История создания паровой машины и ее применение

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 прогресс человечества.

Но кто изобрел паровую машину? Кому человечество этим обязано? И когда это было? На все эти вопросы и постараемся найти ответы.

Еще до нашей эры

История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару.

Создатель паровой машины (а точнее, турбины) – Таги-аль-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в XVI веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара направляли прямо на механизм с лопастями, и когда дым валил – лопасти вращались. Нечто подобное в 1629 году предлагал и итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был слишком большой расход пара, что в свою очередь требовало огромных затрат энергии и не было целесообразно. Разработки были приостановлены, так как тогдашних научных и технических знаний человечества было недостаточно. Кроме того, надобность в таких изобретениях напрочь отсутствовала.

Разработки

До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.

История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферной машины. В 1681 году ученый из Франции Дени Папен изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина. Огромный вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь также оказал русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.

Неудавшаяся попытка Папена

Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен 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.

Ошибка

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.

Последователи

Однако история создания паровой машины на этом не закончилась. Следующим, уже гораздо более удачливым, чем Папен, оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, делая упор на слабые места. И взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. Новая паровая машина (фото представлено) была сконструирована следующим образом: использовались цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из работ Папена. Однако пар образовывался уже в другом котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Данная машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты при помощи атмосферного давления). Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах. Ее использовали для откачивания грунтовых вод, а также для осушки кораблей. Томас Ньюкомен пытался преобразовать свою машину так, чтобы была возможность применять ее для движения транспорта. Однако все его попытки не увенчались успехом.

Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Его разработка оказал более удачной, чем у Папена. Сразу же было выпущено несколько таких суден. В основном они использовались для того, чтобы буксировать баржи, корабли и другие суда. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.

И хотя Хуллу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно потеряли актуальность, и от них отказались. Все-таки у пароатмосферных машин того времени было множество специфических недостатков.

История создания паровой машины в России

Следующий прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед родиной даже дали офицерское звание. Изобретатель представил своему начальству чертежи и планы «огненной машины», способной приводить в действие воздуходувные мехи.

Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят, а машина собрана, он заболел и умер от чахотки — всего за неделю до того, как начались испытания его двигателя. Однако его инструкций оказалось достаточно, чтобы завести двигатель.

Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и поставлена под нагрузку. Однако уже в ноябре того же года она сломалась. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенного для нагрузки. Причем изобретатель в своих инструкциях писал, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко бы окупилось, ведь КПД паровой машины Ползунова был положительный. За 1023 часа работы с ее помощью выплавили серебра 14 с лишним пудов!

Но несмотря на это, никто ремонтировать механизм не стал. Паровая машина Ползунова пылилась более 15 лет на складе, пока мир промышленности не стоял на месте и развивался. А потом и вовсе была разобрана на запчасти. Видимо, в тот момент Россия еще не доросла до паровых двигателей.

Требования времени

Между тем жизнь на месте не стояла. И человечество постоянно задумывалось над тем, чтобы создать механизм, позволяющий не зависеть от капризной природы, а самим управлять судьбой. От паруса все хотели отказаться как можно быстрее. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно висел в воздухе. В 1753 году в Париже был выдвинут конкурс среди мастеров, ученых и изобретателей. Академия наук объявила награду тому, кто сможет создать механизм, способный заменить силу ветра. Но несмотря на то что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, дельного предложения не вынес никто.

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.

Первая паровая машина в мире

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.

Джеймс Уатт на протяжении нескольких лет изучал чертежи, строение и принципы работы пароатмосферных машин. И на основании всего этого он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм. Главный минус пароатмосферных машин заключался в постоянной необходимости охлаждения цилиндра водой. Это было расходно и неудобно.

Новая паровая машина была сконструирована иным образом. Так, цилиндр заключался в специальную рубашку из пара. Таким образом Уатт добился его постоянного нагретого состояния. Изобретатель создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду (конденсатор). К нему трубой присоединялся цилиндр. Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду. Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал разрежение в конденсаторе. 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.

«Шарлотта Дандас»

После того как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое применение паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появился первый корабль на пару – катер «Шарлотта Дандас». Его создателем считается Уильям Саймингтон. Катер применялся в качестве буксировки барж по каналу. Роль движителя на судне играло гребное колесо, установленное на корме. Катер с первого раза успешно прошел испытания: отбуксировал две огромные баржи на 18 миль за шесть часов. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.

И все-таки его поставили на прикол, потому что опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала будут размыты. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого весь мир сегодня считает создателем первого парохода.

Английский судостроитель Роберт Фултон с юношеских лет мечтал о судне с паровым двигателем. И вот его мечта стала осуществима. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроительстве. Вместе с посланником из Америки Р. Ливингстоном, который взял на себя материальную сторону вопроса, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее весельного движителя. По бортам судна тянулись в ряд плицы, имитирующие множество весел. При этом плицы то и дело мешали друг другу и ломались. Сегодня можно с легкостью сказать, что тот же эффект мог быть достигнут всего при трех-четырех плицах. Но с позиции науки и техники того времени это увидеть было нереально. Поэтому судостроителям приходилось намного сложнее.

В 1803 году изобретение Фултона было представлено всему миру. Пароход медленно и ровно шел по Сене, поражая умы и воображение многих ученых и деятелей Парижа. Однако правительство Наполеона отвергло проект, и раздосадованные судостроители вынуждены были искать счастья в Америке.

И вот в августе 1807 года первый в мире пароход под названием «Клермонт», в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пошел по Гудзонскому заливу. Многие тогда просто не верили в успех.

В свой первый рейс «Клермонт» отправился без грузов и без пассажиров. Никто не хотел отправляться в путешествие на борту огнедышащего судна. Но уже на обратном пути появился первый пассажир – местный фермер, заплативший шесть долларов за билет. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так сильно растроган, что предоставил смельчаку пожизненный бесплатный проезд на всех своих изобретениях.

История изобретения паровых машин

Статья опубликована 26.06.2014 05:49

Последняя правка произведена 20.08.2015 07:33

Определение

Паровая машина — двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Изобретение…

История изобретения паровых машин начинает свой отсчет еще с первого столетия нашей эры. Нам становится известно устройство, описанное Героном Александрийским, и приводимое в действие паром. Пар, выходящий из сопл по касательной, закреплённых на шаре, заставлял двигатель вращаться. Настоящая же паровая турбина была изобретена в средневековом Египте гораздо позднее. Ее изобретателем является арабский философ, астроном и инженер 16 века Таги-аль-Диноме. Вертел с лопастями начинал вращаться благодаря потокам пара, направленным на него. В 1629 г. подобное решение было предложено итальянским инженером Джованни Бранка. Главным минусом этих изобретений было то, что потоки пара были рассеивающимися, а это безусловно приводит к большим потерям энергии.

Дальнейшее развитие паровых машин, не могло происходить без подобающих условий. Необходимо было и экономическое благополучие и необходимость данных изобретений. Естественно этих условий не было и не могло быть до 16 века, в виду столь низкого уровня развития. В конце 17 века была создана пара экземпляров сих изобретений, но серьезно воспринята не была. Создателем первой является испанец Аянс де Бомонт. Эдвард Сомерсет — ученый из Англии в 1663 году опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан. Но поскольку все новое трудно воспринимается человеком, то финансировать данный проект никто не решился. Создателем парового котла считается француз Дени Папен. В ходе проведения опытов по вытеснению воздуха из цилиндра, посредством взрыва пороха, он выяснил, что полный вакуум можно получить только с помощью кипящей воды. А чтобы цикл был автоматический, необходимо чтобы пар производился отдельно в котле. Папену приписывают изобретение лодки, которое приводилось в движение посредством реактивной силы в комбинации концепций Таги-аль-Дина и Севери; также его изобретением считается предохранительный клапан.

Все описанные устройства не были использованы и признаны практичными. Даже «пожарная установка», которую в 1698 году сконструировал Томас Севери, прослужила не долго. Из-за высокого давления создаваемого паром в емкостях с жидкостями, они часто взрывались. Поэтому его изобретение посчитали небезопасным. В свете всех этих неудач история изобретения паровых машин могла бы прерваться, но нет.

На картинках изображен паровой тягач Куньо. Как можно заметить, он был очень громоздким и неудобным в управлении.

Английским кузнец, Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Он представлял собой усовершенствованную модель парового двигателя Севери. Он получил свое применение в качестве откачки воды из шахт. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, подававшему воду вверх. Двигатель Ньюкомена был популярен и пользовался спросом. Именно с появлением данного двигателя принято связывать начало английской промышленной революции. В России первая вакуумная машина была спроектирована И.И.Ползуновым в 1763 году, а через год проект был воплощен в жизнь. Она приводила в действие воздуходувные меха на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Идея Оливера Эванса и Ричарда Тревитика, о использовании паров высокого давления, принесла значительные результаты. Р.Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Не смотря на увеличение эффективности, так же возросло количество случаев взрывов котлов, которые не выдерживали огромного давления. Поэтому принято было использовать предохранительный клапан, для выпуска излишнего давления.

Французский изобретатель Николас-Йозеф Куньо продемонстрировал в 1769 году первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровая телега). Его изобретение можно посчитать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор используемый в качестве мобильного источника механической энергии показал свою эффективность, он приводил в движение различные СХ машины. В 1788 году был построен, Джоном Фитчем пароход, который осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией и Берлингтоном. Он обладал вместимостью всего 30 человек, а передвигался со скоростью до 12 км/ч. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой поезд, который был построен Ричардом Тревитиком.

История создания паровой машины

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.

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:

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.

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 прогресс человечества.

Еще до нашей эры

История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару.

Создатель паровой машины (а точнее, турбины) – Таги-аль-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в XVI веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара направляли прямо на механизм с лопастями, и когда дым валил – лопасти вращались. Нечто подобное в 1629 году предлагал и итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был слишком большой расход пара, что в свою очередь требовало огромных затрат энергии и не было целесообразно. Разработки были приостановлены, так как тогдашних научных и технических знаний человечества было недостаточно. Кроме того, надобность в таких изобретениях напрочь отсутствовала.

Разработки

До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.

Неудавшаяся попытка Папена

Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен 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.

Ошибка

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.

Последователи

Однако история создания паровой машины на этом не закончилась. Следующим, уже гораздо более удачливым, чем Папен, оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, делая упор на слабые места. И взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. Новая паровая машина (фото представлено) была сконструирована следующим образом: использовались цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из работ Папена. Однако пар образовывался уже в другом котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Данная машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты при помощи атмосферного давления). Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах. Ее использовали для откачивания грунтовых вод, а также для осушки кораблей. Томас Ньюкомен пытался преобразовать свою машину так, чтобы была возможность применять ее для движения транспорта. Однако все его попытки не увенчались успехом.

Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Его разработка оказал более удачной, чем у Папена. Сразу же было выпущено несколько таких суден. В основном они использовались для того, чтобы буксировать баржи, корабли и другие суда. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.

И хотя Хуллу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно потеряли актуальность, и от них отказались. Все-таки у пароатмосферных машин того времени было множество специфических недостатков.

История создания паровой машины в России

Следующий прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед родиной даже дали офицерское звание. Изобретатель представил своему начальству чертежи и планы «огненной машины», способной приводить в действие воздуходувные мехи.

Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят, а машина собрана, он заболел и умер от чахотки – всего за неделю до того, как начались испытания его двигателя. Однако его инструкций оказалось достаточно, чтобы завести двигатель.

Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и поставлена под нагрузку. Однако уже в ноябре того же года она сломалась. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенного для нагрузки. Причем изобретатель в своих инструкциях писал, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко бы окупилось, ведь КПД паровой машины Ползунова был положительный. За 1023 часа работы с ее помощью выплавили серебра 14 с лишним пудов!

Но несмотря на это, никто ремонтировать механизм не стал. Паровая машина Ползунова пылилась более 15 лет на складе, пока мир промышленности не стоял на месте и развивался. А потом и вовсе была разобрана на запчасти. Видимо, в тот момент Россия еще не доросла до паровых двигателей.

Требования времени

Между тем жизнь на месте не стояла. И человечество постоянно задумывалось над тем, чтобы создать механизм, позволяющий не зависеть от капризной природы, а самим управлять судьбой. От паруса все хотели отказаться как можно быстрее. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно висел в воздухе. В 1753 году в Париже был выдвинут конкурс среди мастеров, ученых и изобретателей. Академия наук объявила награду тому, кто сможет создать механизм, способный заменить силу ветра. Но несмотря на то что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, дельного предложения не вынес никто.

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.

Первая паровая машина в мире

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.

Джеймс Уатт на протяжении нескольких лет изучал чертежи, строение и принципы работы пароатмосферных машин. И на основании всего этого он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм. Главный минус пароатмосферных машин заключался в постоянной необходимости охлаждения цилиндра водой. Это было расходно и неудобно.

Новая паровая машина была сконструирована иным образом. Так, цилиндр заключался в специальную рубашку из пара. Таким образом Уатт добился его постоянного нагретого состояния. Изобретатель создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду (конденсатор). К нему трубой присоединялся цилиндр. Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду. Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал разрежение в конденсаторе. 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.

«Шарлотта Дандас»

После того как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое применение паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появился первый корабль на пару – катер «Шарлотта Дандас». Его создателем считается Уильям Саймингтон. Катер применялся в качестве буксировки барж по каналу. Роль движителя на судне играло гребное колесо, установленное на корме. Катер с первого раза успешно прошел испытания: отбуксировал две огромные баржи на 18 миль за шесть часов. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.

И все-таки его поставили на прикол, потому что опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала будут размыты. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого весь мир сегодня считает создателем первого парохода.

Первый пароход в мире

Английский судостроитель Роберт Фултон с юношеских лет мечтал о судне с паровым двигателем. И вот его мечта стала осуществима. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроительстве. Вместе с посланником из Америки Р. Ливингстоном, который взял на себя материальную сторону вопроса, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее весельного движителя. По бортам судна тянулись в ряд плицы, имитирующие множество весел. При этом плицы то и дело мешали друг другу и ломались. Сегодня можно с легкостью сказать, что тот же эффект мог быть достигнут всего при трех-четырех плицах. Но с позиции науки и техники того времени это увидеть было нереально. Поэтому судостроителям приходилось намного сложнее.

В 1803 году изобретение Фултона было представлено всему миру. Пароход медленно и ровно шел по Сене, поражая умы и воображение многих ученых и деятелей Парижа. Однако правительство Наполеона отвергло проект, и раздосадованные судостроители вынуждены были искать счастья в Америке.

И вот в августе 1807 года первый в мире пароход под названием «Клермонт», в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пошел по Гудзонскому заливу. Многие тогда просто не верили в успех.

В свой первый рейс «Клермонт» отправился без грузов и без пассажиров. Никто не хотел отправляться в путешествие на борту огнедышащего судна. Но уже на обратном пути появился первый пассажир – местный фермер, заплативший шесть долларов за билет. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так сильно растроган, что предоставил смельчаку пожизненный бесплатный проезд на всех своих изобретениях.

О истории развития парового двигателя, достаточно подробно описано в этой статье. Тут же – наиболее известные решения и изобретения времен 1672-1891 года.

Первые наработки.

Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина, известная также как паровой котел.

Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.

Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.

Применение паровых машин на практике.

Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме.

Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля. Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины. В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.

В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.

Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.

Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин

№ 69: Паровые двигатели в Англии

История и развитие парового двигателя

A
Паровая машина — это тепловая машина, использующая
термального
энергии, которая содержится в паре, превращая ее в механическую работу. Готовить на пару
двигатели использовались в насосах, локомотивах и пароходах,
и были необходимы для промышленной революции.
Они до сих пор используются для выработки электроэнергии с использованием пара.
турбина.

А
паровому двигателю нужен котел для кипячения воды для производства пара под давлением.
Любой источник тепла может
можно использовать, но наиболее распространенным является дровяной или угольный костер. Все, что можно сжечь
можно использовать в качестве топлива для костра: бумага, мусор, отработанное картерное масло, перемолотые
кукурузные початки, навоз, природный газ, бензин, крепкий спирт, сухая трава, сено, сухая
сорняки и т. д. Пар расширяется и давит на поршень или турбину, движение которых
выполняет работу по повороту колес.

Изобретение

Эолипил

было изобретено первое паровое устройство, эолипил .
Герон Александрийский,
грек,
в 1-м
века нашей эры, но использовался только как игрушка.

Денис
Папен, французский физик, построил действующую модель паровой машины после наблюдений.
пар, выходящий из его скороварки примерно через
1679. Сэр Сэмюэл
Морланд также разработал идеи парового двигателя в тот же период. Рано
промышленные паровые машины были спроектированы Томасом Савери (169 г.8), Томас Ньюкомен (1712 г.) и Джеймс Уатт
(1769), каждое добавление
новые уточнения. В 1807 году Роберт Фултон использовал паровую
двигатель для первого коммерчески успешного парохода.

Ранний
двигатели работали за счет вакуума конденсирующегося пара, тогда как
более поздние типы (например, паровозы) использовались
мощность расширяющегося пара.

Использование
и разработка

А
схема аэропаровой машины Камерона из словаря 1876 г.

Первые промышленные применения вакуумных двигателей были в перекачке воды.
из глубоких шахт. Двигатель Ньюкомена работал за счет подачи пара в рабочий
камеру, закрыв клапан, а затем впустив струю холодной воды. Вода
пар конденсируется в гораздо меньший объем воды, создавая вакуум в камере.
Атмосферное давление, действующее на противоположную сторону поршня, толкает поршень
до верха камеры. В шахтных насосах поршень был соединен с
рабочий шток, спускавшийся по валу в насосную камеру. Колебания
рабочий шток передается на поршень насоса, который перемещает воду через
обратные клапаны, к верхней части вала.

Первым значительным усовершенствованием стало создание отдельной конденсационной камеры с
клапан между рабочей камерой и камерой конденсации. Это улучшение
был открыт в Бирмингеме, Англия, Джеймсом Уаттом.
который был членом Лунного общества. Его открытие
и его разработка повысила КПД двигателя. Следующее улучшение
была замена клапанов с ручным управлением на клапаны с приводом от двигателя
сам.

Так рано
вакуумные или конденсационные двигатели сильно ограничены в своей эффективности, но
относительно безопасен, так как пар находится под очень низким давлением и разрушением конструкции
двигателя произойдет за счет внутреннего коллапса, а не внешнего взрыва. Их
мощность ограничена давлением окружающего воздуха, смещение рабочего
камере, скорости сгорания и испарения, а также емкость конденсатора.
максимальная теоретическая эффективность ограничена относительно низкой температурой кипения
воды при давлении, близком к атмосферному (100 по Цельсию, 212 по Фаренгейту).
Дальнейшее повышение эффективности произошло с использованием пара под давлением, который
использовал гораздо большее давление, но что более важно (с термодинамической точки зрения)
работает при большем перепаде температур. Но с этим дополнительным давлением пришло
много опасностей и много бедствий из-за взрыва котлов и машин. Большинство
важной доработкой в ​​этот момент стал предохранительный клапан, который выпускает
избыточное давление. Надежная и безопасная эксплуатация пришла только с большим опытом
и кодификация процедур строительства, эксплуатации и технического обслуживания.

Технология

Котлы

Ричард Тревитик
Двигатель № 14, построенный компанией Hazeldine and Co., Бриджнорт, около 1804 г., проиллюстрирован
после спасения около 1885 г .; из журнала Scientific American
Дополнение, Том. XIX, № 470, 3 января 1885 г. Сейчас экспонируется в Национальном музее.
науки и промышленности (Музей науки), Лондон.

Котлы
бывают двух типов:

• Пожарные
  конструкция трубы типична для ранних морских установок для лодок и
  корабли и котлы паровозов. В жаротрубном котле горячие газы
  из топки (камеры сгорания)
  проходят через трубки, соединяющие перфорированные торцевые пластины. Затем газы поступают
  коптильня
  или дымовой ящик и пройдите к дымовой трубе. Котел может быть вертикальным
  или горизонтальный. В качестве примера вертикального котла этого типа см. котел
  в маленьком речном судне, использованном в фильме
  Африканская королева.
  Этот тип также используется в некоторых котлах, вырабатывающих пар для парового отопления.
  здание, а также использовался в паровой лопате. Локомотивы
  и ранние корабли использовали горизонтальную ориентацию и ранние корабли обычно требовали
  высокая дымовая труба для создания тяги, без вентилятора для принудительной тяги.
  В паровозе тяга обычно увеличивается при запуске путем направления
  отвод пара через дымовую трубу, что обеспечивает частичный вакуум.

• В водопроводной трубе
  вода в котле нагревается в нескольких трубах, подвергающихся воздействию горячих газов. Трубки
  соединены с камерой паросборника в верхней части. Существенное преимущество
  этот тип заключается в том, что вероятность катастрофического отказа меньше, так как нет
  большое количество воды в котле, а также отсутствие крупных механических элементов
  подвержен провалу. Над коллектором в верхней части могут быть дополнительные трубки.
  часть выхлопа горячего газа — это устройство, называемое пароперегревателем, обеспечивает дополнительную
  температуры (и, следовательно, давления) и повышает тепловой КПД всего
  механизм. Пароперегреватели также использовались в некоторых более поздних версиях паровых установок.
  локомотив.

Есть
есть еще одно деление котлов: естественная аспирация, почти
все они, и котлы с принудительной тягой или «напорные» котлы. Эта технология, эквивалентная
к наддуву для двигателя внутреннего сгорания, был разработан немцами
и приобретен ВМС США для использования на некоторых фрегатах, построенных после Второй
Мировая война. В нем вентилятор используется для увеличения скорости горения; котел должен
быть построены, чтобы передать это дополнительное тепло воде. Двигатель, использующий этот тип
котла имеет наибольшее ускорение с места среди всех судовых силовых установок.

Двигатели

Высокий
Паровые двигатели высокого давления бывают разных типов, но большинство из них поршневые.
поршневые или турбинные устройства.

Поршневой

Двустороннего действия

После
развитием технологии пара под давлением, следующим крупным достижением было
использование поршней двойного действия с попеременным впуском пара под давлением
на каждую сторону, а другая сторона выбрасывается в атмосферу или в конденсатор.
Большинство поршневых двигателей в настоящее время используют эту технологию. Власть удаляется через
скользящий стержень, герметичный от выхода пара. Этот стержень, в свою очередь, приводит в движение (через
подшипник скольжения крейцкопфа) a
шатун соединен
на рукоятку, чтобы преобразовать
возвратно-поступательное движение во вращательное. Дополнительный кривошип или эксцентрик
используется для привода клапанного механизма, обычно через реверсивный механизм, позволяющий реверсировать
вращательного движения.

Когда
используется пара поршней двойного действия, их фазировка кривошипа смещена на 90 градусов
угла; это называется четвертование . Это гарантирует, что двигатель будет
работать всегда, независимо от того, в каком положении находится рукоятка.

Некоторые
на паромах использовался только один поршень двойного действия, приводящий в движение гребные колеса.
с каждой стороны путем соединения с верхним коромыслом. При отключении такого
В двигателе было важно, чтобы поршень находился вдали от любого крайнего диапазона
его перемещение, чтобы его можно было легко перезапустить.

Несколько
расширение

Модель
двигателя тройного расширения

Другой
тип использует несколько (обычно три) цилиндров одностороннего действия постепенно
увеличение диаметра и хода (и, следовательно, объема).

Высокий
Пар под давлением из котла используется для привода первого и наименьшего диаметра
поршень вниз. При ходе вверх частично расширившийся пар вгоняется в
второй цилиндр, который начинает свой ход вниз. Это обеспечивает дальнейшее
расширение выхлопа относительно высокого давления из первой камеры. Сходным образом,
промежуточная камера выходит в конечную камеру, которая, в свою очередь, выбрасывает
к конденсатору.

изображение справа показывает модель такого двигателя. Пар проходит через
двигатель слева направо. Клапанная коробка для каждого из первых двух цилиндров
находится слева от соответствующего цилиндра, а третий — к
Правильно.

Одна модификация
двигателя тройного расширения заключается в использовании двух меньших поршней, площадь которых в сумме
третьего поршня, чтобы заменить его. Это приводит к более сбалансированному устройству
всего четыре поршня, расположенных в V-образной конфигурации.

Разработка этого типа двигателя была важна для его использования на пароходах, для
конденсатор, забирая немного энергии, превращал бы пар обратно в
в воду для ее повторного использования в котле. Паровые машины наземного базирования могут вымотать много
их пара и пополняться из башни с пресной водой, но в море это было не
возможный. Этот тип двигателя доминировал в торговом флоте до
и во время Второй мировой войны. Это даже было
использовался на военных кораблях до HMS Dreadnought
из 1905.

Uniflow

Другой
Тип поршневого парового двигателя — «прямоточный» тип . В нем клапаны
(которые действуют аналогично тем, которые используются в двигателях внутреннего сгорания) работают
по камерам. Впускные клапаны открываются для впуска пара, когда минимальный расширительный объем
была достигнута вершина хода. За период кривошипного цикла пар
допускаются, а впускное отверстие тарельчатого клапана затем закрываются, что позволяет продолжить расширение
пара во время хода вниз. В нижней части хода поршень
открыть выпускные отверстия в боковой части цилиндрической камеры. Эти порты подключены
коллектором и трубопроводом к конденсатору, снижая давление в камере
ниже, чем в атмосфере. Продолжающееся вращение кривошипа перемещает поршень
вверх. Двигатели этого типа всегда имеют несколько цилиндров в рядном расположении.
и может быть одинарного или двойного действия. Особым преимуществом этого типа является то, что
клапаны могут управляться эффектом нескольких распределительных валов и путем изменения
относительной фазы этих распределительных валов, количество впускаемого пара может быть увеличено
для высокого крутящего момента на низкой скорости и может быть уменьшен на крейсерской скорости для экономии
работы, а путем изменения абсолютной фазы направление вращения двигателя
может быть изменен. Прямоточная конструкция также поддерживает постоянный температурный градиент.
через цилиндр, избегая прохождения горячего и холодного пара через один и тот же конец
цилиндра. (Концепция прямоточного потока также используется в двухтактных дизельных двигателях с наддувом.
используется для морских, локомотивных и стационарных применений. Таких дизелей нет
нужна функция экономайзера и использовать более простой скользящий распределительный вал для заднего хода.)

Турбина
тип

Паровые турбины
для приложений большой мощности будет использоваться ряд вращающихся дисков, содержащих пропеллероподобные
лопасти на их внешней кромке. Эти подвижные «роторные» диски чередуются со стационарными
«статор» лопаточные кольца, прикрепленные к корпусу турбины, которые служат для перенаправления
расход пара на следующую ступень. Благодаря высокой скорости работы такие турбины
обычно соединены с редуктором для привода другого механизма, такого как
корабельный гребной винт. Паровые турбины более долговечны, работают плавнее и требуют
гораздо меньше обслуживания, чем поршневые двигатели. Ограниченное количество паровозов
были изготовлены с использованием турбинной технологии. Хотя эти двигатели имели типичный
тяги, соединяющие ведущие колеса, у них не было ведущих тяг или цилиндров, и не было
звенья клапана или реверсивный механизм, которые большинству наблюдателей кажутся странно незавершенными.
(Этот локомотив был смоделирован Лайонелом, но оказался непопулярным из-за
его простому внешнему виду моделисты предпочли сложность и возбужденное движение
из более традиционных типов).

[править]

Поворотный
тип

Квазитурбина является недавней
концепция роторной паровой машины, причем механическая концепция также применима как
двигатель внутреннего сгорания.

Пар
механические транспортные средства

1923 Stanley Steam Car

Николя-Жозеф Кюньо
продемонстрировал первую действующую самоходную паровую машину, свой «паровой вагон»,
в 1769 году. Возможно, это был первый
автомобиль. Пока не в целом
Успешный как транспортное средство, самоходный паровой тягач зарекомендовал себя очень
полезен в качестве автономного источника энергии для привода другой сельскохозяйственной техники, такой как зерновые молотилки или сеноуборочные машины.
пресс-подборщики.

Пар
автомобили с двигателем продолжали конкурировать с другими двигательными системами в
первые десятилетия 20 века. Однако пар
двигатели менее предпочтительны для автомобилей, которые обычно работают на внутреннем сгорании.
двигателей, потому что пар требует не менее тридцати секунд (в котле мгновенного испарения)
или так, чтобы развить давление.

Включено
21 февраля 1804 г., Пен-и-Даррен.
металлургический завод в Уэльсе, первый самоходный
железнодорожный паровой двигатель
или паровоз, построенный Ричардом Тревитиком
было продемонстрировано.

Преимущества

сила паровой машины для современных целей заключается в ее способности превращать
тепло практически любого источника в механическую работу. В отличие от внутреннего сгорания
двигатель, паровая машина не особенно требовательна к источнику тепла. В частности,
без использования паровой машины ядерная энергия не могла бы
использовать для полезной работы, в отличие от ядерного реактора.
непосредственно производить либо механическую работу, либо электрическую энергию — сам реактор
просто греет воду. Это паровая машина, которая преобразует тепловую энергию в
полезная работа. Пар также может быть произведен без сжигания топлива с помощью солнечной энергии.
концентраторы. Демонстрационная электростанция была построена с использованием центрального отопления.
собирающая башня и большое количество зеркал слежения за солнцем (называемых гелиостатами).

Аналогичный
Преимущества обнаруживаются в другом типе двигателя внешнего сгорания, двигателе Стирлинга, который
предлагает эффективную мощность в компактном двигателе, но который сложен в эксплуатации
в широком диапазоне условий эксплуатации, трудности, которые легко устраняются
на современном гибридном автомобиле.

Пар
локомотивы особенно выгодны на больших высотах, так как они не особенно
неблагоприятное воздействие пониженного атмосферного давления. Это было случайно обнаружено
когда паровые машины работали на больших высотах в горах Южной Америки
были заменены дизель-электрическими двигателями эквивалентной мощности на уровне моря. Они были
быстро заменены гораздо более мощными локомотивами, способными производить достаточно
мощность на большой высоте.

В
Швейцария (Brienz Rothhorn) и Австрия (Schafberg Bahn) новые реечные паровозы
оказались очень успешными. Они были разработаны на основе швейцарского дизайна 1930-х годов.
Локомотивно-машинный завод (SLM), но со всеми возможными сегодняшними улучшениями
такие как роликовые подшипники, теплоизоляция, сжигание дизельного топлива, улучшенная внутренняя обтекаемость,
единоличное вождение и так далее. Это привело к снижению расхода топлива на 60 процентов.
на пассажира и значительно сократить расходы на техническое обслуживание и погрузочно-разгрузочные работы. экономика
сейчас аналогичны или даже лучше, чем у большинства современных дизельных или электрических систем.
Кроме того, паровоз с такой же скоростью и грузоподъемностью на 50 процентов легче, чем
электрическом или дизельном поезде, таким образом, особенно на зубчатых железных дорогах, значительно
снижение износа гусеницы. Также новая паровая машина для гребного пара
Корабль на Женевском озере, «Монтрё» был спроектирован и построен, являясь самым
первая корабельная паровая машина с электронным дистанционным управлением. Паровая группа г.
В 2000 году SLM создала собственную компанию DLM для разработки современных паровых двигателей.
и паровозы.

Эффективность

Понятно,
никакая чистая тепловая машина не может быть более эффективной, чем цикл Карно,
где КПД зависит от разницы температур. Итак, паровые машины
в идеале должен работать при максимально возможной температуре пара, а выпуск
отработанное тепло при минимально возможной температуре.

В
На практике паровая машина, выпускающая пар в атмосферу, будет иметь КПД
(включая котел) 5%, но с добавлением конденсатора
эффективность значительно улучшена до 25% или выше. Электростанция с выхлопом
повторный нагрев и т. д. позволит достичь эффективности 30%. Комбинированный цикл, в котором
горящий материал сначала используется для привода газовой турбины, может производить 60%
эффективность и когенерация, в которой
остаточный пар используется для отопления может производить до 90% эффективность; избиение
Цикл Карно с комфортным запасом.

Один
источником неэффективности является то, что конденсатор вызывает потери, будучи несколько более горячим
чем внешний мир, хотя это можно смягчить путем конденсации пара
в теплообменнике и с помощью
рекуперируемое тепло, например, для предварительного нагрева воздуха, используемого в горелке
двигатель внешнего сгорания.

работа только двигательной части не зависит от пара; любой под давлением
можно использовать газ. Сжатый воздух иногда используется для проверки или демонстрации небольших
модели «паровых» двигателей.

См.
также

• Хронология пара
  мощность
• Паровая машина Ньюкомена

Паровой двигатель

• Вт
• Пар
  мощность во время промышленной революции
• Стационарные паровые
  двигатель
• Паровой осел
• Паровой
  Локомотив для деталей паровозов
• Крейцкопфный подшипник
• пар
  автомобиль
• Stanley Steamer
• Live
  пар

Внешний
ссылки

• Интерактивный паровой двигатель ( http://www. avero.de/?links/dampfmaschine )
  Посмотрите, как это работает, и управляйте скоростью
• Анимированные двигатели — иллюстрирует
  различные паровые двигатели ( http://www.keveney.com/Engines.html )
• Самый маленький в мире
  Паровой двигатель ( http://www.fantasyarts.net/nanotechnology-gallery.htm )
• Самое скрытое изобретение ( http://www.mikebrownsolutions.com/steamart.htm )
• А
  история развития паровой машины ( http://www.history.rochester.edu/steam/thurston/1878/Chapter5.html )
• Прямоточный
  локомотивы ( http://www.dself.dsl.pipex.com/MUSEUM/POWER/uniflow/uniflow.htm )
• Пар
  газонокосилка с электроприводом ( http://www.dself.dsl.pipex.com/MUSEUM/TRANSPORT/mower/mower.htm )
• Пароход
  возрождение на Женевском озере ( http://www.cincinnati.com/travel/stories/053099_steamer.html )

История паровой энергии и паровых машин

Хотя паровая энергия не использовалась до 17 века, ученые поняли ее потенциал на протяжении сотен лет. Греческий ученый Герой Александрийский изобрел первое паровое устройство под названием aeolipile , которое показало возможности водяного пара еще в I веке нашей эры.

Первые паровые устройства

Эолипил работал, нагревая воду в сфере с двумя наклонными соплами. Когда пар выпускался из сопел, сфера вращалась. Хотя практической пользы от устройства не было, это был первый пример эксперимента с силой пара. Большее развитие произошло с изобретением первого парового котла в 17 веке. Несмотря на то, что в то время это была не более чем скороварка, ряд изобретений следовал одно за другим.

В начале 18 века инженеры поняли, как можно использовать паровые устройства для добычи воды из шахт. Это стало важным вопросом перед лицом растущего спроса на уголь в Европе во время промышленной революции. Вскоре ученые поняли, что пар можно использовать для приведения в действие двигателей. Хотя Томас Ньюкомен впервые открыл паровой двигатель в 1712 году, фактические улучшения, внесенные Джеймсом Уаттом, сделали устройство более эффективным. Ключевое изменение Watt было до конденсируют пар и делают его более эффективным, избавляя двигатель от необходимости нагревать и охлаждать цилиндр. За короткое время энергия пара стала использоваться в качестве топлива на кораблях и локомотивах, что позволяло транспортным средствам двигаться дальше и быстрее. В 19 веке энергия пара была впервые использована для производства электричества. Он все еще используется сегодня, причем большая часть технологий пришла из прошлых нескольких столетий.

Английский инженер Ричард Тревитик разработал локомотив и приспособил его двигатель высокого давления для металлургических мастерских и паровых барж.

За всю историю технологий было бы трудно найти хоть одно большее достижение, чем этот [двигатель] …

L.T.C. Ролт, английский писатель и инженер, Томас Ньюкомен: Предыстория паровой машины, 1963

Паровая машина Героя, I век

Эолипил

хлесткий поток пара, вращающий сферу.

Первый паровой котел, 1679 г.

Первый паровой котел.

Французский изобретатель  Дени Папен превратил жидкость в пар и разработал первое устройство, похожее на скороварку.

Паровой двигатель высокого давления, 1698

В Великобритании Томас Савери использовал свой опыт работы с паровым двигателем для создания машины под названием « Друг шахтера », которая добывала воду из угольных шахт, хотя это не было успешный.

Паровая машина Ньюкомена, 1712

Паровая машина Ньюкомена.

Томас Савери объединил усилия с Томасом Ньюкоменом и создал двигатель, который перекачивал атмосферных паров .

Паровая машина Джеймса Уатта, 1765

Паровая машина Джеймса Уатта.

Шотландский изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал двигатель Ньюкомена , добавив конденсатор и разработав двигатель, вращающий ось, который заменил насосный двигатель.

Первый паровой автомобиль, 1769–1770 гг.

Французский изобретатель Николя Жозеф Кюньо.

Николас Кюньо изобрел паровую дорожную машину во Франции в 18 веке. Он сделал это, превратив энергию пара в движение поршня и вращение.

Паровоз Тревитика, 1801–1804 гг.

Дорожный локомотив.

Англичанин Ричард Тревитик разработал меньшую и более легкую паровую машину и поместил это устройство на колеса, создав «дорожный локомотив». Это был первый в мире локомотив .

Первый пароход, 1802–1807 гг.

Пароход, Роберт Фултон.

В США Роберту Фултону удалось применить технологию паровой энергии к круизному лайнеру (первое судно с паровой тягой), и этот первый пароход, названный «пароходом», преуспел в борьбе с течениями.

Первый корабль, пересекший Атлантику, 1819 г.

Саванна, первый пароход, пересекший Атлантический океан.

Корабль США «Саванна» — это первый пароход , пересекший Атлантический океан с использованием   паровой энергии и парусов.