Атмосферные” паровые машины

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери (патент 1698 года). Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Паровая машина Т. Сэвери. Схема машины Т. Сэвери показана на рис. 1.1. В отличие от машины Уочестера, в водоподъёмной трубе, сообщающей нижний водоём 1 с верхним, сливным водоёмом 2, были предусмотрены клапаны А и В. Между клапанами расположен патрубок, соединяющий водоподъёмную трубу с герметичной ёмкостью 3, заполненной водой. Свободное пространство над поверхностью воды сообщалось через трубу с клапаном С с паровым котлом 4. Позднее, в результате опытов, Т. Сэвери установил в в ёмкости 3 поршень, превратив свой замысел в поршневую машину, использующуюся в производственных нуждах.

При закрытом клапане В и открытом А открывают клапан С, при этом пар, создавая давление в ёмкости 3, вытесняет из неё воду через водоподъёмную трубу в верхний водоём 2. Затем клапаны А и С закрывают, а ёмкость 3 охлаждают водой. Пар, охлаждаясь в ёмкости, конденсируется, и давление в ней падает ниже атмосферного. При открытом клапане В вода из нижнего водоёма подсасывается за счёт образовавшегося перепада давления в ёмкость 3, при заполнении ёмкости клапан В закрывается и цикл машины повторяется.

Паровая машина Т. Ньюкомена. В 1705 г. был выдан патент кузнецу и железоторговцу Т. Ньюкомену на паровую машину, которая, как и машина Сэвери, предназначалась для откачки воды из шахт. Однако, в отличие от предшественника, в машине Ньюкомена впервые использовались цилиндры с поршнем (рис. 1.2).

Действие машины совершалось следующим образом. Вода из нижнего источника 1 откачивалась в ёмкость 2 поршневым насосом 3, который приводился в действие поршнем рабочего цилиндра 4 через коромысло 5. Рабочий поршень поднимался в верхнее положение под действием давления пара, подаваемого по трубе при открытом клапане D из котла 6 (клапан С закрыт). В это же время поршень насоса 3 под действием собственного веса опускался вниз (движение коромысла соответствует направлению стрелки а), при этом клапан А закрыт, а В открыт, и вода вытесняется из цилиндра насоса по водоподъёмной трубе в ёмкость 2.

После вытеснения воды из насоса клапана В и D закрывают, а А и С открывают. При этом часть воды впрыскивается в объём рабочего цилиндра, вызывая в нём охлаждение и конденсацию пара с резким падением давления ниже атмосферного. Под действием атмосферного давления поршень в рабочем цилиндре опускался вниз, увлекая за собой коромысло в направлении стрелки b, и поднимая тяжёлый поршень насоса вверх. За счёт создавшегося разрежения под поршнем при открытом клапане А вода из нижнего водоёма поступает в цилиндр насоса, заполняя весь его объём. Затем рабочий цикл машины повторяется. Более детальная схема машины Ньюкомена показана также на рис. 1.2а, на котором поясняющие надписи дают полное представление о её работе.

Следует отметить, что усилие, развиваемое в рабочем цилиндре и приводящее насос в рабочее состояние, создавалось не за счёт давления пара, а за счёт атмосферного давления, так как под поршнем создавалась при конденсации пара разреженная среда (вакуум). Поэтому машина Т. Ньюкомена называлась атмосферной (иногда вакуумной) машиной.

Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Так создавался вакуум в цилиндре, а атмосферное давление давит на поршень, и вызывает его перемещение вниз, то есть рабочий ход.

Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действием насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня.

Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления.

Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора. Максимальный теоретический КПД был ограничен относительно малой разницей температур по обе стороны поршня; это делало вакуумные машины, предназначенные для промышленного использования, слишком большими и дорогими.