Изобретение парового двигателя , — это история долгого процесса открытий, начавшегося в древности. В 1679 году француз Дени Папен разрабатывает своего рода пароварку изучить давление газа. В 1712 году Томас Ньюкомен разрабатывает первый паровой двигатель , который используется для перекачки воды из Дадли угольная шахта в Англии. Английский Джеймс Уотт станет основой еще одной великой инновации:использования пара под давлением, который значительно улучшит работу машины. Патенты Уатта стали достоянием общественности, многие строители улучшили характеристики и качество изготовления. Паровой двигатель, хотя и не был его источником, внес большой вклад в промышленную революцию 19 века.
Использование пара для производства механической энергии
Принцип работы парового двигателя заключается в преобразовании тепловой энергии пара в механическую энергию путем расширения и охлаждения пар в цилиндре, снабженном подвижным поршнем. Пар, необходимый для производства энергии или тепла, обычно вырабатывается котлом. Простейшие котлы состоят из емкости с водой, которую нагревают до получения насыщенного пара.
Обычные бытовые системы отопления обычно имеют котел этого типа, однако паровые электростанции, используемые для промышленного производства энергии, имеют по конструкции и оснащению более сложными вспомогательными средствами. КПД парового двигателя часто бывает низким, и по этой причине паровые двигатели часто заменяются паровыми турбинами.
Настройка парового двигателя
Первые исследования Steam восходят к древности. До этого механическое производство не могло добиться значительного прогресса, поскольку единственной доступной движущей силой была всегда ограниченная физическая энергия человека или животного. и природные силы, такие как ветер и вода, слишком зависят от географических и климатических факторов. С древних времен было признано, что сила упругости пара увеличивается под действием температуры. В своей «Пневматике» Герон Александрийский (около I века нашей эры) описал эолипил — своего рода полую металлическую сферу, вращательное движение которой вызывалось выходом пара в трубках.
С первых лет 17 века люди задумывались об использовании водяного пара в качестве источника энергии в промышленности (работа Джованни Баттиста Делия Порта, 1601 г., работа Саломона де Кауса, около 1615 г.; Эдвард Сомерсет, 1663 г.). Работы Торричелли и Герике 17 века посвящены возможности конденсации пара.
Французский физик Дени Папен разоблачает в Описании и использовании новой машины для поднятия воды , его представление о машине, работающей с поршнем, движущимся попеременным движением в цилиндре, под давлением пара, полученного при нагревании массы воды. Первый поршневой двигатель был разработан в 1690 году и использовался для перекачки воды. Машина Папена — это не просто диковинка, это базовая машина, работающая под атмосферным давлением, поэтому пар не сжимается.
Первое практическое применение этого исследования было для паровых насосов для откачки воды из угольных и медных шахт. В 1698 году Томас Савери изобрел первую насосную машину, использующую пар. Гораздо более изобретательная машина Томаса Ньюкомена (1705 г.) приводила в движение поршень, который приводил в движение маятник, соединенный стержнями с насосом, расположенным на дне колодца.
Эта машина, появившаяся на английских рудниках примерно в 1711–1712 годах, нашла множество применений на протяжении более полувека (около 1760 года было выпущено около ста шестидесяти экземпляров). Но принцип, на котором оно основывалось, заключался в создании внутри цилиндра вакуума, в который поршень толкался давлением наружного воздуха; для этого приходилось попеременно нагревать и охлаждать цилиндр, что влекло за собой колоссальные потери топлива.
Улучшения Джеймса Уотта
Основное ограничение парового двигателя заключается в металлургических методах, необходимых для его практической реализации и достижения надежного и экономически жизнеспособного результата. Прорыв совершил шотландский механик Джеймс Уотт. Вызванный в 1763 году для ремонта модели машины Ньюкомена, использовавшейся для экспериментов в Университете Глазго, он отметил, что «во избежание ненужной конденсации необходимо, чтобы цилиндр, в котором пар воздействовал на поршень, всегда оставался таким же горячим, как и сам пар... Чтобы получить желаемый вакуум, конденсация должна была происходить в отдельной емкости, где температуру можно было понизить настолько, насколько это необходимо, без изменения температуры цилиндра».
Итак, еще в 1765 году Ватт прикрепил к машине отдельный от цилиндра конденсатор. В 1769 году он запатентовал свои первые усовершенствования. Но ему потребовалось еще тринадцать лет экспериментов, прежде чем он усовершенствовал в 1782 году двигатель двойного действия, в котором пар подавался поочередно на каждую сторону поршня; эта машина также была снабжена устройством, которое, преобразуя колебательное движение поршня в круговое движение, делало ее пригодной для всех видов применения. Это изобретение смогло получить широкое распространение только благодаря команде специализированных механиков, созданной в Сохо, недалеко от Бирмингема, партнером Уатта Мэтью Бултоном, чья фабрика до конца XVIII века производила около пятисот машин Ватт. века.
Медленное распространение парового двигателя
Чтобы увидеть раннее применение парового двигателя на шахтах или хлопчатобумажных фабриках в Англии и других европейских странах - машина от Ньюкомена установлена в Шемнице, в Словакии, еще раньше как 1722 год; в Пасси, Франция, с 1726 г. - не предполагает его обобщения на среднюю промышленную ткань даже в Великобритании. В британской промышленности паровая машина применялась в первой половине XIX века только в самых современных отраслях:хлопчатобумажной промышленности, металлургии, машиностроении и горнодобывающей промышленности.
Традиционные формы моторов — водяная или ветряная мельница, а также прогулки на лошадях — по-прежнему преобладают. Локомотивы используются для обмолота сельскохозяйственных культур, но это не правило. Парадоксально, но паровой двигатель получил широкое распространение во время «великой депрессии» 1873–1896 годов, когда британская экономика замедлилась и потеряла лидерство по производительности.
Во Франции, Германии, Швейцарии и США внедрение парового двигателя происходит медленно и поздно. Водяная мельница оставалась доминирующим промышленным двигателем до конца XIX века в регионах, где рельеф давал рекам достаточную скорость и где их течение было регулярным, не страдающим ни от засухи, ни от мороза. Производители сделали такой выбор, поскольку он более экономичен. Установка водяной мельницы очень дорогая, поскольку для подачи воды требуется рыть плес, но при этом ее эксплуатация обходится недорого. Цена покупки парового двигателя ниже, но стоимость его эксплуатации и обслуживания высока:помимо цены на топливо, необходимо платить штатному механику и постоянно эксплуатировать его, поскольку время создания наддува велико. .
В странах с высокой стоимостью угля паровые машины не получили широкого распространения, за исключением крупных предприятий. Тем не менее, как и в предместье Сен-Антуан в Париже, компании по аренде электроэнергии могут распределять энергию между ремесленными мастерскими, которые соединяют свои ремни с вращающейся осью на улице. Во Франции именно в 1920-е годы наиболее распространенным промышленным двигателем стали паровые машины. В 1930-е годы их общая мощность достигла пика, а их количество уменьшилось, поскольку прежде всего оставались машины с высокой удельной мощностью, например, машины тепловых электростанций для производства электроэнергии.
Движущая сила все еще используется
Принцип и приемы преобразования возвратно-поступательного двигателя во вращательное движение можно найти в конце XIX века в двигателях, где внешнее сгорание было заменено внутренним, газовым или масло. Многие процессы происходят от паровых двигателей, например картера, где коленчатый вал вращается в масле, или систем нескольких звездообразных цилиндров авиационных двигателей.
В то же время паровой двигатель постепенно ассоциировался с методами непрерывного движения, которые инженеры, такие как Бенуа Фурнейрон (1802–1867), разработали в XIX веке. век в гидравлике. Паровые турбины появились в промышленности и на флоте в начале 20 века, когда стало возможным изготавливать роторы, вращающиеся с очень высокими скоростями. Наконец, атомные электростанции представляют собой двигатели внешнего сгорания, использующие паровую жидкость для приведения в движение турбин.
Библиография
- История парового двигателя, Роберт Генри Терстон. Декупман, 2014 г.
- Паровой двигатель Луи Фигье. ЦИПП, 2015.
