Первые опыты использования пароатмосферного цикла

Первая задача состояла в том, чтобы заставить «работать» атмосферу, затратив предварительно работу на получение вакуума. Многие изо-етатели приобщились к разработке этой проблемы и независимо друг г друга пришли к правильному решению: получить вакуум конденсацией пара при охлаждении в замкнутом пространстве [5, с. 12-13].

В решении этого вопроса заметную роль сыграли труды физика Дени Панена, француза по происхождению, много лет проработавшего в Англии и Германии. Он оценил важность явления конденсации пара, в 1690 г. впервые правильно описал замкнутый термодинамический цикл и создал устройство, в котором пар образовывался при нагревании воды в цилиндре под поршнем, поднимавшемся вверх под давлением пара; когда поршень достигал наивысшего положения и задерживался специальным упором, цилиндр снимали с огня (или убирали огонь) и поливали сверху холодной водой. В результате пар конденсировался и создавалось «безвоздушное» пространство. При освобождении поршня от упора он опускался вниз под действием атмосферного давления и поднимал связанный с ним груз [6].

Дени Папен (1647-1714 гг.)

Папен не смог создать работоспособной конструкции, так как пытался осуществить все процессы цикла: парообразование, расширение пара и его конденсацию в полости одного и того же цилиндра.

Схема пароатмосферной машины Папена (1690 г.)

Первая практически действующая водоподъемная паровая установка была создана английским инженером, капитаном саперных войск Томасом Севери. Описание опубликовано в 1696 г., в 1698 г. взят патент.

Томас Севери (1650-1715 гг.)

В водоподъемнике Севери в паровой котел через кран подавалась вода; пар из котла через открытый кран поступал в камеру насоса и вытеснял из нее воду через нагнетательный клапан при закрытом всасывающем клапане в верхний резервуар. Затем кран закрывали, а камеру поливали холодной водой. Пар в камере конденсировался, давление сни жалось и через всасывающий клапан вода поступала в камеру. Затем цикл повторялся.

Машина Севери - собственно еще не машина. В ней не было движущихся частей, кроме клапанов. Это был паровой насос (точнее, камерный нагнетательно-всасывающий насос) единственного назначения: поднимать воду. Однако Севери предвидел возможность замены ветрового и водяного колеса паровым насосом в «производстве движущей силы для фабрик всех видов» [5, с. 13].

Таким образом, потребность в универсальном двигателе ощущалась значительно раньше, чем сложились специфические условия начала промышленной революции в 80-х годах XVIII в.

Новое в машине Севери по сравнению с паровой установкой Папена состояло в отделении парового котла от рабочего пространства. Но по-прежнему работа пара и его конденсация происходили в одном и том же сосуде. Попеременное нагревание и охлаждение сосуда требовали затраты большого количества топлива (до 80 кг угля на 1 л. с. в час), и машина Севери была, естественно, крайне неэкономичной. К ее недостаткам, кроме того, относились ограниченная глубина всасывания и высота подачи воды (не более 30 м), которая определялась давлением пара - не более 3 ат (по условиям прочности котла). Для откачивания воды с большей глубины устанавливали одну машину над другой, что было опасно из-за частых взрывов.

Схема парового насоса Севери. 1702 г. (слева) 1 - камера насоса; 2 - паровой котел; 3 и 4 - краны; 5 - верхний резервуар; 6 - нагнетательный клапан; 7 - всасывающий клапан

По письменным свидетельствам современников, паровой насос Севери, или, как его называли, «друг рудокопов», вначале применяли в очень ограниченном числе случаев. В XVIII в. он довольно широко распространился в Англии и других странах. В 1707 г. одна из машин Севери была приобретена Петром I и установлена в Петербурге в Летнем саду для приведения в действие фонтанов [2, с. 115; 4]. Схема пароатмосферной Паровые насосы Севери свидетельствовали машины Папена (1690 г.) о том, что изобретатель понимал, как можно применить для работы силу пара, создавая разрежение и используя способность к расширению. Однако в этих конструкциях не доставало цилиндра с поршнем - деталей, необходимых в паровой машине и выполненных впервые в модели Папена.

Сама идея цилиндра и поршня в тепловом двигателе была не новой и воплотилась в конструктивную форму еще в 1673 г. в пороховой машине Гюйгенса - двигателе внутреннего сгорания, в котором газы при взрыве пороха толкали поршень вверх, а атмосферное давление возвращало его обратно [7, с. 100].

Папен продолжал развивать свой замысел создать паровую машину и в 1707 г. описал конструкцию, в которой паровой котел и цилиндр с поршнем были отделены один от другого - использован опыт машины Севери. Работала эта конструкция следующим образом: пар давил на поршень сверху, поршень опускался и вытеснял находившуюся под ним воду в резервуар с отводной трубкой. По достижении поршнем наинизшего положения цилиндр отключался от котла, и в его верхней части открывался кран, с помощью которого цилиндр сообщался с атмосферой. В этот момент вода из резервуара, уровень которой был выше наивысшего положения поршня, открывала клапан в сторону цилиндра и, поднимая поршень, возвращала его в исходное положение. Папен осуществил в этом устройстве принцип машины высокого давления [3, с. 264-265].