Два англичанина, француз и пароатмосферный двигатель

В конце 17 века металлургическая промышленность в Англии требовала всё больше топлива: большая часть лесов уже к началу 17 века была вырублена, добыча каменного угля шла слишком медленно, а технология создания каменноугольного кокса была малоизучена.

Несмотря на то, что с 16-го по 18 век добыча угля в Англии подскочила с 200 тысяч тонн до 3-х млн. тонн в год, уголь был в дефиците. Почему?

Шахтёр впрягался в сани и волоком тащил отбитую породу или согнувшись толкал гружёную тележку по узкому и низкому тоннелю, а подъёмные машины с конным приводом имелись не на каждой шахте. Трудно было и откачивать воду из шахты. Воду откачивали при помощи людей и лошадей, придумывали насосы и механизмы на основе водяного колеса. Однако не каждое производство находилось вблизи реки и сами механизмы были сложными устройствами, которые требовали больших затрат.

«Огненный насос» Севери

В 1698 году англичанин Томас Севери получил патент на «огненный двигатель», который на самом деле был паровым насосом, который работал по аналогии с водяным. В основе водяного насоса лежит следующий принцип:

при подъеме поршня вверх вода засасывается в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединяющий цилиндр с водоподъемной трубой, в это время закрыт, так как вода из этой трубы так же стремится войти внутрь цилиндра и тем самым закрывает этот клапан. При опускании поршня он начинает давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывается нижний клапан и открывается боковой. В это время вода из цилиндра подаётся вверх по водоподъемной трубе.

Такие европейские инженеры 17 века, как Джамбаттиста делла Порта, Иеронимо де Аянс Бомонт и маркиз Эдуард Сомерсет описывают в своих трактатах паровые насосы, но не двигатели, потому что двигатель – это механизм, который преобразует энергию какого-либо вида в механическую работу.

Насос Севери состоял из котла, который через вентиль соединялся с резервуаром, всасывающей трубы, входившей в резервуар из шахты и нагнетательной трубы из резервуара в сточный желоб.

В котле, который непрерывно топили, образовывался пар. Вентиль на выходе из котла открывали и пар заполнял резервуар, выталкивая воду из нагнетательной трубы в сточный желоб. Большим недостатком было то, что горячий пар, сталкиваясь с холодной водой из шахты, мгновенно конденсировался и требовалось время для того, чтобы прогреть воду, которая контактировала с паром, и вытолкнуть её из трубы. После этого подачу пара прекращали, пар остывал и конденсировался в воду. Сконденсировавшаяся вода занимает пространство в 170 раз меньшее, чем пар, поэтому давление внутри резервуара было ниже, чем снаружи. За счёт этого вода буквально всасывалась из шахты в резервуар.

Несмотря на то, что насос Севери был медленным, поднимал воду с глубины всего 10 м, съедал очень много топлива – 100 кг угля на 1кВт∙час и был взрывоопасным, его покупали.

А вот талантливый французский инженер Дени Папен от своих изобретений прибыли не получил, а их было гораздо больше, чем у того же Севери.

Талантливый и позабытый Папен

В 1673 году Дени Папен и голландский физик Христиан Гюйгенс построили тепловую машину, предназначенную «…для поднятия больших грузов с помощью орудийного пороха». Она представляла собой металлический цилиндр, внутри которого находился поршень со шоком, соединённый тросом с подвешенным грузом. Из цилиндра выходили кожаные трубки, выполнявшие роль клапанов. В цилиндр помещали порох и поджигали его. От взрыва поршень поднимался, часть пороховых газов выходила через кожаные трубки, а при остывании пороховых газов создавался частичный вакуум и под действием атмосферного давления поршень опускался, поднимая груз, привязанный к канату.

В 1690 году Дени Папен построил паровой двигатель на основе тепловой машины 1673 года, заменив порох на водяной пар; он первым правильно описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя. Принцип работы двигателя Папена состоял в следующем:

в цилиндр наливали воду, поршень опускали вниз и цилиндр ставили на огонь. При нагревании вода начинала испаряться, занимая все свободное пространство. Давление под поршнем увеличивалось, и он поднимался; когда поршень достигал наивысшей точки, его фиксировали специальным упором, а цилиндр снимали с огня и поливали холодной водой. Охлаждённый пар конденсируется – превращается обратно в воду, а давление под поршнем падает, стремясь к вакууму. Над поршнем — тяжёлое атмосферное давление, и оно давит вниз. Таким образом, когда поршень освобождают от упора — он опускается вниз и цикл повторяется.

Работа Папена была большим прорывом, фактически он построил первый пароатмосферный двигатель, который определил дальнейшее развитие до парового двигателя, но уже другими изобретателями. Судьба Папена была незаслуженно драматична: кому интересно, можно почитать здесь.

Последователем Дени Папена стал Томас Ньюкомен.

Две головы — хорошо, а третья — Ньюкомен

Томас Ньюкомен – английский инженер, объединил идеи Севери и Папена и построил новый пароатмосферный двигатель.

Родился 28 февраля 1663 года в английском городе Дартмут. Его отец Элиас Ньюкомен был купцом и судовладельцем, мать Сара умерла почти сразу после родов. Вскоре его отец женился во второй раз, на женщине по имени Алиса Тренхейл. Она занималась воспитанием Томаса.

Ньюкомен получил профессию кузнеца, изучал инженерное дело. В 1685 году начал торговать железом.

Владельцы оловянных рудников, с которыми работал Томас, рассказывали, что шахты постоянно затапливает водой. Если поблизости от рудника протекала река, то для откачивания воды использовали водяные колёса. Если же нет, то, чтобы выкачать воду лошадей ставили в упряжку, и они вращали барабан подъемной машины. Рабочие зачерпывали воду, вешали бадью на цепь и лошадь продолжала крутить барабан. Это был очень медленный процесс, лошади очень быстро уставали и на корм тратились большие деньги.

Томас Ньюкомен поставил цель – заменить лошадей и водяное колесо, применявшихся для откачивания воды из рудничных шахт, и в этом ему помогал лудильщик Джон Коули. В работе Ньюкомен использует идеи современников: отдельный паровой котёл, как в насосе Севери и поршневой цилиндр Папена с улучшенной системой конденсации пара.

Первый насос Ньюкомена-Коули был построен в 1705 году и имел ряд недостатков, например большой расход топлива – 25 кг угля сжигалось для создания мощности в 1 л.с, а для конденсации пара в цилиндре использовалась водяная охлаждающая рубашка с низкой эффективностью.

На этом Ньюкомен не остановился и продолжил совершенствовать машину.

В 1710 году Ньюкомен вместе с Коули построили машину, которая приводила в действие насос, установленный в шахте для выкачивания из неё воды.

В 1711 году была усовершенствована система охлаждения пара: для ускорения конденсации внутри цилиндра установили форсунки. Также был установлен автоматический клапанный механизм.

В 1712 году улучшенную модель насоса Ньюкомена установили около замка Дадли в Стаффордшире. Эта же модель насоса Ньюкомена была первой официально зарегистрированной. Однако Ньюкомен не смог запатентовать насос, потому что Севери в 1698 году получил широкий патент на свой паровой водоподъёмник, и поэтому позднее Ньюкомен был вынужден вступить с ним в сотрудничество.

Паровой котёл представлял собой медный цилиндр с куполообразной крышкой, вмещающий 3000 литров или 3 куб. метра воды. Латунный цилиндр размером 240х50 сантиметров позволял поршню совершать цикл за 12-16 минут, поднимая за один цикл 45 литров воды на высоту 46 метров(по другой версии – на 80м).

На рисунке указан паровой насос Ньюкомена-Коули. При опускании насосной штанги 1 и груза 2 под действием тяжести поршень 4 поднимался и в освобождающееся под ним пространство в цилиндр 5 через открытый кран 7 поступал пар из котла 8, давление которого лишь немного превышало атмосферное. При этом пар частично служил для подъема поршня в цилиндре, но главное — он требовался для создания в нём разрежения. Когда поршень достигал верхнего положения кран 7 закрывался и из ёмкости 3 через кран 6 в цилиндр впрыскивалась холодная вода. Благодаря этому водяной пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень вниз, производя подъём насосной штанги. Конденсат из цилиндра выходил по трубке 9, поршень снова поднимался за счёт подачи пара, и цикл повторялся.

Способный работать 24 часа в сутки с мощностью 5кВт и потребляя много угля, насос Ньюкомена получил широкое распространение. В 20-е годы 18 века эти машины работали не только в Англии, но и во многих странах Европы – в Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции; применялись почти столетие в каменноугольной промышленности и для подачи воды в города. В России первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1772 г. в Кронштадте для откачки воды из дока. О распространенности машин Ньюкомена свидетельствует тот факт, что последняя в Англии машина такого типа была демонтирована только в 1934 году.

Ньюкомен продолжал работать над своей машиной до конца жизни. Но в итоге его заменил более совершенный двигатель Джеймса Уотта, запатентованный в 1769 году, который имел отдельный конденсатор.

Но не стоит забывать, что в 1763 году был разработан, а в 1766 году был запущен первый в мире двухцилиндровый пароатмосферный двигатель непрерывного действия, разработанный Иваном Ивановичем Ползуновым – рабочим из уральской глубинки, о котором будет рассказано в следующем посте.

Ссылки на источники для написания статьи на официальном сайте группы photofable.com