Винахід парової машини перші парові двигуни

Інтерес до водяної пари, як доступного джерела енергії, з'явився разом із першими науковими знаннями стародавніх. Приручити цю енергію люди намагалися упродовж трьох тисячоліть. Які основні етапи цього шляху? Чиї роздуми та проекти навчили людство отримувати з нього максимальну користь?

Передумови появи парових двигунів

Потреба механізмах, здатних полегшити трудомісткі процеси, існувала завжди. Приблизно до середини XVIII століття для цієї мети використовувалися вітряки та водяні колеса. Можливість використання енергії вітру безпосередньо залежить від примх погоди. А для використання водяних коліс фабрики доводилося будувати на берегах річок, що не завжди зручно і доцільно. Та й ефективність тих та інших була надзвичайно мала.Потрібен був принципово новий двигун, легко керований і позбавлений цих недоліків.

Історія винаходу та вдосконалення парових двигунів

Створення парового двигуна - результат довгих роздумів, успіхів і катастроф надій безлічі вчених.

Початок шляху

Перші, поодинокі проекти були лише цікавими дивовижками. Наприклад,Архімед сконструював парову гармату,Герон Олександрійський використовував енергію пари для відкриття дверей античних храмів. А нотатки про практичне застосування енергії пари для приведення в дію інших механізмів дослідники знаходять у працяхЛеонардо да Вінчі.

Розглянемо найбільші проекти з цієї тематики.

У XVI столітті арабський інженер Таґі аль Дін розробив проект примітивної парової турбіни. Однак практичного застосування вона не отримала через сильне розсіювання струменя пари, що подається на лопаті колесатурбіни.

Перенесемося до середньовічної Франції. Фізик та талановитий винахідник Дені Папен після багатьох невдалих проектів зупиняється на наступній конструкції: вертикальний циліндр заповнювали водою, над якою встановлювали поршень.

Циліндр нагрівали, вода закипала та випаровувалась. Пара, що розширюється, піднімала поршень. Його закріплювали у верхній точці підйому і очікували остигання циліндра та конденсації пари. Після конденсації пари в циліндрі утворювався вакуум. Звільнений від кріплення поршень під впливом атмосферного тиску прямував у вакуум. Саме це падіння поршня передбачалося використати як робочий хід.

Тому паровий двигун Папена як і більшість наступних проектів отримали назву пароатмосферних машин.

Ця конструкція мала дуже істотний недолік — не була передбачена повторюваність циклу. Дені приходить до ідеї отримувати пару не в циліндрі, а окремо в паровому котлі.

В історію створення парових двигунів Дені Папен увійшов як винахідник дуже важливої деталі парового котла.

А оскільки пара стали одержувати поза циліндром, сам двигун перейшов у розряд двигунів зовнішнього згоряння. Але через відсутність розподільчого механізму, який би безперебійну роботу, ці проекти майже знайшли практичного застосування.

Новий етап у розробці парових двигунів

Близько 50 років для відкачування води у вугільних шахтах використовувався паровий насос Томаса Ньюкомена. Він багато в чому повторював попередні конструкції, але містив дуже важливі новинки — трубу для виведення сконденсованої пари і запобіжний клапан для випуску зайвої пари.

Його суттєвим мінусом було те, що циліндр доводилося щось нагрівати передвпорскуванням пари, то охолоджувати перед його конденсацією. Але потреба в таких двигунах була настільки високою, що, незважаючи на їхню очевидну неекономічність, останні екземпляри цих машин прослужили аж до 1930 року.

У 1765 роціанглійський механік Джеймс Уатт, зайнявшись удосконаленням машини Ньюкомена,відокремив конденсатор від парового циліндра.

З'явилася можливість тримати циліндр постійно нагрітим. ККД машини одразу виріс. У наступні роки Уатт значно удосконалить свою модель, оснастивши її пристроєм для подачі пари то з одного, то з іншого боку.

Стало можливим використовувати цю машину не тільки як насос, а й для приведення в дію різних верстатів. Уатт отримав патент на свій винахід - паровий двигун безперервної дії. Починається масовий випуск цих машин.

На початку ХІХ століття Англії працювало понад 320 парових машин Уатта. Їх почали закуповувати та інші європейські країни. Це сприяло значному зростанню промислового виробництва у багатьох галузях як самої Англії, і сусідніх держав.

Заводське начальство запропонувало йому побудувати агрегат, який би приводив у дію повітродувку плавильної печі.

Побудована ним машина була двоциліндровою та забезпечувала безперервну дію приєднаного до неї пристрою.

Успішно пропрацювавши понад півтора місяці, котел дав текти. Самого Ползунова до цього часу вже не було живим. Ремонтувати машину не стали. І чудовий витвір українського винахідника-одинака був забутий.

Через відсталість Укаїни того часусвіт дізнався про винахід І. І. Ползунова з великим запізненням ....

Отже, для приведення в дію парової машининеобхідно, щоб пара, що виробляється паровим котлом, розширюючись, тиснув на поршень або лопаті турбіни. А потім їхній рух передавався іншим механічним частинам.

Застосування парових машин на транспорті

Незважаючи на те, що ККД парових двигунів того часу не перевищував 5%, до кінця XVIII століття їх почали активно використовувати в сільському господарстві та на транспорті:

у Франції з'являється автомобіль із паровим двигуном;
у США починає курсувати пароплав між містами Філадельфія та Берлінгтон;
в Англії продемонстровано залізничний локомотив на паровій тязі;
український селянин із Саратовської губернії запатентував збудований ним гусеничний трактор потужністю 20 л. с.;
неодноразово робилися спроби побудувати літак із паровим двигуном, але, на жаль, мала потужність цих агрегатів при великій вазі літака робила ці спроби невдалими.

Вже до кінця XIX століття парові двигуни, зігравши свою роль у технічному прогресі суспільства, поступаються місцем двигунам внутрішнього згоряння та електродвигунам.

Парові пристрої у XXI столітті

З появою нових джерел енергії у XX та XXI столітті знову з'являється потреба у використанні енергії пари.Парові турбіни стають невід'ємною частиною АЕС. Пар, що приводить їх у дію, одержують за рахунок ядерного палива.

Широко використовуються ці турбіни на конденсаційних теплових електростанціях.

У ряді країн проводяться експерименти щодо отримання пари за рахунок сонячної енергії.

Не забуто й поршневі парові двигуни. У гірських місцевостях як локомотивдосі використовують паровози.

Ці надійні трудівники і безпечніші, і дешевші.Лінії електропередач їм не потрібні, а паливо – деревина та дешеві сорти вугілля завжди під рукою.

Сучасні технології дозволяють вловлювати до 95% викидів в атмосферу і підвищити ККД до 21%, так що люди вирішили поки що з ними не розлучатися і працюють над паровими локомотивами нового покоління.