Історія винаходу парових машин. Створення парової машини
Можливості у використанні енергії пари були відомі на початку нашої ери. Це підтверджує прилад під назвою Героновскій еоліпіл, створений давньогрецьким механіком Героном Олександрійським. Стародавній винахід можна віднести до паровій турбіні, куля якій обертався завдяки силі струменів водяної пари.
Пристосувати пар для роботи двигунів стало можливим в XVII столітті. Користувалися подібним винаходом недовго, проте воно внесло істотний внесок у розвиток людства. До того ж історія винаходу парових машин дуже захоплююча.
Поняття
Парова машина складається з теплового двигуна зовнішнього згоряння, який з енергії водяної пари створює механічний рух поршня, а той, у свою чергу, обертає вал. Потужність парової машини прийнято вимірювати у ВАТ.
Історія винаходу
Історія винаходу парових машин пов'язана зі знаннями давньогрецької цивілізації. Довгий час працями цієї епохи ніхто не користувався. У XVI столітті була зроблена спроба створити парову турбіну. Працював над цим в Єгипті турецький фізик та інженер Такіюддін аш-Шамі.
Інтерес до цієї проблеми знову з'явився в XVII столітті. У 1629 році Джованні Бранка запропонував свій варіант парової турбіни. Однак винаходи втрачали велику кількість енергії. Подальші розробки вимагали відповідних економічних умов, які з'являться пізніше.
Першим, хто винайшов парову машину, вважається Дені Папен. Винахід являло собою циліндр з поршнем, що піднімається за рахунок пари і опускається в результаті його згущення. Такий же принцип роботи мали пристрої Севері і Ньюкомена (1705). Устаткування застосовували для викачування води з виробок при видобутку корисних копалин.
Остаточно удосконалити пристрій вдалося Уатту в 1769 році.
Винаходи Дені Папена
Дені Папен був за освітою медиком. Народившись у Франції, в 1675 році він переїхав до Англії. Він відомий багатьма своїми винаходами. Одним з них є скороварка, яку називали «Папен котел».
Йому вдалося виявити залежність між двома явищами, а саме температурою кипіння рідини (води) і з'являтимуться тиском. Завдяки цьому він створив герметичний котел, всередині якого тиск був підвищений, через що вода закипала пізніше звичайного і підвищувалася температура обробки поміщених в нього продуктів. Таким чином збільшувалася швидкість приготування їжі.
У 1674 медик-винахідник створив пороховий двигун. Його робота полягала в тому, що при загорянні пороху в циліндрі переміщувався поршень. У циліндрі утворювався слабкий вакуум, і атмосферний тиск повертало поршень на місце. Утворені при цьому газоподібні елементи виходили через клапан, а що залишилися охолоджувалися.
До 1698 Папену вдалося створити за таким же принципом агрегат, що працює не так на поросі, а на воді. Таким чином, перша парова машина була створена. Незважаючи на істотний прогрес, до якого могла призвести ідея, істотною вигоди вона своєму винахідникові не принесла. Пов'язано це було з тим, що раніше інший механік, Сейвері, уже запатентував паровий насос, а іншого застосування для подібних агрегатів до цього часу ще не придумали.
Дені Папен помер у Лондоні в 1714. Незважаючи на те, що перша парова машина була винайдена їм, він покинув цей світ в нужді і самоті.
Винаходи Томаса Ньюкомена
Більш щасливим в плані дивідендів виявився англієць Ньюкомен. Коли Папен створив свою машину, Томасу було 35 років. Він уважно вивчив роботи Сейвери і Папена і зміг зрозуміти недоліки обох конструкцій. З них він взяв всі кращі ідеї.
Вже до 1712 у співпраці з майстром по склі і водопроводам Джоном Каллі він створив свою першу модель. Так продовжилася історія винаходу парових машин.
Коротко можна пояснити створену модель так:
- Конструкція поєднувала в собі вертикальний циліндр і поршень, як у Папена.
- Створення пара відбувалося в окремому котлі, який працював за принципом машини Сейвери.
- Герметичність у паровому циліндрі досягалася за рахунок шкіри, якої був обтягнутий поршень.
Агрегат Ньюкомена піднімав воду з копалень за допомогою впливу атмосферного тиску. Машина відрізнялася солідними розмірами і вимагала для роботи великої кількості вугілля. Незважаючи на ці недоліки, модель Ньюкомена використовували в шахтах півстоліття. Вона навіть дозволила знову відкрити шахти, які були закинуті через підтоплення ґрунтовими водами.
У 1722 року дітище Ньюкомена довело свою ефективність, відкачали воду з корабля в Кронштадті всього за два тижні. Система з вітряком змогла б зробити це за рік.
Через те, що машина була створена на основі ранніх варіантів, англійський механік не зміг отримати на неї патент. Конструктори намагалися застосувати винахід для руху транспортного засобу, але невдало. На цьому історія винаходу парових машин не припинилася.
Винахід Уатта
Першим винайшов обладнання компактних розмірів, але досить потужне, Джеймс Уатт. Парова машина була першою в своєму роді. Механік з університету Глазго в 1763 році взявся лагодити парової агрегат Ньюкомена. В результаті ремонту він зрозумів, як скоротити витрату палива. Для цього необхідно було тримати циліндр в постійно нагрітому стані. Однак парова машина Уатта не могла бути готова, поки не зважилася проблема конденсації пари.
Рішення прийшло, коли механік проходив повз пралень і зауважив, що клуби пари виходять з-під кришок котлів. Він зрозумів, що пар - це газ, і йому потрібно переміщатися в циліндрі з пониженим тиском.
Добившись герметичності всередині парового циліндра за допомогою прядив'яної мотузки, просоченої маслом, Уатт зміг відмовитися від атмосферного тиску. Це стало великим кроком вперед.
У 1769 році механік отримав патент, в якому прописувалося, що температура двигуна в паровій машині буде завжди дорівнює температурі пара. Однак справи невдалого винахідника йшли не так добре, як очікувалося. Він був змушений закласти патент за борги.
У 1772 році він знайомиться з Метью Болтоном, який був багатим промисловцем. Той викупив і повернув Уатту його патенти. Винахідник повернувся до роботи, підтримуваний Болтоном. У 1773 році парова машина Уатта пройшла випробування і показала, що споживає вугілля значно менше своїх аналогів. Через рік в Англії почався випуск його машин.
У 1781 році винахіднику вдалося запатентувати своє наступне творіння - парову машину для приведення в рух промислових верстатів. Через час всі ці технології дозволять рухати за допомогою пари поїзда і пароплави. Це повністю переверне життя людини.
Одним з людей, що змінили життя багатьох, став Джеймс Уатт, парова машина якого прискорила технічний прогрес.
Винахід Ползунова
Проект першої парової машини, яка могла приводити в дію різноманітні робочі механізми, був створений в 1763 році. Розробив його російський механік І.Ползунов, що працював на гірничорудних заводах Алтаю.
Начальник заводів був ознайомлений з проектом і отримав добро на створення пристрою з Петербурга. Парова машина Ползунова була визнана, і робота з її створення була покладена на учасника проекту. Останній хотів спершу зібрати модель в мініатюрі, щоб виявити і усунути можливі недоліки, які не видно на папері. Однак йому наказали почати будівництво великої потужної машини.
Ползунову надали помічників, з яких двоє були схильні до механіки, а двоє повинні були виконувати підсобні роботи. На створення парової машини пішов один рік і дев'ять місяців. Коли парова машина Ползунова була майже готова, він захворів на сухоти. Помер творець за кілька днів до проведення перших випробувань.
Всі дії в машині проходили автоматично, вона могла працювати безперервно. Це було доведено в 1766 році, коли учні Ползунова провели останні випробування. Через місяць обладнання було здано в експлуатацію.
Машина не просто окупила витрачені кошти, але й дала прибуток своїм власникам. До осені котел дав текти, і роботи зупинилися. Агрегат можна було полагодити, але це не зацікавило заводське начальство. Машина була занедбана, а через десятиліття розібрана по непотрібності.
Принцип дії
Для роботи всієї системи необхідний паровий котел. Пара, що утворилася розширюється і тисне на поршень, в результаті чого відбувається рух механічних частин.
Принцип дії краще вивчити за допомогою ілюстрації, представленої нижче.
Якщо не розписувати деталі, то робота парової машини полягає в перетворенні енергії пари в механічний рух поршня.
Коефіцієнт корисної дії
ККД парової машини визначається відношенням корисної механічної роботи по відношенню до витраченому кількості тепла, яке міститься в паливі. У розрахунок не береться енергія, яка виділяється в навколишнє середовище в якості тепла.
ККД парової машини вимірюється у відсотках. Практичний ККД становитиме 1-8%. При наявності конденсатора і розширенні проточної частини показник може зрости до 25%.
Переваги
Головною перевагою парового обладнання є те, що котел в якості палива може використовувати будь-яке джерело тепла, як вугілля, так і уран. Це істотно відрізняє його від двигуна внутрішнього згоряння. Залежно від типу останнього потрібен певний вид палива.
Історія винаходу парових машин показала переваги, які помітні і сьогодні, оскільки для парового аналога можна використовувати ядерну енергію. Сам по собі ядерний реактор не може перетворювати свою енергію в механічну роботу, але він здатний виділяти велику кількість тепла. Воно то і використовується для утворення пари, який приведе машину в рух. Таким же чином може застосовуватися сонячна енергія.
Локомотиви, що працюють на пару, добре показують себе на великій висоті. Ефективність їх роботи не страждає від зниженого в горах атмосферного тиску. Паровози досі застосовують в горах Латинської Америки.
В Австрії та Швейцарії використовують нові версії паровозів, що працюють на сухому пару. Вони показують високу ефективність завдяки багатьом удосконаленням. Вони не вимогливі в обслуговуванні і споживають як паливо легкі нафтові фракції. За економічними показниками вони порівнянні з сучасними електровозами. При цьому паровози значно легше своїх дизельних та електричних побратимів. Це велика перевага в умовах гірської місцевості.
Недоліки
До недоліків відноситься, насамперед, низький ККД. До цього варто додати громіздкість конструкції і тихохідність. Особливо це стало помітно після появи двигуна внутрішнього згоряння.
Застосування
Хто винайшов парову машину, вже відомо. Залишилося дізнатися, де їх застосовували. До середини ХХ століття парові машини застосовували у промисловості. Також їх використовували для залізничного та парового транспорту.
Заводи, які експлуатували парові двигуни:
- цукрові;
- сірникові;
- паперові фабрики;
- текстильні;
- харчові підприємства (в окремих випадках).
Парові турбіни також відносяться до даного устаткування. З їх допомогою досі працюють генератори електроенергії. Близько 80% світової електроенергії виробляється із застосуванням парових турбін.
Свого часу були створені різні види транспорту, що працюють на паровому двигуні. Деякі не прижилися через невирішені проблем, а інші продовжують працювати і в наші дні.
Транспорт з паровим двигуном:
- автомобіль;
- трактор;
- екскаватор;
- літак;
- локомотив;
- судно;
- тягач.
Така історія винаходу парових машин. Коротко можна розглянути вдалий приклад про гоночному автомобілі Серполле, створеному в 1902 році. На ньому був встановлений світовий рекорд по швидкості, який склав 120 км на годину на суші. Саме тому парові авто були конкурентоспроможними по відношенню до електричним і бензиновим аналогам.
Так, в США в 1900 році найбільше було випущено парових машин. Вони зустрічалися на дорогах до тридцятих років ХХ століття.
Велика частина подібного транспорту стала непопулярною після появи двигуна внутрішнього згоряння, чий ККД значно вище. Такі машини були більш економічними, при цьому легкими і швидкісними.
Стімпанк як віяння епохи парових машин
Говорячи про парових машинах, хочеться згадати про популярному напрямку - стімпанк. Термін складається з двох англійських слів - «пар» і «протест». Стімпанк - це вид наукової фантастики, яка оповідає про другій половині XIX століття у вікторіанській Англії. Даний період в історії часто згадується як Епоха пари.
Всі твори мають одну відмінну рису - вони оповідають про життя другої половини XIX століття, стиль оповіді при цьому нагадує роман Герберта Уеллса «Машина часу». У сюжетах описуються міські пейзажі, громадські будівлі, техніка. Особливе місце приділяється дирижаблям, старовинним машинам, химерним винаходам. Всі металеві деталі кріпилися за допомогою клепок, оскільки зварювання ще не застосовували.
Термін «стімпанк» виник у 1987 році. Його популярність пов'язана з появою роману «Разностная машина». Написаний він був в 1990 році Вільямом Гібсоном і Брюсом Стерлінгом.
На початку XXI століття в цьому напрямку було випущено кілька відомих кінофільмів:
- Машина часу;
- «Ліга видатних джентльменів»;
- «Ван Хельсинг».
До предтеч стімпанка можна віднести твори Жюля Верна і Григорія Адамова. Інтерес до цього напрямку час від часу проявляється у всіх сферах життя - від кінематографа до повсякденного одягу.
