Пароатмосферные машины

Научные основы нового подхода проектирования подобных машин были созданы к середине XIIIV века трудами Торричелли, Паскаля, Герике, М.В.Ломоносовым и др.

Размышляя над тем, почему насос для фонтана великого герцога Флорентийского не хочет всасывать воду на запланированную 15-метровую высоту, итальянский математик Эванжелиста Торричелли (Evangelista Torricelli, 1608 - 1647) предположил, что воздух имеет вес!

Рисунок 1- Схема работы парового насоса Севери-Дезагюлье

Для проверки гипотезы он придумал гениальный по своей простоте и убедительности опыт, который теперь известен любому школьнику (если он изучал физику).

Сразу же разгорелась яростная дискуссия между сторонниками нового учения и сторонниками аристотелевой формулы: «...природа не терпит пустоты». К последним относился и великий французский физик Блез Паскаль (Bles Pascal, 1623 - 1662), который стремясь доказать, неправоту Торричелли, провел опыт с ртутью на высокой горе Пюи-де-Дом и .... убедившись в правоте Торричелли стал ярым сторонником и пропагандистом теории атмосферного давления.

Узнав о работах Торричелли, магденбургский бургомистр и изобретательный физик-экспериментатор Отто фон Герике, используя атмосферное давление, поставил несколько впечатляющих опытов. Наиболее известен получивший название "магденбургские полушария" опыт, проведенный Герике через 11 лет после открытия, сделанного Торричелли. Другой весьма впечатляющий опыт он провел в 1654 году в Регенсбурге. Соединив полость большого шара, из которого предварительно был откачан воздух, с цилиндром, он предложил двадцати мужчинам крепко ухватиться за веревку, соединенную через блоки с поршнем этого цилиндра. Неожиданно Герике открыл кран, соединяющий шар с полостью цилиндра под поршнем, воздух ворвался в шар, поршень под действием атмосферного давления резко опустился, подняв над землей всех, кто пытался удержать его!! Путь для создания нового двигателя был открыт! И действительно, если поднять поршень, а затем создать под ним вакуум, то атмосферное давление с силой опустит его, совершив полезную работу.

В 1674 году появился труд медика по профессии и физика по призванию Дени Папена (1646 - 1714) «Новые эксперименты с вакуумом и описание машин для его производства», а в 1690 году его статья «Новый способ получать дешевой ценой большие движущие силы». Вот как описал Папен свое изобретение. «Наливаю в цилиндр немного воды, опускаю в него поршень до самой поверхности оной ... вода под действием огня начинает кипеть и обращаться в пар, который производит давление на поршень и поднимает его до верха цилиндра, преодолевая давление атмосферы... После того отнимается огонь, и пар, сгущаясь благодаря охлаждению, производит в цилиндре пустоту. Теперь машина в состоянии произвести механическое действие, ибо поршень опускается с силой, равной давлению атмосферы, и может поднимать необходимый груз при помощи веревки и блоков». Рассказывают, что Папен построил такую пароатмосферную машину и (в сочетании с гидравлическим двигателем) установил ее на своем судне, разрушенной впоследствии испугавшимися конкуренции судовладельцами. Он совершенно ясно писал о своем судне другу и советчику Готфриду Лейбницу: «Сила течения настолько ничтожна по сравнению с силой моей машины, что с трудом можно заметить более быстрый ход вниз по течению, нежели вверх. В ней заложено все нужное мореплаванию, чтобы не зависеть от течений и ветра». В 1708 году Папен предложил Лондонскому Королевскому обществу устроить соревнование двух судов, одно из которых должно было быть оборудовано машиной Папена, другое - машиной, работающей по принципу Севери: «...Если я выиграю это соревнование, и только в этом случае, я покорно прошу возместить мои расходы, затраты времени и труда...». Предложение осталось без внимания, Дени Папен к тому времени слыл неудачником, а Томас Севери уже был членом Королевского общества.

Построить первые практически работающие паротмосферные машины (рис.2) довелось английскому кузнецу Томасу Ньюкомену, который объединившись со стекольщиком Джоном Коули и самим Томасом Севери создал в 1711 году «Компанию обладания правами на изобретение установки для подъема воды посредством огня». Пар из парового котла поступает в цилиндр и поднимает поршень (клапан 2, открыт, 1 и 3 закрыты). Когда поршень достигает своего верхнего положения, в цилиндр впрыскивается холодная вода (клапан 3 открыт, 2 и 3 закрыты) пар конденсируется и атмосферное давление с силой опускает поршень, совершая работу. По достижении поршнем своего нижнего положения, открывается клапан 3 и происходит слив конденсата. Затем все повторяется вновь.

Первая пароатмосферная машина Ньюкомена начала свою работу в 1712 году на каменноугольной шахте близ Вулверхемптона (Англия), последняя закончила свою работу близ Ковентри в 1934 году!!! Пароатмосферная машина Ньюкомена, более экономичная (КПД = 1%) и простая в эксплуатации, позволявшая откачивать воду с глубины до 30 метров получила широкое распространение не только в Англии, но и во многих странах Европы, в том числе в Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии Швеции. Мощность последних машин по сравнению с первыми (10 - 12 л.с.) достигала 75 л.с. Однако, машина Ньюкомена, прекрасна работающая в качестве водоподъемного устройства, не могла удовлетворить настоятельную потребность в универсальном двигателе, т.е. оставалась всего лишь насосом.

Рисунок 2 – Пароатмосферная машина Т.Ньюкомена, 1712 г.

Значительно более совершенную пароатмосферную машину построил в 1766 году барнаульский шихтмейстер Иван Иванович Ползунов (1729 - 1766). К этому времени Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 - 1755) были разработаны основы теории о теплоте. В 1744 г. им был создан труд под названием «Размышления о причине теплоты и холода». (В этой и других последующих работах М. В. Ломоносов обосновал теорию превращения теплоты в механиче­скую работу, противопоставив свое материалистическое учение идеалисти­ческим учениям о «теплороде», как об особом невесомом веществе — но­сителе теплоты).

Рисунок 3 – Пароатмосферная машина И.И.Ползунова, 1766 г.

Труды М. В. Ломоносова в области теории теплоты нашли применение в практических работах И.И.Ползунова, создавшего В 1763—1764 гг. двухтактную пароатмосферную машину - универсальный тепловой двигатель для промышленных целей (только в 1784 г. Джемс Уатт определяет свою машину, как универсальный двигатель для промышленности).

В проекте Ползунова не только был использован предшествующий опыт постройки подобных машин, но и содержались совершенно новые идеи, предвосхитившие развитие теплотехники на многие десятилетия вперед. Машина И. И. Ползунова, кроме своей универсальности (пригодности для любого промышлен­ного применения в качестве механического двигателя), отличалась тем, что была машиной непрерывного действия, имела два паровых цилиндра, автоматически действующий парораспределительный и водораспредели­тельный механизмы, в машине предусматривалось питание котла подогретой водой и автоматическое поддержание уровня воды в котле.

В 1766 г. машина И. И. Ползунова была построена и установлена на Колывано-Воскресенских заводах на Алтае для приведения в действие воздушных мехов. Изобретателю не удалось дожить до пуска в работу своей машины (И. И. Ползунов умер в 1766 г. за несколько дней до этого события). За короткий период своей работы (около 14 недель) машина полностью окупила первоначальные затраты на ее изготовление и принесла прибыль.

На рисунке 3 показан продольный разрез машины Пол­зунова. Машина имела два вертикальных паровых цилиндра диаме­тром 810 мм и развивала мощность около 40 л.с. Ход поршней составлял 2560 мм. Давление пара в котле со­ставляло около 1 МПа. Пар из котла поступал в цилиндры по трубам 4. При подходе поршня к верхнему положению в цилиндр впрыскивалась вода по трубе 12 из напорного бака 6. Находящийся в цилиндре пар под действием холодной воды конденсировался, и в цилиндре создавался вакуум (разрежение). Так как цилиндры с верхней стороны были открыты, то под давлением атмосферы поршни опускались вниз и совершали полезную работу. Когда один поршень шел вниз, другой поднимался вверх; благодаря этому машина обеспечивала непрерывность действия приводимой ею воздуходувки. Теплая вода из цилиндров поступала в бассейн 5, откуда направлялась для питания котла.

Это была первая в мире пароатмосферная машина, предназначенная для иных производственных целей, чем откачка воды, и воздействующая на рабочие устройства без посредства водяного колеса.

Мы не очень много знаем о жизни и взглядах Ползунова,несохранилось не только воспоминаний современников, нодаже и портрета гениального изобретателя, однако о благородстве егозамыслов можносудить по его донесениям вышестоящим чиновникам: «...славу Отечеству достигнуть...облегчить труд, по нас грядущий».