Паровая машина - насос

ПОЯВЛЕНИЕ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

Лекция 1. История создания паровой машины – универсального промышленного двигателя

Игрушки и легенды

О могучей силе пара люди догадывались еще в глубокой древности. Наиболее известен в этой области живший в 7-м веке до нашей эры Герон Александрийский – автор многочисленных трактатов, дошедших до нас в арабских и греческих переводах. В одном из них описан эолопил – медный шар, вращающийся под действием пара, выходящего из двух расположенных по бокам изогнутых трубок. Другая игрушка – фонтанчик, в которой закипающая в закрытом сосуде вода сама фонтанирует через впаянную в него трубку. Впечатляли устройства, с помощью которых как бы сами открывались двери храмов, когда разводили огонь на жертвенном месте. Существует легенда об изобретенной Героном некой машине, установленной на Форосском маяке (одно из чудес Света) и поднимавшей с помощью огня и воды дрова и бочонки с маслом.

Леонардо да Винчи описывает изобретенную якобы Архимедом (через четыре века после Герона) паровую пушку – архитронито. По его словам, архитронито представляло собой устройство из меди, которое с помощью пара метала ядра весом в один талан (40 кг) с большим шумом и большой силой на расстояние в шесть стадий (1 км.).

Паровая машина - насос

Научная революция XVI – XVII, связанная с именами Коперника, Галилея, Бекона, Гильберта и других, разорвала оковы средневековой схоластики, выплеснула творческий гений тысяч и тысяч инженеров, ученых, мыслителей. Не всем им суждено было кануть в безвестности.

В 1665 году во Франкфурте вышла книга занимавшегося устройством фонтанов в поместьях знатных особ французского инженера и архитектора Соломона де Ко «Причины движущих сил с различными полезными и забавными историями». В книге под № 5 описан «…способ поднимать воду с помощью огня. Может служить основою для различных машин…». В работе фактически описывается фонтан Герона Александрийского.

Идею использования пара для подъема воды развил англичанин Эдуард Сомерсет (лорд Вустер), второй маркиз Вустерский, живший во времена войны Карла 1 со своим парламентом. Страстное увлечение машинами и механизмами в юности сменилось не менее страстным увлечением политическими интригами, приведшими его в тюрьму, затем побег из тюрьмы во Францию, возвращение в Англию в качестве шпиона (в пользу Франции), и опять заключение в Тауэр. После освобождения в 1663 году Вустер опубликовал книгу «Век тех имен и образы тех изобретений, которые приходят мне на память». В книге под № 68 описан способ совершать работу с помощью пара.

Любопытно, что английские и французские историки техники до сих пор спорят о том, кому принадлежит приоритет в изобретении паровой машины - насоса: Соломону де Ко или Вустеру, приводя в доказательство тот или иной документ, заведомо опровергаемый противоположной стороной.

Другой претендент на звание изобретателя паровой машины - насоса тоже англичанин Сэмюэль Морленд прожил богатую приключениями жизнь: политика, изобретательская деятельность, затем опять политика, создание английской разведывательной службы (Интеллидженс сервис) и т.п. Преподнес в 1683 году королю Франции!!!? Людовику XIV рукопись «Начало новой силы огня, открытой кавалерам Морлендом в 1682 году и представленной его Христианнейшему Величеству». Морленд знал работы Вустера, но считал только себя первооткрывателем идеи использования силы огня и воды для совершения работы» Морленд уже достаточно хорошо знал количественные соотношения между водой и водяным паром, однако также как и его предшественники не оставил достаточно убедительных сведений о практическом создании какой либо машины.

Развивающаяся промышленность требовала все больше и больше энергии, которую в те времена предоставляло только водяное колесо (гидравлический двигатель). Однако использование гидравлического двигателя требовало расположения рядом с производством достаточно быстрой и полноводной реки. На шахтах, удаленных от рек использовали силу животных, что было чрезвычайно невыгодно (так, например, для откачки воды и подъема руды из шахты требовалось до 500 лошадей).

Отсутствие надежного двигателя, который мог бы работать независимо от того, есть рядом река или нет, сильно тормозило развитие текстильного производства, металлургии, горного дела.

Судовладелец, а затем капитан торгового флота англичанин Томас Севери (1650 - 1715) создал первую паровую машину-насос и получил на нее в 1699 году патент. Патент, полученный Севери, гласил: «Это – новое изобретение для подъема воды и получения движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня имеет большое значение для осушки рудников». По своему устройству это была та же машина, которую предлагали Вустер и Морленд, но с одним очень существенным отличием - в ней впервые была использована конденсация пара за счет его охлаждения. Свою машину Севери увековечил в книге под названием «Miner’s friend» («Друг рудокопа»).

Признанным авторитетом в постройке и усовершенствовании машин Севери стал французский ученый Дезагюлье (он предложил осуществлять конденсацию пара впрыском холодной воды), обвинивший Севери в плагиате. Дезагюлье утверждал, что Севери позаимствовал «свою» идею у Вустера, а чтобы скрыть это, скупал и уничтожал его сочинения. Машины Севери-Дезагюлье успешно работали во Франции и Голландии, а в 1717 году одна из таких машин была установлена в Летнем саду в Санкт-Петербурге (тогда в Летнем саду существовали фонтаны).

Машина представляла собой соединенный с котлом герметичный сосуд (конденсационный сосуд) с закрепленными в нем трубами: одна длявсасывания воды, другая для вытеснения воды, третья для осуществления конденсации пара - впрыскивания холодной воды в сосуд, когда он заполнен паром (представлено на рисунке 1-а). После того, как сосуд заполнялся водой, в него подавался под давлением пар и вытеснял воду (клапаны 1 и 3 закрыты, 2 и 4 открыты). По окончании вытеснения воды в сосуде создавалось разрежение (впрыском небольшого количества холодной воды), под воздействием которого засасывалась вода из шахты (клапаны 2 и 4 закрыты, 1 и 3 открыты) (рис.1-б). Затем процесс повторялся.

Хотя паровые насосы и получили некоторое распространение, сам этот принцип был малоперспективным, чтобы произвести промышленную революцию. Насос имел очень низкий коэффициент полезного действия (КПД= 0.3 %.), высота всасывания, определяемая атмосферным давлением, не могла превысить 10 метров, а подъем воды а каждые 10 метров требовал увеличение давления пара в котле на 1 ати = 98 кПа. Давление пара в котлах той поры не превышало 3 ати, в результате чего общая высота подъема воды не превышала 30 – 38 метров. Для приведения в действие станков приходилось комбинировать насос с водяным колесом, а для откачки воды из шахт (например, в Англии к 1700 году средняя глубина шахт составляла 120 метров, а к 1750 году - 200 метров) приходилось устраивать целый каскад из таких машин из-за ограниченной высоты всасывания и низкого напора. Необходим был новый подход в решении данной проблемы.