Появление и развитие теплового двигателя

Ранние попытки создания теплового двигателя как двигателя, не зависящего от местных условий, были осуществлены для решения задачи водоподъеме. Устройством такого рода, в котором двига­тель конструктивно слит с потребителем энергии, явился паровой водоподъемник англичанина Севери, запатенто­ванный им в 1698 г.

Рис.5.Схема водоподъёмника Т.Севери

В водоподъемнике Севери (рис.5) пар из котла 2 через открытый кран 4 поступал в камеру 1 и вытеснял из неё воду через нагнетальный клапан 6 при закрытом всасывающем клапане 7 в верхний резервуар 5. Затем кран 4 закрывался и камера поливалась холодной водой из специального резервуара. Пар в камере конденсировал­ся, образовывался вакуум, и атмосферное давление запол­няло камеру 1 водой через всасывающий клапан 7. Затем цикл повторялся.

Соприкосновение пара с холодной водой в камере, ко­торая являлась одновременно и двигателем и насосом, приводило к крайней неэкономичности установки, исполь­зующей на работу водоподъема только 0,5% тепла, за­ключенного в топливе. Тем не менее, острая нужда в двига­теле для откачивания воды из рудников и шахт привела к некоторому распространению установки Севери. Более того, Севери предлагал объединить его установку, способ­ную выполнять единственную функцию − подъем воды, с водяным колесом для придания ей свойств универсаль­ного двигателя. Такая комбинированная силовая установ­ка давала возможность водяному колесу, способному приводить в движение любую машину, работать в любой точке, где создавался искусственный напор, за счет сжигания подвезенного топлива.

Следующему этапу становления теплового двигателя, когда он конструктивно отделился от машины-орудия, предше­ствовала работа ряда ученых и изобретателей. В частности француза Папена, который исследуя работу пара в полости цилиндра, ограниченной подвижным поршнем, впервые правильно описал последовательность процессов термодинамического цик­ла парового двигателя (в книге, изданной в 1698 г.).

Машина Папена не была в состоянии успешно работать, поскольку все основные процессы парового двигателя (об­разование пара, получение работы и конденсация пара) протекали в одном агрегате − цилиндре с поршнем.

Узло­выми моментами последующей истории развития парового двигателя явились отделение от цилиндра сначала котла, а потом конденсатора.

В установке Севери цилиндр был уже отделен от дви­гателя, но сам двигатель был объединен с насосом, по­верхность воды вкотором служила как бы общим порш­нем для двигателя и насоса. Применение реального порш­ня позволило сделать существенный шаг вперед в обо­соблении двигателя от орудия. Этот шаг удоб­но проследить на водоподъемной установке Ньюкомена − Коули. Эти изобретатели также исходили из потребности откачивания воды из рудников, причем она воспринима­лась ими в конкретной форме замены лошадей или водя­ного колеса, применявшихся для приведения в действие рудничных насосов. Работа сводилась к необходимости периодически поднимать длинную насосную штангу, вы­ходящую на поверхность земли; опускалась штанга под действием собственного веса. Таким образом, периодич­ность работы насоса простого действия, установленного на дне шахты, хорошо согласовывалась с периодичностью ра­боты пара в полости двигателя.

Рис.6. Водоподъёмная установка Ньюкомена−Коули

При опускании насосной штанги п и груза т под действием тяжести поршень h (рис.6) поднимался и в освобождающееся под ним пространство через открытый кран к поступал пар из котла а, где давление лишь слегка превышало наружное (атмосферное) давление. При этом работа пара аккумулировалась в атмосферном дав­лении. При достижении поршнем верхнего положения кран к закрывался и кран о открывал доступ в полость цилиндра холодной воде из резервуара g по трубке р. Хо­лодная вода конденсировала пар, в цилиндре образовывался вакуум, и атмосферное давление возвращало аккумулированную в нем работу, двигая поршень вниз и производя подъем насосной штанги.

Отделение двигателя от насоса давало возможность изменять соотношение диаметров их поршней и получать высокое давление в насосе при низком давлении в двига­теле, а следовательно, поднимать воду с больших глубин при низком давлении пара в котле. Так, одна из реаль­ных установок, построенных в Англии, поднимала воду на высоту 80 м, и, следовательно, давление на поршень насоса должно было быть 800 кПа. Но при отношении площадей поршней двигателя и насоса равному 16-ти давление на поверхность поршня двигателя должно было составлять всего 800:16 = 50кПа. Это давление на поршень двигателя легко достигалось путем получения под поршнем вакуума при взбрызгивании воды; рабочее давление было равно 100кПа (давление атмосферы) минус 50кПа (давление под поршнем, вакуум), т. е. потребные для подъема воды 50кПа.

Насосы описанной конструкции применялись почти в течение столетия, хотя, отдавая работу прерывно, они являлись весьма ограниченными по возможностям их ис­пользования.

Дальнейшее совершенствование поршневого парового двигателя связаны с работами Уатта. Уатт начал с частной задачи − повышения экономичности двигателя Ньюкомена, возникшей в связи с порученной ему как ме­ханику университета в Глазго (Шотландия) работой по по­чинке действующей модели водоотливной паровой установ­ки Ньюкомена.

В 1769 г. Уатт запатентовал паровой двигатель с от­дельным конденсатором (рис.7). Теперь конструкция парового дви­гателя содержала все основные элементы: паровой котел, цилиндр, конденсатор.

Рис.7. «Усовершенствованная» машина Ньюкомена по патенту Уатта с отделенным конденсатором

Отделение конденсатора явилось су­щественным шагом в поисках путей снижения расхода топ­лива. Кроме того, Уатт ввёл в конструкцию двигателя паровую рубашку, уменьшающую температурные колебания стенок цилинд­ра.

Стремясь увеличить мощность машины без увеличения размеров цилиндра, Уатт предложил впускать пар во вторую полость цилиндра. Таким путем он пришел к двигателю двойного действия.

Использующийся и всё более совершенствующийся пароатмосферный двигатель не требовал пара избыточного давления, получение которого было весь­ма сложным в условиях всего XVIII в. Основные детали конструкции котла − стальной прокатный лист или цель­нотянутая стальная труба − были освоены производством только в XIX в. В XVIII в. котлы строили из медных листов, откованных вручную, имевших площадь не более 0,5 м²; только к концу XVIII в. эти листы стали отковывать из мягкого железа. В этих условиях пароатмосферный двигатель, работавший без избыточного давления, был исключительно целесообразным.

Но дальнейшее повышение КПД нельзя достигнуть без использования пара с давлением больше атмосферного. Эффективность увеличения давления становилась все более очевидной уже в 30-е годы XIX в. паровые котлы высокого давления при получили почти всеобщее распространение. Правда, в то время переход к «высоким давлениям» означал только повышение котельного давления с 0,05—0,1 до 0,5—1,0 ати, но наметившаяся тенденция развивалась ускоренно и к концу XIXв. котельные давления достигали значений порядка 13-15 ати.