериментальные полеты не убедили инвесторов вложиться в серийное производство «алюминиевых цепеллинов». В первую очередь сказалась высокая стоимость производства такого типа летательных аппаратов. Как это часто бывает в современном мире, разработка сильно опередила свое время.

2 июля 2001 года была совершена первая операция по имплантации «искусственного сердца». Девайс под названием AbioCor был установлен американцу Роберту Тулзу. К сожалению, 30 ноября 2001 года в возрасте 59 лет он скончался. Роберт прожил с «искусственным сердцем» ровно 151 день.

AbioCor разработан компанией Abiomed. Аппарат полностью располагается в организме пациента и работает от встроенного аккумулятора. Подзарядка батареи осуществляется от внешнего источника питания прямо через кожу. Таким образом, он не нуждается в проводах.

Можно ли выжить с современным искусственным сердцем?

Первое поколение AbioCor обладало рядом ограничений. Основные касались веса и роста пациента. Именно поэтому «искусственное сердце» вживляли только мужчинам.

Внутренняя батарея AbioCor позволяла пациенту свободно перемещаться в течение часа. При установленном внешнем источнике питания этот срок удваивался. Аппарат подзаряжался от обычной электросети.

Срок годности AbioCor составлял 18 месяцев.

К 2004 году «искусственным сердцем» от Abiomed обзавелись 14 пациентов. Аппарат назначался только тем, чья смерть, вызванная тяжелой сердечной недостаточностью, была неминуемой. Роберт Тулз продержался 151 день. На сегодняшний день существуют случаи, когда с «искусственным сердцем» пациенты проживали 10 и даже 17 месяцев.

Паровая машина

Паровая машина — тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня.

Ра­бо­чий про­цесс паровой машины обу­слов­лен пе­рио­дическими из­ме­не­ния­ми дав­ле­ния па­ра в ци­лин­д­ре (пар, по­сту­паю­щий в ци­линдр паровой машины, рас­ши­ря­ет­ся и пе­ре­ме­ща­ет пор­шень).

Воз­врат­но-по­сту­пательное дви­же­ние порш­ня пре­об­ра­зу­ет­ся с по­мо­щью кри­во­шип­но­го ме­ха­низ­ма во вра­щательное дви­же­ние ва­ла.

В паровой машине двой­но­го дей­ст­вия (по­вы­ша­ет ско­рость ра­бо­ты, улуч­ша­ет плав­ность хо­да) пар, с по­мо­щью си­сте­мы па­ро­рас­пре­де­ле­ния, по­оче­рёд­но по­да­ёт­ся по обе сто­ро­ны ци­ли­нд­ра, от­ра­бо­тан­ный пар с дру­гой сто­ро­ны вы­хо­дит в ат­мо­сфе­ру или в кон­ден­сат. Для сни­же­ния те­п­ло­вых по­терь ци­линдр паровой машины ок­ру­жа­ет­ся па­ро­вой ру­баш­кой (ка­ме­ра для под­дер­жа­ния при­мер­но по­сто­ян­ной температуры сте­нок ци­лин­д­ра).

Паровые машины раз­де­ля­ют­ся по на­зна­че­нию — на ста­цио­нар­ные, не­ста­цио­нар­ные (пе­ре­движ­ные и транс­порт­ные); по ис­поль­зуе­мо­му па­ру — низ­ко­го дав­ле­ния (до 1,2 МПа), среднего дав­ле­ния (до 6 МПа), вы­со­ко­го дав­ле­ния (свыше 6 МПа); по чис­лу обо­ро­тов ва­ла — ти­хо­ход­ные (до 50 об/мин), бы­ст­ро­ход­ные (до 1000 об/мин); по дав­ле­нию вы­пус­кае­мо­го па­ра — кон­ден­са­ци­он­ные (дав­ле­ние в кон­ден­са­то­ре 0,01-0,02 МПа), вы­хлоп­ные (дав­ле­ние 0,11-0,12 МПа), те­п­ло­фи­кационные с от­бо­ром па­ра на на­гре­вательной це­ли или для па­ро­вых тур­бин (дав­ле­ни­ем от 0,12 МПа до 6 МПа) в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния от­бо­ра (например, ото­пле­ние, ре­ге­не­ра­ция, тех­но­ло­гические про­цес­сы); по рас­по­ло­же­нию ци­лин­д­ров — го­ри­зон­таль­ные, на­клон­ные, вер­ти­каль­ные; по чис­лу ци­лин­д­ров — од­но­ци­лин­д­ро­вые, мно­го­ци­лин­д­ро­вые, сдво­ен­ные, стро­ен­ные и другие, в ко­то­рых ка­ж­дый ци­линдр пи­та­ет­ся пер­вич­ным па­ром од­них и тех же па­ра­мет­ров (вклю­че­ны па­рал­лель­но). Раз­ли­ча­ют паровые машины мно­го­крат­но­го рас­ши­ре­ния, в ко­то­рых пар по­сле­до­ва­тель­но рас­ши­ря­ет­ся в 2, 3, 4 ци­лин­д­рах воз­рас­таю­ще­го объ­ё­ма, пе­ре­хо­дя из ци­лин­д­ра в ци­линдр че­рез так называемые ре­си­ве­ры (кол­лек­то­ры). Осо­бую груп­пу со­став­ля­ют пря­мо­точ­ные паровые машины, в ко­то­рых вы­пуск па­ра из по­лос­ти ци­лин­д­ра осу­ще­ст­в­ля­ет­ся кром­кой порш­ня (че­рез до­пол­нительное ок­но, от­кры­ваю­щее­ся порш­нем в кон­це ка­ж­дой фа­зы, че­рез ко­то­рое пар по­ки­да­ет ци­линдр), что по­вы­ша­ет эф­фек­тив­ность ма­ши­ны.

Пер­вое из­вест­ное уст­рой­ст­во, при­во­ди­мое в дви­же­ние па­ром (эо­ли­пил), бы­ло опи­са­но Ге­ро­ном Алек­сан­д­рий­ским. Пер­вые опы­ты с па­ром в ка­че­ст­ве сред­ст­ва для при­во­да про­во­ди­лись ещё в XVII веке. В 1680 году Д.

 Па­пен изо­брёл па­ро­вой ко­тёл, в 1698 году Т. Се­ве­ри изо­брёл паровую машину для от­кач­ки во­ды из шахт (па­ро­вой на­гне­та­тель­но-вса­сы­ваю­щий на­сос).

В 1707 году на­сос Се­ве­ри был вы­писан Пет­ром I и ус­та­нов­лен в Лет­нем са­ду в Санкт-Пе­тер­бур­ге для по­да­чи во­ды в фон­тан.

Со­вер­шен­ст­во­ва­ние и ин­тен­сив­ное ис­поль­зо­ва­ние паровой машины на­ча­лось с XVIII века, ко­гда основной не­дос­та­ток гид­ро­си­ло­вых ус­та­но­вок (за­ви­си­мость от ме­ст­ных ус­ло­вий) стал пре­пят­ст­во­вать раз­ви­тию ме­тал­лур­гических пред­при­ятий, вне­дре­нию в про­изводство пря­диль­ных, ткац­ких ма­шин и других.

В 1712 году Т. Нью­ко­мен изо­брёл паровую машину для при­во­да шахт­ных на­со­сов. В Рос­сии паровая машина Нью­ко­ме­на бы­ла ус­та­нов­ле­на в 1772 году в Крон­штад­те для от­кач­ки во­ды из до­ка. Пер­вая в Рос­сии паровая машина по­строе­на И.И. Пол­зу­но­вым в 1764-1766 годы для при­во­да воз­ду­хо­дув­ных ме­хов пла­виль­ных пе­чей.

Пер­вая паровая машина как уни­вер­саль­ный дви­га­тель впер­вые соз­да­на Дж. Уат­том в 1774-1784 годы. В Рос­сии Паровую машина Уат­та впер­вые ста­ли из­го­тов­лять под руководством К.К. Гас­кой­на на Алек­сан­д­ров­ской ма­ну­фак­ту­ре в 1805; од­на из ма­шин мощ­но­стью 60 л. с.

(44,1 кВт) в 1820 году бы­ла по­став­ле­на на Санкт-Пе­тербургский мо­нет­ный двор. На­чи­ная с 1820 года Е.А. и М.Е. Че­ре­па­но­вы по­строи­ли около 20 паровых машин мощ­но­стью от 2 до 60 л. с. (от 1,47 до 44,1 кВт).

Паровые машины ис­поль­зо­ва­лись как при­вод­ной дви­га­тель в на­сос­ных стан­ци­ях, па­ро­во­зах, па­ро­хо­дах, па­ро­вых ав­то­мо­би­лях и других транс­порт­ных сред­ст­вах.

Паровая машина уже ко 2-й половине XIX века дос­тиг­ла вы­со­кой сте­пе­ни со­вер­шен­ст­ва. За 100 лет раз­ви­тия мощ­ность паровой машины по­вы­си­лась от 5-10 л. с. (3,68–7,35 кВт) до 20000 л. с. (14,7 МВт); дав­ле­ние по­да­вае­мо­го па­ра от 0,01 МПа до 12 МПа; температура па­ра от 100 до 400 °C; чис­ло обо­ро­тов от 20-30 до 1000 об/мин.

Од­на­ко в середине XX века паровые машины бы­ли вы­тес­не­ны дви­га­те­ля­ми внутреннего сго­ра­ния, па­ро­вы­ми тур­би­на­ми, кпд ко­то­рых вы­ше.

В сво­ём раз­ви­тии паровые машины спо­соб­ст­во­ва­ли по­яв­ле­нию но­вых об­лас­тей зна­ния; со­здан­ные на ос­но­ве про­из­водственного опы­та паровые машины по­ста­ви­ли пе­ред учё­ны­ми ряд во­про­сов, раз­ре­ше­ние ко­то­рых соз­да­ло но­вую нау­ку — тех­ническую тер­мо­ди­на­ми­ку.

© Большая Российская Энциклопедия (БРЭ)

Литература

• Край­нов А. В., Шва­ло­ва Г.В. Ос­но­вы те­п­ло­энер­ге­ти­ки. Томск, 2011
• Те­п­ло­тех­ни­ка / Под ред. В. Н. Лу­ка­ни­на. 7-е изд. М., 2009
• Ли­пов Ю. М., Треть­я­ков Ю. М. Ко­тель­ные ус­та­нов­ки и па­ро­ге­не­ра­то­ры. 2-е изд. М.; Ижевск, 2005
• Жи­риц­кий Г. С. Па­ро­вые ма­ши­ны. 6-е изд. М., 1951