Энергия пара
С незапамятных времен людям были известны ветряные и водяные колеса. Однако их использование в промышленности было затруднено тем, что пришлось бы зависеть от капризов ветра или «привязывать» строительство фабрик к рекам.
Еще в древние времена заметили, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, установленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути. Известно, что еще в I в. греческий ученый Герон Александрийский создал паровую машину, названную им «эолипил». Она представляла собой котел с двумя трубками на крышке. На трубках устанавливался вращающийся полый шар, на поверхности которого были расположены два Г-образных патрубка-сопла. Когда в котел заливали воду и ставили на огонь, образовывавшийся пар по трубкам поступал в шар и в Г-образные патрубки. При достаточном давлении струи пара, вырываясь из сопел, быстро вращали шар. Таким образом, древнему ученому (вероятно, одному из первых) удалось преобразовать тепловую энергию в механическую. А это свидетельствует о том, что возможно построить двигатель, который можно установить где угодно.
Это интересно!
Первый аппарат, предназначенный для промышленного получения пара, — паровой котел — был построен англичанином Томасом Севери (1650—1715) в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. У таких котлов поверхность, омываемая горячими газами, была маленькой, поэтому пара они производили очень мало.
Из-за того, что горячие газы в основном бесполезно уходили в трубу, эффективность такого котла была весьма низкой. Большая часть топлива сгорала впустую. Эффективность современных паровых котлов очень высока. Они представляют собой сложные установки, оснащенные автоматическим управлением и надежной многоступенчатой защитой.
Первый паровой двигатель
Первым человеком, построившим паровой двигатель, признан английский изобретатель Томас Ньюкомен (1663—1720). Он длительное время занимался проблемой откачивания воды из шахт и в конечном итоге в 1712 г. создал насос с паровым приводом, который заменил насос, приводимый в действие лошадьми.
Паровой двигатель Ньюкомена был очень громоздким и малоэффективным. Его коэффициент полезного действия (КПД) едва ли превышал 1 %. Другими словами, 99% всей энергии терялось бесплодно, но так как уголь в те годы был дешевым топливом, то этот паровой двигатель использовали многие промышленники и ремесленники.
Для чего нужен предохранительный клапан
Первые паровые котлы часто взрывались из-за избыточного давления пара, скапливающегося в них. Это продолжалось до тех пор, пока в законодательном порядке не ввели правило устанавливать на котлах предохранительный клапан. Такой прибор был изобретен французским физиком Дени Папеном (1647—1712) в 1679 п Вначале предохранительные клапаны представляли собой рычаге гирей и были предназначены для быстрого открытия котла в случае превышения критического значения давления и быстрого закрытия при его снижении.
Революционное изобретение Уатта
Первый надежно работающий паровой двигатель был построен шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом (1736—1819).
Однажды его пригласили отремонтировать паровой двигатель Ньюкомена. В ходе работы Уатт установил, что машина работает неэффективно и потери можно существенно уменьшить, если цилиндр постоянно поддерживать в горячем состоянии, а не охлаждать его между тактами водой.
В 1784 г. Уатт построил собственный паровой двигатель и оформил на него патент. Двигатель работал следующим образом: перемещение под действием пара поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передавалось главному валу 6 с маховиком 7, который служил для снижения неравномерности вращения вала. Управление впуском пара в полость цилиндра осуществлялось перемещением золотника 8. Пар из цилиндра мог выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор.
Двигатель Уатта сыграл революционную роль в развитии промышленности. За 1785—1795 гг. было выпущено 144 таких паровых двигателя, а к 1800 г. в Англии функционировала уже 321 паровая машина Уатта. Их применяли буквально во всех сферах производства.
Еденица измерения мощности
На памятнике Джеймсу Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой». Международная единица измерения мощности названа в его честь ваттом (Вт). Сам же изобретатель для измерения мощности ввел в обращение более наглядный термин — «лошадиная сила» (л.с.). Тем самым он хотел показать, работу скольких лошадей способен заменить его паровой двигатель.
В наши дни одна «лошадиная сила» равна 735,49875 Вт. Этой единицей измерения пользуются во многих странах мира до сих пор, например, указывая мощность двигателя автомобиля.