Тепловые двигатели
Тепловые двигатели
Первое описание принципиального устройства поршневой машины было опубликовано в трудах Парижской академии наук в 1680 г. Автор идеи — голландский физик Христиан Гюйгенс. В предложенной им конструкции машины поршень поднимался в цилиндре вверх за счет взрыва пороха под ним. Обратный (рабочий) ход поршень совершал под действием атмосферного давления и собственной силы тяжести. Для возможности движения поршня вниз продукты сгорания под ним следовало охладить. Поэтому процесс движения протекал очень медленно. Такая поршневая машина стала называться «атмосферный поршневой двигатель».
Реализация идеи даже в виде модели в то время встретила серьезные затруднения, прежде всего, из-за отсутствия технологии внутренней расточки металлического цилиндра. Как следствие, Гюйгенсу не удалось обеспечить его правильной геометрической формы и плотного прилегания поршня к стенкам, т.е. герметичность рабочего пространства. После первых испытаний модели работа над ней была прекращена.
Однако, несмотря на отсутствие положительного результата, работа X. Гюйгенса должна быть отмеченной — в публикации о ней впервые была описана схема принципиального устройства поршневой машины со всеми ее атрибутами (цилиндр, поршень и клапаны), которые присутствуют и ныне в конструкции современных поршневых тепловых двигателей.
Ученик Гюйгенса, французский физик Дени Папен, изучавший в Англии вместе с Робертом Бойлем свойства водяного пара, в 1690 г. попытался сделать поршневой двигатель паровым. Поместив в цилиндре под поршнем вместо пороха какое-то количество воды, он разводил под днищем цилиндра огонь. Образовавшийся пар поднимал поршень вверх, после чего огонь следовало убрать, а цилиндр, как в машине Гюйгенса, охладить. Рабочий ход вниз должен был также происходить под действием атмосферного давления.
Однако очень медленный ход поршня (Папен пытался сделать стенки цилиндра, кроме днища, деревянными, типа бочки) и необходимость попеременного перемещения огня под днищем цилиндра делали этот проект тоже практически неосуществимым. Позднее Папен опубликовал брошюру, в которой указал на необходимость охлаждения пространства под поршнем до конденсации пара и, таким образом, представил замкнутый цикл работы воды и пара в паросиловой энергетической установке (испарение воды — расширение пара — конденсация пара и т.д.).
При плавке металлов в XVII в. использовалась теплота сгорания древесного угля. Развитие металлургии приводило, таким образом, к вырубке и опустошению лесов, в особенности в Англии с ее ограниченной территорией. Поэтому началась интенсивная добыча каменного угля. Его запасы в Англии были велики, но уголь находился на глубине, под водоносными слоями. Насосы, приводимые в движение лошадьми, число которых в отдельных шахтах доходило до 500, не могли справиться с откачиванием потоков воды в шахтах, которые между тем становились все глубже (в 1700 г. средняя глубина шахты составляла 120м, в 1750 г. дошла до 180 м).
Таким образом, к созданию теплового двигателя приводила острая необходимость обеспечения привода для насосов, откачивающих воду в горной промышленности. Томас Севери, владелец шахты в Англии, в 1698 г. получил патент на паровой насос для откачивания воды. Это был беспоршневой двухклапанный двигатель, который работал циклически. Установка состояла из парового котла с топкой и отдельного резервуара, игравшего роль вакуумного насоса.
Вакуум создавался в резервуаре, заполненном паром, вследствие его наружного охлаждения и конденсации пара. Тогда под действием атмосферного давления в резервуар по вертикальной трубе засасывалась вода из шахты. Установка действовала, но насос поднимал воду лишь на небольшую высоту. На работу этой установки затрачивалось очень много топлива, так как тепловая энергия пара при его конденсации терялась безвозвратно.
Рекомендуемые материалы
Как известно из школьного курса физики, коэффициентом полезного действия (кпд) узла или машины называется отношение полезной работы (энергии) к затраченной. Так что кпд насосной установки Севери оценивался несколькими десятыми долями процента. Но других средств не было и поэтому они (в 1702 г. Севери назвал свою машину «Друг рудокопа") стали распространяться в угледобывающей промышленности. Это была еще не паровая машина, а термомеханический насос, который работал циклически, но непрерывно.
Томас Ньюкомен — кузнец, изобретатель — в 1712 г. усовершенствовал идею Севери, отделив насос от собственно двигателя. Его система состояла из парового котла, парового цилиндра с поршнем (аналогичного машине Папена), который через рычажную передачу приводил в движение поршневой водяной насос. Первые два элемента системы уже представляли стационарную энергетическую установку: тепловой генератор (паровой котел) и тепловой двигатель, который работал по принципу пароатмосферной машины, поршень которой совершал один ход—вверх, под действием давления пара, авто-рой рабочий код — вниз, под действием атмосферного давления после конденсации пара в цилиндре.
Это была первая работоспособная паросиловая установка, которая за счет внутренней энергии топлива выполняла механическую работу. Процесс проходил в два этапа, а именно: паровой котел преобразовывал потенциальную химическую энергию сжигаемого топлива в тепловую (энергию водяного пара), а затем в поршневом двигателе последняя преобразовывалась в механическую работу движения поршня. Но эта система также не была универсальной и могла использоваться именно только как мотор-насос. Для выполнения других работ насос поднимали выше, чтобы подаваемая им вода направлялась на водяное колесо, которое могло приводить во вращение другие потребители энергии. Это связано с дополнительными потерями, поэтому насос был сложен и малоэффективен.
Совершенствованием атмосферной машины Ньюкомена занимались многие изобретатели. Они вводили в нее одно изменение за другим, и она скоро получила широкое распространение на шахтах в Англии. В 1725 г. была построена установка Ньюкомена с двумя параллельными цилиндрами, которые действовали попеременно, ускоряя работу и увеличивая вдвое производительность. Однако их эффективность продолжала оставаться весьма низкой, так как много теплоты терялось зря и, следовательно, расход топлива был по-прежнему очень большим.
Известный российский изобретатель И.И. Ползунов, работавший на барнаульских заводах в 1763 г., воспользовавшись идеей Ньюкомена, разработал проект пароатмосферной машины для привода кузнечных мехов, которая была построена и испытана спустя несколько лет.
Рекомендуем посмотреть лекцию "Часть 1".
Таким образом, техническое развитие горной промышленности и металлургического производства в середине XVIII в. опиралось на стационарные пароатмосферные машины типа Севери и Ньюкомена, еще малоэффективные и громоздкие. Задача создания универсального теплового двигателя широкого применения смогла быть решена лишь в последней трети того столетия.
Джеймс Уатт внес в работу паровой поршневой машины целый ряд принципиальных и оригинальных усовершенствований. В 1763 г. Дж. Уатт нашел важное решение, повышающее эффективность парового двигателя Ньюкомена, — он ввел отдельный от цилиндра конденсатор, что существенно уменьшило потери теплоты и расход топлива и, следовательно, повысило кпд машины.
При конденсации пара в конденсаторе цилиндр мог оставаться теплым. Поэтому стало возможным его теплоизолировать, чтобы теплота не уходила в окружающую среду. Как уже говорилось, это изобретение положило начало эпохе паровых машин.
В 1782 г, Уатт получил второй патент на следующее техническое решение — использование расширения пара в цилиндре, что вдвое снижало расход пара на единицу работы. В 1784 г. Джеймс Уатт разработал еще несколько важнейших технических решений: двойное действие пара в цилиндре (оба хода поршня стали рабочими), двухцилиндровую машину, обеспечивающую преодоление мертвых точек и более равномерное вращение вала, и, наконец, всем известный центробежный регулятор скорости вращения вала («регулятор Уатта»).
Все нововведения сделали паровую машину Уатта универсальным тепловым двигателем, который находил применение во всех отраслях промышленности, мог быть использован и на транспортных средствах. Кпд этого двигателя по величине достигал уже порядка двух-трех процентов. Эта очень мало, но было значительно эффективнее всех существовавших до Уатта тепловых машин.
Поршневая паровая машина, основанная на возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре, как отмечалось ранее, явилась результатом работы многих изобретателей. Джеймс Уатт своим трудом и творчеством довел идею использования водяного пара в качестве рабочего тела теплового двигателя до технического совершенства и сделал паровую машину работоспособной и универсальной, что привело к интенсификации развития промышленности, подлинной технической революции, благодаря которой XIX в. назвали «веком пара», Заслуги Джеймса Уатта в технике и энергетике настолько велики, что во всем мире единица измерения мощности была названа в его честь «Watt» (W) [по русски принято читать и обозначать это наименование как «Ватт» (Вт)].
