Начало промышленной революции связывают с изобретением эффективного парового двигателя в Великобритании во второй половине XVII века. Хотя само по себе подобное изобретение вряд ли бы что-то дало (необходимые технические решения были известны и раньше), но в тот период английское общество было подготовлено к использованию инноваций в широких масштабах. Это было связано с тем, что Англия к тому времени перешла от статичного традиционного общества к обществу с развитыми рыночными отношениями и активным предпринимательским классом. Кроме того, Англия располагала достаточными финансовыми ресурсами (так как была мировым торговым лидером и владела колониями), воспитанным в традициях протестантской трудовой этики населением и либеральной политической системой, в которой государство не подавляло экономическую активность.
Первой попыткой использования парового двигателя в промышленности считается водяной насос Томаса Севери, запатентованный в 1698 году. Но он не был успешным из-за частых взрывов бойлера и ограниченной мощности. Более совершенной была машина Томаса Ньюкомена, разработанная к 1712 году. По-видимому, Ньюкомен использовал ранее полученные экспериментальные данные Дени Папена, который изучал давление водяного пара на поршень в цилиндре и поначалу нагревание и охлаждение пара для возвращения поршня в исходное состояние производил вручную.
Схема паровой машины Ньюкомена
Насосы Ньюкомена нашли применение в Англии и других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт, работы в которых без них производить было бы невозможно. К 1733 году их было куплено 110, из которых 14 -- на экспорт. Это были большие и дорогие машины, очень неэффективные по современным стандартам, но они себя окупали там, где добыча угля обходилась сравнительно дешево. С некоторыми усовершенствованиями их до 1800 года произвели 1454 штуки, и они оставались в употреблении до начала XX века.
Наиболее известная из ранних паровых машин разработки Джеймса Уатта была предложена в 1778 году, Уатт существенно усовершенствовал механизм, сделав его работу более стабильной. Одновременно мощность увеличилась примерно в пять раз, что дало 75 % экономию в себестоимости угля. Ещё более важные последствия имел тот факт, что на базе машины Уатта стало возможно преобразование поступательного движения поршня во вращательное, то есть двигатель теперь мог крутить колесо мельницы или фабричного станка. Уже к 1800 году фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 таких механизмов, из которых только 164 использовались как насосы. Ещё 308 нашли применение на мельницах и фабриках, а 24 обслуживали доменные печи.
Более практичной, чем машина Севери, оказалась конструкция английского изобретателя Томаса Ньюкомена, кузнеца по профессии. Он приступил к постройке своей машины в 1705-1706 гг. в сотрудничестве со стеклоделом Джоном Коули. Остается неизвестным, в какой мере Ныокомен знал о «двигателе» Папена и других опытах с поршнем, цилиндром и разрежением, но в своем двигателе он удачно совместил достижения Севери и идеи Папена.
Принцип действия пароатмосферной поршневой машины Ньюкомена заключался в следующем: внутри цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира. Другой конец балансира соединялся со штангами водоотливного насоса. Пар поступал в цилиндр из котла при открытом кране и поднимал поршень, который уравновешивался весом насосной штанги и добавочного груза. При достижении поршнем верхнего положения кран закрывался. Пар конденсировался вначале благодаря охлаждению цилиндра водой извне, а в более поздних образцах вследствие впрыскивания в цилиндр холодной воды из резервуара через кран. Движение поршня вниз обеспечивалось атмосферным давлением; при этом поднимались насосные штанги и вода откачивалась. Охлаждающая вода и сконденсировавшийся пар удалялись из цилиндра по трубе - излишний пар выпускался из котла через предохранительный клапан. Затем цилиндр с котлом снова сообщались, и пар помогал противовесу вернуть поршень в исходное положение. В этой конструкции паровой двигатель был органически соединен с насосом.
Первая машина Ньюкомена была построена и пущена в работу по откачке воды из рудника в 1712 г. Ее мощность составляла 8 л. с., она обеспечивала подъем воды с глубины 80 м. Так как рабочий цилиндр оставался одновременно и конденсатором, т. е. нагрев и охлаждение цилиндра чередовались, то для работы паросиловой установки Ньюкомена все еще требовалось чрезвычайно большое количество топлива: около 25 кг угля в час на 1 л. с. И тем не менее это был настоящий успех: новая машина позволяла разрабатывать копи на глубину вдвое большую, чем раньше .
Ньюкомен стал изготовлять машины в компании с Севери (Севери своим патентом закрепил за собой любые возможности использования водяного пара, и Ньюкомен и Коули не смогли получить патента на свое изобретение ).
В дальнейшем конструкция совершенствовалась: ручное открывание и закрывание кранов было заменено автоматическим. В 1718 г. англичанин Генри Бейтон построил машину с автоматическим регулированием и предохранительным клапаном для котла.
Уже в 20-е годы XVIII в. машины Ньюкомена работали во многих странах Европы: в Англии, Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции; в Англии они широко использовались на корнуэлльских оловянных рудниках, в Ньюкаслском угольном бассейне и других местах. Их применяли не только на рудниках, но и в системе водоснабжения и в гидротехнических сооружениях. Лондонская машина 1720 г., предназначенная для снабжения города водой Темзы, имела объем котла около 17 куб. м, а цилиндр - диаметром более 80 см и высотой 3 м.
В 1722 г. шесть машин Ньюкомена были установлены на рудниках Банской Штявницы в Словакии.
В 1728 г. шведский ученый механик М. Тривальд построил пароат-мосферную машину, подобную ньюкоменовской, предварительно рассчитав экономичность парового привода по сравнению с конным . Попытка Тривальда теоретически обосновать экономичность паровых машин была в то время одним из немногих случаев обращения ученых к проблеме теплового двигателя. В течение всего XVIII и первых десятилетий XIX в. физики не интересовались паровой машиной.
Ф. Энгельс, характеризуя соотношение между теорией и практикой в период зарождения теплоэнергетики, отмечал, что «практика по-своему решила вопрос об отношениях между механическим движением и теплотой...», а дело с теорией в тот период обстояло «довольно печально» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 431 ).
Отсутствие необходимых знаний о физических свойствах рабочего тела приводило к неверным толкованиям и ошибочным конструктивным решениям. Так, Тривальд заблуждался относительно того, что в воде будто бы содержится неисчислимое количество воздуха, который, по его мнению, и являлся рабочим агентом машины. Это заблуждение привело к тому, что самая большая его машина, построенная для откачивания воды из Даннеморских рудников (Швеция), оказалась неработоспособной из-за заниженного объема парогенератора .
В России машины Ньюкомена появились довольно поздно. Это объясняется особенностями русской техники XVIII в.: железоделательные заводы на Урале пользовались водяными колесами, копи, на которых была бы необходима откачка воды с большой глубины, отсутствовали, текстильное производство носило ремесленный характер и не нуждалось в двигателе. Первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1777 г. в Кронштадте для откачки воды из дока .
Важные усовершенствования в пароатмосферную машину в начале 70-х годов XVIII в. внес инженер Джон Смитон, рассчитав правильное соотношение между размерами частей машины, а также создав более целесообразную форму ее деталей.
Многие машины Ньюкомена долгое время находились в эксплуатации даже после изобретения более совершенного двигателя Уатта, особенно там, где имелся в изобилии низкосортный уголь. Последняя машина Ньюкомена на угольных копях Англии была демонтирована лишь в 1934 г. .
Но, несмотря на продолжительную службу машины Ньюкомена, ее применение никакого промышленного переворота не совершило. Ее введение не решало вопроса полностью - машина не была универсальной. Прерывистый характер работы и невозможность действия двигателя вне связи с насосом определяли ее использование только для подъема воды. Об этих машинах не без основания говорили, что для их изготовления нужен железный рудник (конструкция оставалась громоздкой), а для обслуживания - угольная копь.
Вместе с тем предшествующий опыт с пароатмосферными машинами подготовил значительный материал для последующих изобретателей. Перед ними возникло много конкретных вопросов, главным из которых было создание нового экономичного двигателя.
Дени Папен создал первую работающую модель парового двигателя, чьим недостатком было то, что он отрабатывал только один цикл, после чего двигатель приходилось охлаждать, разбирать и собирать заново. Такая конструкция могла использоваться лишь в показательных целях, но совершенно не подходила для выполнения полезной работы. Связано это было с тем, что вода подогревалась непосредственно в цилиндре, из-за этого сам цилиндр постоянно находился в горячем состоянии и поршень не мог вернуться в исходное положение. Поэтому последователи Папена использовали для нагревания воды отдельную ёмкость - паровой котёл.
Первой применённой на производстве и запатентованной паровой машиной была "пожарная установка", сконструированная английским инженером и владельцем шахты Томасом Севери в 1698 году. Это был паровой насос, а не двигатель: в нем не было цилиндра с поршнем, который при своем перемещении приводил бы что-то в движение. Самое важное в этом устройстве было то, что пар для работы насоса образовывался в отдельном котле. Он был довольно опасен, поскольку из-за высокого давления пара ёмкости и трубы двигателя иногда взрывались, поэтому Севери осторожно относился к тому, насколько мощным был его насос .
Машина работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную. На трубах были установлены клапаны, пропускавшие воду только из шахты в резервуар и из резервуара в сточный желоб, в обратном же направлении они воду не пропускали. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности ее выталкивало атмосферное давление.
У насоса Севери были серьезные недостатки: он был малоэффективным, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, расходовал во время работы очень много топлива, работал прерывисто - вода откачивалось отдельными порциями. Его нельзя было использовать как универсальный двигатель для привода различных машин и механизмов, так как они в большинстве своем работают непрерывно. Тем не менее, насос Севери помог изобретателям воспринять простую мысль, что в паровых машинах следует пользоваться паром из отдельного котла.
В 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен, взяв за основу двигатель Севери, совместно со стекольщиком Джоном Калли продемонстрировал свой "атмосферный двигатель". В отличие от предшествующего двигателя, этот имел отдельный цилиндр с поршнем и отдельный цилиндр насоса. Эта машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире для откачки воды. Она представляла собой усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором было снижено рабочее давление пара.
Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся. Такую технологию, в наше время используют бетононасосы на стройках. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.
Насос Ньюкомена стал первой паровой машиной, получившей широкое практическое применение и использовавшейся по всей Европе более 50 лет. За один день она выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. В 1775 году еще большая машина, построенная Джоном Смитом, за две недели осушила сухой док в Кронштадте. Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил год.
Машина Ньюкомена оказалась удачной, но далёкой от совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь 1% тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах. Также, из-за неравномерного хода, машины Ньюкомена часто ломались.
На своё изобретение Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был ранее запатентован Томасом Севери, с которым Ньюкомен позднее сотрудничал. Паровая машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными.
В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах. Заслуга Ньюкомена также и в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы.
В России первая паровая машина, способная непосредственно приводить в действие механизмы, предложена 25 апреля 1763 года И.И. Ползуновым, механиком на Колывано-Воскресенских горнорудных заводах Алтая. Эта машина предназначалась для приведения в действие воздуходувных мехов. Проект был одобрен начальником заводов, который отослал его в Петербург, где паровая машина Ползунова получила признание.
Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу большую машину. Её постройку поручили Ползунову, в помощь которому были выделены двое мастеровых и несколько подсобных рабочих. Машина строилась год и девять месяцев. Когда машина прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и за несколько дней до завершающих испытаний умер.
23 мая 1766 года ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины, а 7 августа 1766 года вся установка - паровая машина и мощная воздуходувка - была сдана в эксплуатацию. За три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на ее постройку, но и дала чистую прибыль, в четыре раза превышающую её стоимость.
10 ноября 1766 года котел дал течь, и машина остановилась. Несмотря на то, что эту неисправность можно было легко устранить, заводское начальство, не заинтересованное в механизации, забросило творение Ползунова. В течение последующих тридцати лет машина бездействовала, а в 1779 году была разобрана.
Томас Ньюкомен (англ. Thomas Newcomen; 28 февраля 1663, Дартмут - 7 августа 1729, Лондон) - английский изобретатель; один из создателей первого теплового (парового) двигателя, известного как паровая машина Ньюкомена.
Биография
В 1705 году совместно со стекольщиком-лудильщиком Джоном Колли (англ. John Calley), тоже из Дартмута, построили первую паровую (пароатмосферную) машину, отличавшуюся от машины Севери наличием цилиндра с поршнем и тем, что сгущение (конденсация) пара производилось обливанием цилиндра снаружи водой. В 1711 году Ньюкомен изменил технологию конденсации пара с внешнего обливания цилиндра водой на впрыскивание воды внутрь цилиндра, что значительно ускорило ход машины, но машина всё ещё оставалась вакуумной, т.е. рабочий ход совершался не высоким давлением пара, а низким давлением вакуума, образующегося после впрыска холодной воды в цилиндр с горячим водяным паром.
На своё изобретение Ньюкомен получить патент не смог, так как паровой водоподъёмник уже запатентовал Т. Севери в 1698 году, чем закрепил за собой любые возможности использования водяного пара; позднее они начали работать совместно.
Заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых осуществил замысел использования пара для получения механической работы.
Его именем названо Общество историков техники Великобритании.
Паровая машина
За основу машины взят принцип парового котла (созданного Дени Папеном) где от самого котла отделён паровой цилиндр с насосом, работала она за счёт того, что внутри цилиндра работал поршень, связанный с одним концом балансира, в то время как другой конец балансира соединялся со штангами водоотливного насоса; пар, поступающий в цилиндр из котла, поднимал поршень, а атмосферное давление двигало поршень вниз и, соответственно, поднимало насосные штанги, то есть откачивало воду, а излишний пар выходил из котла через предохранительный клапан.
В вакуумной машине Ньюкомена рабочий ход осуществлялся не высоким давлением пара, а вакуумом, образующимся после впрыска воды. Низкое давление вакуума делало вакуумную машину менее опасной, чем машина высокого давления, но значительно уменьшало к.п.д. и мощность двигателя.
Мощность машины Ньюкомена была 8 л. с., что обеспечивало подъём воды с глубины 80 метров и расходовала 25 кг угля в час на 1 л. с. Опыты с паровым насосом Ньюкомен начал с 1705 года и совершенствовал его примерно десять лет, пока он не начал работать исправно (1712).
Машина Ньюкомена получила распространение в угольных и рудных шахтах Англии, а также во Франции и Германии, в основном в горной промышленности, иногда использовалась при снабжении водопроводов крупных городов водой. Из-за громоздкости и неравномерного хода потребляла много топлива, в связи с чем не удовлетворяла потребностям промышленности и использовалась в узкоспециализированых целях, не достигнув уровня универсального двигателя. Она послужила основой для создания парового двигателя Уатта.
Оригинальная модель созданной Ньюкоменом машины находится в Королевской коллегии в Лондоне.
Томас Ньюкомен родился в Дартмунде, в 1664 г., 24 февраля. Скончался этот человек в Лондоне, в 1729 г. Из статьи узнаем, чем знаменит Томас Ньюкомен .
Биография
Неподалеку от Модбери, где ставил свои первые опыты Севери, находился портовый городок Дартмунд. В нем жил очень хороший слесарь и кузнец Томас Ньюкомен . Заказы на его работу поступали от всех местных жителей. Он занимал небольшую кузницу, находившуюся на краю городка.
Томас Ньюкомен не был известным ученым, не издавал научных трудов, не состоял в Королевском Этот человек не привлекал к себе особого внимания. Поэтому сведения о его жизни, семье нигде не сохранились. Но однажды выяснилось, что Томас являлся великолепным мастером, создавшим паровую машину.
Предпосылки к изобретению
Возле Дартмунда было расположено довольно много рудников. Томас занимался кузнечным делом, ремонтировал различные устройства. Вполне очевидно, что он имел дело с изобретением Севери. Часто Томас возился в насосами, установленными в рудниках. Они приводились в движение с помощью мышечной силы человека. Наблюдая за этим, кузнец решил усовершенствовать механизм. Так появилась знаменитая машина Томаса Ньюкомена . Стоит сказать, что он, конечно, не был первопроходцем в данной сфере. Однако Томас Ньюкомен и его паровая машина дали толчок к развитию промышленности тех лет.
Особенности нового механизма
Паровой двигатель Томаса Ньюкомена создавался с учетом наработок других изобретателей. В помощники кузнец взял Коули (водопроводчика). В своем устройстве Ньюкомен использовал рациональные идеи и наработки, сделанные до него. В качестве основы был взят цилиндр Папена. Однако пар в устройстве, обеспечивающий поднятие поршня, был в отдельном котле, так же как у Севери.
Механизм действия
Агрегат работал по следующей схеме. В одном котле шло постоянное образование пара. Эта емкость была оснащена краном. В определенный момент он открывался, и пар попадал в цилиндры. За счет поднимался вверх. Он, в свою очередь, был связан со штангой от водяного насоса посредством цепи и балансира. Она при движении поршня вверх перемещалась вниз. Вся полость цилиндра заполнялась паром. После этого вручную открывался второй кран. Через него в цилиндр попадала холодная вода. Соответственно, пар конденсировался, а внутри емкости создавалось разряжение. Поршень под воздействием атмосферного давления опускался. При этом он тянул цепь балансира за собой. Штанга насоса двигалась вверх. Соответственно, откачивалась следующая порция воды. Затем цикл повторялся заново.
Сложности установки
Созданная Ньюкоменом машина функционировала с перерывами. Соответственно, она не могла стать механизмом, запускающим промышленное оборудование, требовавшее непрерывного движения. Однако в этом и не состояла цель изобретателя. Ньюкомен хотел создать такой насос, с помощью которого можно было бы откачивать из шахт воду. Это и удалось изобретателю. Высота машины был примерно равна четырех-пятиэтажному дому.
Кроме этого, устройство было очень "прожорливым". Обслуживание установки осуществляли два человека. Один постоянно подбрасывал в котел уголь. На втором лежала ответственность за краны, которые впускали холодную воду и пар. Безусловно, это была очень тяжелая работа. Машина Ньюкомена имела мощность 8 л. с. За счет этого воду можно было поднимать с глубины до 80 м. Расход топлива составлял 25 кг угля/час на 1 л. с. Первые опыты изобретатель начал в 1705 г. Ему потребовалось около десяти лет, чтобы сделать исправно работающее устройство.
Практическое применение
Машина Ньюкомена была широко распространена в рудных и угольных шахтах в Англии, Германии и Франции. Устройство использовалось преимущественно в горной промышленности. Также его применяли при снабжении водопроводов в крупных городах. Из-за того что машина была очень громоздкой и потребляла много топлива, она нашла применение в основном в узкоспециализированных целях. Изобретателю так и не удалось сделать из агрегата универсальный механизм. Однако установка была взята за основу Уаттом, создавшим новую модель парового двигателя.
Открывание кранов часто осуществляли дети. В Корнуэлле на машине Ньюкомена работал Гемфри Поттер. Однообразная деятельность подтолкнула мальчика к мысли о том, чтобы заставить агрегат самостоятельно открывать и закрывать эти краны. Он взял два кусочка проволоки и соединил рукоятки с балансиром. Это было сделано с определенным расчетом. Балансир во время поворота за движением поршня стал закрывать и открывать краны, когда это было нужно. Это нововведение стали называть по имени мальчика механизмом Поттера.
Заключение
На свое изобретение Ньюкомен не получил патент. Дело в том, что такой подъемник уже был зарегистрирован Севери в 1698 г. Соответственно, любые возможности использования агрегата уже были закреплены за ним. Но спустя время Севери и Ньюкомен стали вместе работать над машиной.