Запарил: тяжелая участь водяного пара и как его приручал человек
Наиболее распространен процесс парообразования — перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, в котором все зависит от температуры и давления. Образование пара, в частности из воды, происходит посредством испарения и кипения. При этом испарение происходит с открытой поверхности водоемов, а кипение происходит в изолированном объеме, и генерация пара осуществляется в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков, простите, пара.
При первом варианте люди не могли втиснуть пар в замкнутое пространство: тут повелительница температура за счет солнечной энергии полностью управляет им. В частности, она меняет форму и цвет облаков, прокладывая их маршрут сменой географической разности температурных потенциалов.
И, в конечном счете, температура конденсирует пар, переводя его из газообразного состояния в жидкую или твердую форму, заставляя выпадать в осадок. Так на Земле образовались условия для создания растительного и животного мира.
По мере развития Homo sapiens задумался над заменой своей мускульной силы другими источниками энергии.
Судьбоносные изобретения никогда не были идеальными в зародыше. Первоначальная задумка видоизменялась, усовершенствовалась, приспосабливаясь к требованиям времени, приобретала новые качества. По недостоверной информации, еще древние греки «приручали» пар и даже пытались использовать его в военных целях.
О первом реальном использовании пара упоминается в 1545 году. Флотский капитан Испании Бласко де Гарай сконструировал машину, с помощью которой приводились в движение лопасти бортовых гребных колес корабля. Установка прошла испытания, но не нашла распространения. Патент на нее отсутствует.
Демонстрацией ограничилось и изобретение Герона Александрийского. Точная дата изготовления прототипа роторно-парового устройства не установлена. Даже годы жизни автора стали предметом дискуссии. Вероятно, его эолипил — механизм, использующий энергию пара — появился до начала новой эры.
Следует напомнить, что патенты в современном понимании этого слова появились в 1474 году в Венецианской Республике.
На иллюстрации представлен тот самый эолипил - шар, вращаемый силой струи водяного пара, представляющий собой принцип действия паровой турбины.
В конце XVII века появились конструкции новой машинной техники с использованием свойств и силы водяного пара. Технический прогресс набирал обороты. Первая паровая машина была построена в 1690 году французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался атмосферным давлением после конденсации отработавшего газа.
Устройство всего лишь демонстрировало возможность работоспособности пара, КПД не превышало 3%. Но заслуга Папена в том, что он первый описал, в какой последовательности идет процесс работы паровой машины. К тому же в конструкции парового котла впервые был применен предохранительный клапан.
На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Томаса Севери и Томаса Ньюкомена для выкачивания воды из копей.
В 1711 году Ньюкомен усовершенствовал технологию конденсации пара с неэффективного внешнего обливания цилиндра водой на впрыскивание воды внутрь цилиндра, что значительно ускорило ход машины. Но машина оставалась вакуумной, то есть рабочий ход совершался не высоким давлением пара, а низким давлением вакуума, образующегося после впрыска холодной воды в цилиндр с горячим водяным паром. На это изобретение Томасу Ньюкомену не был выдан патент, так как паровой водоподъемник уже запатентовал его тезка Севери в 1698 году, чем закрепил за собой исключительное право на эксплуатацию водяного пара. В дальнейшем они начали работать совместно.
Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом в 1769 году. Он усовершенствовал изобретение Ньюкомена и построил универсальную паровую машину двойного действия.
Работы Уатта положили начало промышленной революции сперва в Англии, а затем и во всем мире. Кстати, Уайт ввел первую единицу мощности — лошадиную силу. Его именем названа единица мощности — Ватт.
Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году. Ему принадлежит приоритет в области разработки паровых машин высокого давления вместо вакуума.
Существенный вклад в создание и применение стационарных машин, работающих на высоком давлении пара, внес англичанин Ричард Тревитик. В 1800 году он получил патент на «машину высокого давления» и построил первый паровоз.
Для локомотива Тревитик использовал цилиндр высокого давления без конденсатора, а рекуперацией отработанного пара увеличил тягу в топке. Эти фундаментальные изобретения паровой машины остались неизменны до конца использования паровозов.
В России первая действующая паровая машина была построена в 1766 году по проекту Ивана Ползунова, предложенному им в 1763 году.
Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы.
Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем. Макет паровой установки находится в Барнаульском краеведческом музее.
На железнодорожную колею первая паровая машина в России была поставлена отцом и сыном Черепановыми в 1833 году. Испытания паровоза начались в августе 1834 года.
При создании своего паровоза Черепановы решили ряд технических проблем. В частности, обеспечение достаточным количеством пара и создание реверса, которое позволяло менять направление движения паровоза без разворота. Обе технические проблемы были удачно решены инженерами Черепановыми.
В отличие от стационарных паровых двигателей, востребованных в то время российской промышленностью, первой русской железной дороге Черепановых, как и всему новому, не было уделено того внимания, которого она заслуживала. Ретрограды, в том числе и сам русский промышленник Никита Демидов, весьма скептически относились к постройке паровозов. В качестве топлива для получения пара в изобретении Черепановых использовались дрова. Тягач потреблял их в таком количестве, что очень скоро встала проблема с подвозом топлива. За годы эксплуатации весь лес в окрестностях железной дороги был вырублен, и дрова приходилось доставлять издалека на той же конной тяге. Это решающим образом повлияло на судьбу паровоза. Вместо него стали использовать гужевую упряжь, таская по чугунным колесопроводам (рельсам) протяженностью 854 метров вагоны из Медноруднянского рудника в Выйский завод.
Изобретение Черепановых постоянно совершенствовалось. К началу ХХ века паровые двигатели при давлении пара 12 Мпа с температурой до 400 С достигли апогея, и КПД приблизилось к 15%. В марте 1950 года было закончено изготовление последней модели паровоза типа 2-4-2, которому присвоили заводское наименование П36-0001. На нем были реализованы все достижения в области советского паровозостроения: цельносварной котел, механический углеподатчик, воздушный привод реверса, брусковая рама, водоподогреватель. Это был финальный вариант наземных транспортных паровых машин.
Казалось, что над веком паровых транспортных машин поставлена жирная точка. Однако спасательные круги в виде многочисленных конструкций роторных устройств предложил Николай Николаевич Тверской (1843—1912 гг.).
Николай Тверской — полковник Корпуса инженер-механиков Российского императорского флота, изобретатель морской техники, первый создатель роторного парового двигателя, проектант, конструктор и испытатель подводных лодок собственной конструкции. Для первого изобретения Николай Николаевич предлагал получить давление, получаемое от химической реакции, смешивая жидкий аммиак, известь и серную кислоту. Через два года Тверской, как морской офицер, предложил роторный двигатель, который реально работал от давления пара. Энергетическая установка оказалась достаточно эффективной, обладала мощным крутящим моментом и частотой вращения до трех тысяч оборотов в минуту. Ликвидация КШМ, отбиравшего значительную часть энергии за посредничество между возвратно-поступательным движением и вращением, значительно повышала КПД. К сожалению, идеи Тверского не удалось реализовать.
Энергетическая революция сменила власть пара на власть двигателей с внутренним сгоранием топлива, разрушив все до основания, не оставив даже надежды на усовершенствование положительных позиций.