Всё началось с конденсатора
Знаменитый шотландский физик Джеймс Уатт, именем которого названа единица измерения мощности, своим изобретением запустил промышленную революцию в Англии, откуда она затем распространилась по всему миру. Нет, Уатт не был изобретателем паровой машины - он усовершенствовал уже существующую конструкцию. И главным нововведением, которое он предложил, был паровой конденсатор.
То горячий, то холодный
Впервые с паровой машиной «в железе» Джеймс Уатт познакомился зимой 1763 года, когда работал механиком при университете Глазго, изготавливая и налаживая разнообразные научные инструменты. Несколькими годами раньше приятель Уатта, физик и математик Джон Робинсон, поделился с ним идеей тележки на паровом ходу, но Уатт, на тот момент лишь в общих чертах представлявший себе принцип действия паровой машины, не сумел создать её работающую модель. А в 1763-м он получил от профессора Джона Андерсона принадлежавшую университету уменьшенную модель парового насоса Томаса Ньюкомена с двухдюймовым цилиндром и рабочим ходом поршня в шесть дюймов. Назвать эту модель действующей можно было лишь условно: она запускалась, но пара в котле хватало очень ненадолго, и после нескольких первых тактов поршень останавливался. Андерсон рассчитывал, что в руках Уатта машина наконец-то заработает.
Непосредственной причиной неправильного поведения модели было нарушение пропорций при её изготовлении: слишком толстые относительно внутренних размеров стенки цилиндра поглощали тепло быстрее, чем крохотный котел успевал его вырабатывать. Уатт сумел скомпенсировать этот недостаток, заменив металлический цилиндр деревянным, который предварительно смазал льняным маслом и высушил в печи, и уменьшив количество воды, поднимаемой насосом за один цикл. Но по ходу работы он не мог не обратить внимания на чрезвычайно низкую эффективность машины Ньюкомена как таковой.
Эта машина не была универсальным двигателем - её использовали только для привода насоса, а попытки найти ей ещё какое-либо применение не увенчались успехом. Поршень насоса через коромысло соединялся с поршнем парового цилиндра, который, опускаясь, поднимал воду. Сначала в цилиндр впускался пар, поднимавший поршень, затем в пространство, заполненное паром, впрыскивалась холодная вода, пар конденсировался, создавая область низкого давления - «вакуум», или «пустоту» в тогдашней терминологии, - и поршень под действием атмосферного давления совершал рабочий ход вниз. Таким образом, в первой половине цикла стенки цилиндра разогревались от впускаемого в него горячего пара, а во второй - остужались от холодной воды, нужной для конденсации. В следующем цикле процесс повторялся, и в результате бо́льшая часть (по подсчетам Уатта, порядка трёх четвертей) тепловой энергии, вырабатываемой паровым котлом при сжигании угля, тратилась на нагрев стенок цилиндра.
Чайник и скрытая теплота
Согласно популярной легенде, Джеймс Уатт в детстве задумался о движущей силе пара, наблюдая, как подпрыгивает крышка на кипящем чайнике; по другой версии внимание будущего изобретателя привлекло явление конденсации - он держал над паром то чашку, то серебряную ложечку и старался сосчитать образующиеся капельки. Это, по-видимому, вымысел - Уатт всерьез заинтересовался паровыми машинами лишь в зрелом возрасте, после знакомства с неудачной моделью машины Ньюкомена, - но возникший отнюдь не на пустом месте: взрослый Уатт исследовал конденсацию пара, используя в своих опытах обычный чайник.
Соединив стеклянной трубкой носик чайника и стеклянный цилиндр с колодезной водой, он кипятил чайник до тех пор, пока уровень воды в цилиндре не перестал повышаться (поскольку она нагрелась до точки кипения), а затем измерил получившийся объём воды. Как оказалось, он увеличился лишь на одну шестую, то есть конденсирующийся пар смог нагреть до температуры кипения количество воды, многократно превышающее его массу. Когда же Уатт поделился этим открытием со своим другом, профессором университета Глазго физиком и химиком Джозефом Блэком, для которого сделал ряд приборов, тот рассказал о своей теории скрытой теплоты.
Блэк по заказу производителей шотландского виски решал задачу расчёта оптимального количества топлива и охлаждающей воды для перегонки продукта. В 1761 году он установил, что разогревание смеси льда с водой не приводит к повышению её температуры, пока весь лёд не растает, а подогрев кипящей воды вызывает лишь более интенсивное образование пара. Теплоту, которая поглощается при переходе вещества из твёрдого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное (и выделяется при обратных процессах) без изменения температуры, Блэк назвал скрытой. Он также ввёл понятие теплоёмкости и определил удельную теплоту плавления ряда веществ. Результаты исследований Блэка увидели свет лишь в 1779 году, но Уатт познакомился с ними раньше. Вообще Блэк всячески поддерживал разработку машины Уатта - как советом, так и финансово.
Отдельная камера
Чтобы избежать непродуктивной потери тепла на периодический нагрев цилиндра, его, очевидно, следовало поддерживать в горячем состоянии, - но за счёт чего тогда понижать давление пара? В поисках ответа Уатт перечитал массу литературы по паровым двигателям и даже выучил для этого немецкий (в дополнение к французскому и итальянскому, которые уже знал), но в итоге нашёл совершенно оригинальное решение. Оно заключалось в том, чтобы предусмотреть для конденсации пара отдельную постоянно охлаждаемую камеру - Уатт назвал её конденсатором.
Конденсатор соединялся с рабочим цилиндром трубкой, в которую был установлен клапан. Пар поступал из котла в цилиндр и поднимал поршень. Когда поршень оказывался в верхнем положении, клапан открывался, пар уходил в конденсатор, и поршень опускался вниз. В нижнем положении поршня клапан конденсатора закрывался, открывался клапан парового котла, и начинался следующий цикл. Тёплый конденсат на каждом такте отсасывался из конденсатора вакуумным насосом в горячий резервуар, откуда затем отправлялся в котёл. Для снижения потери тепла Уатт дополнительно изолировал цилиндр, заключив его в «паровую рубашку», обшитую деревянными досками.
В 1769 году Уатт получил британский патент за номером 913 на «новоизобретённый метод уменьшения потребления пара и топлива в паровых машинах» и смог построить работающую модель машины с конденсатором. Ещё несколько лет он совершенствовал конструкцию, внося улучшения практически во все её части. Особенно много усилий отняла герметизация поршня в цилиндре - задача не находила удовлетворительного решения до тех пор, пока в 1774 году промышленник Джон Уилкинсон не изобрел расточный станок, обеспечивающий достаточно плотную подгонку деталей.
Наконец в 1776-м был продан и заработал на Карронском металлургическом заводе первый коммерческий образец машины Уатта - насос для откачивания воды из рудника, потреблявший вдвое меньше угля, чем машины Ньюкомена аналогичной мощности.
Дальнейшие доработки
В 1781 году коммерческий партнёр Уатта Мэтью Болтон написал ему, что рынок насосов для шахт практически насыщен, и предложил подумать над преобразованием возвратно-поступательного движения поршня во вращательное. Это открывало путь к созданию металлообрабатывающих, прядильных, ткацких и иных станков с паровым приводом. Применить кривошипно-шатунный механизм Уатт не смог из-за перекрывающего патента, поэтому использовал планетарную передачу.
Чтобы сделать движение поршня (и, как следствие, вращение махового колеса) более равномерным и повысить мощность двигателя, он сконструировал так называемую «машину двойного действия», у которой рабочими были оба хода поршня; вся работа при этом выполнялась за счёт давления пара (а не отрицательного давления, возникающего при конденсации). Клапаны с каждой стороны открывались по очереди для впуска свежего пара из котла и для выпуска отработанного пара в конденсатор. Поскольку поршень теперь не только тянул плечо коромысла вниз, но и толкал его вверх, соединение нужно было сделать жёстким (ранее поршень подвешивался на цепи). В 1784 году Уатт изобрёл механизм, удерживающий ось поршня вертикально, - он до сих пор называется механизмом, или параллелограммом Уатта и используется в некоторых автомобильных подвесках. Сам Уатт считал этот механизм своим величайшим достижением, но здесь можно и поспорить: наверное, конденсатор, без которого сегодня не обходится ни одна паровая турбина, всё-таки важнее.
Читайте другие наши материалы
