Історія парових машин

До винайдення двигуна, що працює на бензині, механічний транспорт використовувався парою . Насправді концепція парового двигуна передує сучасним двигунам на пару тисяч років, оскільки математик і інженер Герон Александрійський, який жив у римському Єгипті протягом першого століття, був першим, хто описав рудиментарну версію, яку він назвав Еоліпіл.

Попутно кілька провідних вчених гралися з ідеєю використати силу, створювану нагріванням води, для приводу якоїсь машини. Одним із них був не хто інший, як Леонардо да Вінчі, який десь у 15 столітті розробив проекти парової гармати під назвою Architonnerre. Основна парова турбіна також була детально описана в роботах єгипетського астронома, філософа та інженера Такі ад-Діна в 1551 році.

Однак справжня основа для розробки практичного робочого двигуна була створена лише в середині 1600-х років. Саме в цьому столітті кілька винахідників змогли розробити та випробувати водяні насоси, а також поршневі системи, які проклали шлях для комерційного парового двигуна. З цього моменту комерційна парова машина стала можливою завдяки зусиллям трьох важливих діячів.

Томас Савері (1650–1715)

Томас Савері — англійський військовий інженер і винахідник. У 1698 році він запатентував першу сиру парову машину, засновану на варильному котлі або скороварці Дені Папена 1679 року.

Савері працював над вирішенням проблеми відкачування води з вугільних шахт, коли йому прийшла в голову ідея парового двигуна. Його машина складалася із закритої посудини, наповненої водою, в яку вводилася пара під тиском. Це змусило воду піднятися вгору та вийти зі стовбура шахти. Потім для конденсації пари використовувався спринклер з холодною водою. Це створювало вакуум, який висмоктував більше води зі стовбура шахти через нижній клапан.

Томас Савері пізніше працював з Томасом Ньюкоменом над атмосферним паровим двигуном. Серед інших винаходів Савері був одометр для кораблів , прилад, який вимірював пройдену відстань.

Томас Ньюкомен (1663–1729)

Томас Ньюкомен був англійським ковалем, який винайшов атмосферний паровий двигун. Винахід був вдосконаленням попередньої розробки Томаса Савері.

Парова машина Ньюкомена використовувала для роботи силу атмосферного тиску. Цей процес починається з того, що двигун накачує пару в циліндр. Потім пара конденсувалася холодною водою, що створювало вакуум усередині циліндра. Результуючий атмосферний тиск приводив у дію поршень, створюючи удари вниз. У двигуні Ньюкомена інтенсивність тиску не обмежувалася тиском пари, що є відмінністю від того, що запатентував Томас Савері в 1698 році.

У 1712 році Томас Ньюкомен разом з Джоном Каллі побудували свій перший двигун на вершині заповненої водою шахти і використовували його для викачування води з шахти. Двигун Ньюкомена був попередником двигуна Уатта, і це була одна з найцікавіших частин технологій, розроблених протягом 1700-х років.

Джеймс Ватт (1736–1819)

Джеймс Ватт , шотландський винахідник та інженер-механік, який народився в Гріноку, був відомий своїми вдосконаленнями парової машини. Працюючи в Університеті Глазго в 1765 році, Ватту було доручено відремонтувати двигун Ньюкомена, який вважався неефективним, але найкращим паровим двигуном свого часу. Це поклало початок винахіднику працювати над декількома вдосконаленнями дизайну Ньюкомена.

Найпомітнішим удосконаленням став патент Ватта 1769 року на окремий конденсатор, з’єднаний з циліндром за допомогою клапана. На відміну від двигуна Ньюкомена, конструкція Ватта мала конденсатор, який міг охолоджуватися, поки циліндр був гарячим. Згодом двигун Ватта став домінуючою конструкцією для всіх сучасних парових машин і допоміг здійснити промислову революцію.

Одиниця потужності під назвою Ватт була названа на честь Джеймса Уатта. символ ват – W, і він дорівнює 1/746 кінської сили, або один вольт, помножений на один ампер.

Як працюють парові машини?

Вони були першим джерелом механічної енергії, винайденим людством

Доннінг Кіндерслі / Getty Images

Нагрійте воду до точки кипіння, і вона перетвориться з рідини на газ або водяну пару, яку ми знаємо як пару. Коли вода стає парою, її об’єм збільшується приблизно в 1600 разів, це розширення повне енергії.

Двигун – це машина, яка перетворює енергію в механічну силу або рух, який може обертати поршні та колеса. Призначення двигуна – забезпечити потужність, парова машина забезпечує механічну потужність, використовуючи енергію пари.

Парові двигуни були першими успішно винайденими двигунами і стали рушійною силою промислової революції . Вони використовувалися для роботи перших поїздів, кораблів, заводів і навіть автомобілів . І хоча парові двигуни були безперечно важливими в минулому, тепер вони також мають нове майбутнє, постачаючи нам електроенергію з геотермальних джерел енергії.

Як працюють парові машини

Щоб зрозуміти базову парову машину, візьмемо приклад парової машини, знайденої в старому паровому локомотиві, подібному до зображеного. Основними частинами парової машини в локомотиві були б котел, золотник, циліндр, паровий резервуар, поршень і ведуче колесо.

У котлі була топка, куди засипали вугілля. Вугілля буде горіти при дуже високій температурі та використовуватися для нагріву котла для кип’ятіння води, утворюючи пару під високим тиском. Пара високого тиску розширюється і виходить з котла через паропроводи в резервуар для пари. Потім пара контролюється золотниковим клапаном, щоб рухатися в циліндр, щоб штовхати поршень. Тиск енергії пари, що штовхає поршень, обертає ведуче колесо по колу, створюючи рух для локомотива.

Історія парових машин

Люди знали про силу пари протягом століть. Грецький інженер, Герой Олександрійський (приблизно 100 р. н. е.), експериментував з парою і винайшов еоліпіл, перший, але дуже грубий паровий двигун. Еоліпіл був металевою сферою, встановленою на чайнику з киплячою водою. Пара прямувала по трубах до кулі. Дві L-подібні труби на протилежних сторонах сфери випускали пару, яка створювала поштовх до сфери, що змушувало її обертатися. Однак Геро так і не усвідомив потенціал еоліпіла, і минули століття, перш ніж буде винайдено практичний паровий двигун.

У 1698 році англійський інженер Томас Савері запатентував першу парову машину. Сейвері використав свій винахід для викачування води з вугільної шахти. У 1712 році англійський інженер і коваль Томас Ньюкомен винайшов атмосферну парову машину. Призначенням парової машини Ньюкомена також було видалення води з шахт. У 1765 році шотландський інженер Джеймс Уатт почав вивчати парову машину Томаса Ньюкомена і винайшов її вдосконалену версію. Саме двигун Ватта першим мав обертовий рух. Проект Джеймса Ватта був успішним, і використання парових двигунів стало широко поширеним.

Парові двигуни мали глибокий вплив на історію транспорту. Наприкінці 1700-х років винахідники зрозуміли, що парові двигуни можуть рухати човни, і перший комерційно успішний пароплав винайшов Джордж Стівенсон. Після 1900 року бензинові та дизельні двигуни внутрішнього згоряння почали замінювати парові поршневі двигуни. Однак за останні двадцять років парові двигуни знову з’явилися.

Парові машини сьогодні

Може бути дивно знати, що 95 відсотків атомних електростанцій використовують парові двигуни для виробництва енергії. Так, радіоактивні паливні стрижні на атомній електростанції використовуються так само, як вугілля в паровому локомотиві, для кип’ятіння води та створення енергії пари. Однак захоронення відпрацьованих радіоактивних паливних стрижнів, вразливість атомних електростанцій до землетрусів та інші проблеми створюють великий ризик для населення та навколишнього середовища.

Геотермальна енергія — це енергія, що виробляється за допомогою пари, що утворюється за рахунок тепла, що виходить із розплавленого ядра землі. Геотермальні електростанції є відносно екологічною технологією . Kaldara Green Energy, норвезько-ісландський виробник обладнання для виробництва геотермальної електроенергії, був головним інноватором у цій галузі.

Сонячні теплові електростанції також можуть використовувати парові турбіни для виробництва енергії.