Лекция 5, 6 Тема: Цикл парового двигателя Папена Этап отделения теплового двигателя от рабочей машины

Создание паровой машины в Англии принято приписывать Джеймсу Уатту, в нашей стране – Ивану Ползунову, во Франции Дени Папену, в других странах тоже есть свои кандидатуры. Не умаляя заслуг как Д. Уатта, И. Ползунова, так и многих других изо­бретателей, следует признать, что универсальная паровая маши­на – была одним из первых интернациональных изобретений. Труд по её созданию растянулся почти на 150 лет, и сопровождался мно­гими ошибками и заблуждениями. Связывать поворотные моменты в развитии техники, да, пожалуй, и науки, с каким-либо одним име­нем задача неблагодарная. Мы остановимся ниже только на наибо­лее известных результатах и участниках данного процесса. При же­лании получить более подробные сведения, читатель может обра­титься к специальной литературе по истории техники.

В середине XVII в. одним из наиболее актуальных и энергоём­ких технологических процессов являлось осушение шахт, поэтому изначально тепловую энергию стремились использовать для подъё­ма воды. Первые шаги в данном направлении, предпринятые во вто­рой половине XVII в. были малоудачными, слишком мал был опыт и ограничены знания. Предпринимались (не делая особого различия между паром и газом) неудачные попытки построения как газовых, так паровых установок.

В тот период наибольшее внимание уделялось воздушно-поро­ховым двигателям (собственно термин – двигатель здесь может быть применён весьма условно), изобретатели того времени пользо­вались термином «пороховая машина». Идея такого двигателя за­ключалась в том, что в цилиндр под поршнем помещался неболь­шое количество пороха. Сгорая, порох нагревал газ, и поршень под­нимался. Обратный ход поршня совершался в процессе охлаждения газов. При этом путём охлаждения газов пытались получить под поршнем глубокий вакуум.

Напомним, что над изобретателями довлела идея использования для получения работы атмосферного давления. Сегодня мы знаем, что для осуществления подобного цикла воздух надо охлаждать до криогенных температур — тогда этого ещё не знали, не понимали и разницы между процессами охлаждения и конденсации. Безус­пешные попытки создания подобного двигателя принимал выдаю­щийся голландский математик, физик и астроном Христиан Гюй­генс, известный нам трудами в области теории волн, изобретатель маятника, открывший спутники Сатурна. То, что он потерпел не­удачу с тепловым двигателем, лишний раз говорит о сложности данной задачи. Тем не менее, Гюйгенс оставил след в современной теплотехнике – он установил реперные точки температурной шка­лы (100 °С – кипение воды: 0 °С – таяние льда).

Лучше других в ту пору к пониманию свойств водяного пара при­близился французский врач Дени Папен. Знакомство с Гюйгенсом пробудило в нём интерес к физическим исследованиям. Папен оста­вил медицинскую практику и переселился в 1675 г Лондон, где рабо­тал вместе с Бойлем, изучая атмосферное давление. Одновременно он занялся исследованием зависимости температуры парообразования от давления. Для обеспечения указанных опытов в 1680 г Папену «при­шлось» изобрести паровой котёл — замкнутый толстостенный сосуд с внешним нагревом, снабжённый предохранительным клапаном с рычажной нагрузкой (такое устройство впоследствии получило на­звание «папенов котёл»). В результате своих опытов с паром Папен в 1688 г экспериментально установил связь температуры кипения и давления водяного пара. (Окончательно зависимость температуры парообразования от давления Папен публикует только в 1691 г) Одна­ко Папен своевременно не обратил должного внимания на свои от­крытия и изобретение и не сумел их практически использовать. С 1688 г он переезжает в Германию (г. Касселе), где приступает к опытам по усовершенствованию пороховой машины Гюйгенса.

Папен упорно и без­результатно пытается создать работоспособный пороховой двига­тель, использующий давление атмосферного воздуха. На рис. 1.1 да­на схема одного из его последних предложений. Обратите внимание

на то, что верхней части цилиндра имеется расширение А. Зачем оно? Оказывается для того, чтобы сбросить «излишнее давление по­роховых газов!». Зачем? Да потому, что, по мнению изобретателя, рабочий ход – это движение поршня вниз, осуществляемое под действием атмосферного давления на верхнюю поверхность порш­ня. Движение поршня вверх – это только подготовка к работе. Да­леко не единичный случай в технике, когда из-за «целеустремлённо­сти» в решении поставленной задачи не замечается, казалось бы, очевидное. Можно недоумевать и задавать много вопросов – поче­му не сделали, так или иначе. К сожалению, необходимость преодо­ления массовых заблуждений, преследует человечество, и не только на путях развития техники.

Рис. 1.1. Пороховая машина Папена

Из работ Папена следует, что он имел достаточно правильные представления о процессах в газовом двигателе, его описание по­следовательности этих процессов в основном соответствует совре­менным представлениям. Он ставил перед собой также задачу соз­дания непрерывно работающего универсально двигателя, предлагал конструктивные решения для перехода от поступательного движе- ния к вращательному. Однако техническая реализация идей Папена были крайнее слабы, даже для его времени. Приведём только один пример, пытаясь совместить все термодинамические (в современной терминологии) процессы в пределах одноцилиндра двигателя, Папен в одной из своих конструкций предлагает на стадии подвода те­пла подносить к цилиндру жаровню с углями, а на стадии охлажде­ния – её убирать. До конца жизни Папен оставался не больше чем физиком, плохо ориентирующемся в практике решения технических задач.

В самом конце XVII века. Папен опять обращается к паровому двигателю. В 1698 г он, основываясь на своих работах по парообра­зованию и конденсации под поршнем, даёт описание цикла работы парового двигателя, которое практически соответствуют совре­менным представлением. В то время научные интересы Папена сов­падают с практическими целями и интересами французского инже­нера-изобретателя Томаса Савери. Савери находит конкретный путь реализации мыслей и идей Попена. В 1698 г он при поддержке и консультациях Папена, запатентовал паровой насос, схема которо­го представлена на рис. 1.2. Данная установка стала первым паро­вым двигателем, нашедшим применение в промышленности.

Рис. 1.2. Принцип действия водоподъёмника Савери (1698 г)

1 – паровой котёл; 2– предохранительный клапан; 3– паровой клапан;

4 – камера насоса; 5,6 – обратные клапаны на линии воды;

7 – кран на подаче охлаждающей воды; 8 – подпиточный кран.

Согласно приведенной схеме, пар генерируется в котле 1, снаб­женном предохранительным клапаном 2. Далее через клапан 3 пар поступает в камеру 4, заполненную водой. В этот момент клапан 5 на водной магистрали открыт, а клапан 6 закрыт. Под действием давления пара вода из камеры 4 вытесняется и через обратный кла­пан 5 по водной магистрали подаётся наверх, обратный клапан 6 при этом закрыт давлением, воды. Когда вода из резервуара полно­стью вытесняется, клапан 3 закрывают и одновременно открывают кран 7, через который на камеру 4 (снаружи) подаётся с верхнего уровня охлаждающая вода. Благодаря охлаждению, пар в камере 4 конденсируется, при этом создаётся вакуум. Под действием вакуума открывается клапан 6, камера заполняется водой, подсасываемой с нижнего уровня. Далее процесс повторяется. Для подпитки котла из-за убыли воды с паром служит кран 8.

Рассматривая схему установки Савери, приходим к выводу, что термодинамически в ней всё сделано правильно. Сопоставим её с известными нам схемами современных установок. Процесс подво­да тепла к циклу у Савери выделен в отдельный агрегат – паровой котёл, а вот процессы совершения работы и конденсация пара со­вмещены и последовательно реализуются в одном и том же элемен­те установки. У Савери таким элементом является камера 4. Далее появились другие конструкции, но малоэффективное совмещение работы и конденсации в одном элементе тиражировалось на протя­жении почти 80 лет – пока Д. Уатт не догадался вынести процесс конденсации в отдельный агрегат.

Савери создал собственную фирму, которая начала выпускать паровые насосы по его патенту. Несмотря на их громоздкость, сложности эксплуатации и крайне низкую экономичность, паровые насосы оказались востребованы рынком. Их производство успешно развивалось.

Вернёмся снова к имени Д. Папена. В условиях, когда работаю­щий паровой насос становится технической реальностью, Папен в 1707г. предлагает комбинированную установку непрерывного действия, основанную на сочетании водоподъёмника периодическо­го действия и непрерывно, работающего водяного колеса. Эта идея Панена была позже использована, подобные двигатели строились в XVIII в. Один из примеров дан на рис. 1.3. Историки техники упрекают Папена за то, что незадолго до смерти (Папен умер в 1712 г) он сделал шаг назад, отказавшись от идеи создания непрерывно работающего теплового двигателе. Нам же кажется, что он сделал шаг вперёд, впервые предложив комбинированную парогидравличе­скую энергетическую установку.

Рис. 1.3. Схема водоподъёмной установки Ньюкомена-Коули (1710 г)

1 – паровой котёл с топкой; 2– предохранительный клапан; 3 – паровой клапан; 4 – цилиндр; 5 – поршень; 6 – бак с холодной водой; 7 – кран на подаче охлаждающей воды в цилиндр; 8 – балансиры; 9 – цепи; 10 – противовес; 11 – штанга-привод.

Выходя за рамки технических вопросов, остановимся на одном обстоятельстве, далее оказывавшем существенное влияние на ход технического прогресса. На рубеже XVII–XVIII веков в Англии создаётся институт патентов, что породило массу патентных споров и ограничений. Мы видим, что Савери изобрёл водоподъёмник, од­нако, формулировка его патента была примерно следующей: «новое изобретение для подъёма воды и получения движения для всех ви­дов производства при помощи движущей силы огня», и далее «...для фабрик всех видов, которые не могут использовать водяную

силу или постоянную работу ветра». Нам остаётся только порадо­ваться, что патент Савери действовал в Англии только до 1720 г. Ясно, что на этом протяжении всё новое, что предлагалось в облас­ти тепловых двигателей, подпадало под действие патента Савери, всячески преследовалось им и подавлялось юридически.

В конкурентной борьбе был и другой приём. В 1705 г Ньюкомен и Коули предложили значительно более эффективный способ использования силы пара. Савери тотчас включает их в состав учре­дителей своей фирмы и авторов своего патента. Фирма, на имя ко­торой был выдан в том же 1705 г патент, уже носила название «Ньюкомен-Коули-Савери».

Так у нас появляются имена, с которыми будет связано почти столетие развития тепловых двигателей: «Ньюкомен с помощником Коули», как пишется обычно в исторической литературе. Кто же они такие? Некоторые английские авторы умиляются, что Ньюко­мен был «простым кузнецом», а Коули – то ли «водопроводчи­ком», то ли «лудильщиком». (Несколько позже у нас будет возмож­ность писать о нашем соотечественнике – «солдатском сыне»). Сейчас же вернёмся к англичанам. Известно, что Томас Ньюкомен был владельцем фирмы по изготовлению кузнечных изделий (что не мешало ему, возможно, быть хорошим кузнецом). По роду своей коммерческой деятельности он часто бывал на английских рудни­ках, где познакомился с работой паровых насосов Савери, оценил их полезность в горной промышленности. Что касается Коули (нам не удалось узнать из литературы, как его звали), то можно предпо­ложить, что в эпоху господства гидравлического двигателя, термин «водопроводчик» был однозначен современному – гидротехник. То, что он был «лудильщиком» указывает, что умел работать рука­ми. Наверное, Коули был достаточно компетентен в технике, иначе его вряд ли включили бы в состав совладельцев патента и в состав учредителей фирмы. (Существует мнение, что Ньюкомен оказывал больше финансовую поддержку предприятию, а Коули – техническую). В независимости от этого оба они, скорее всего, были знако­мы с изданной в 1702 г книгой Савери «Друг горняка», содержащей подробное описание изобретения последнего и явившейся, надо по­лагать, отправной точкой в совместной творческой деятельности Ньюкомена и Коули. Для нас важно другое – безусловно, оба были

талантливыми изобретателями, а предложенное ими техническое решение значительно улучшало паровой насос Савери.

Существо предложения Ньюкомена-Коули показано на схеме, представленной на рис. 1.3. Здесь, так же как у Савери, пар генери­руется в котле с топкой 1, причём котёл снабжён предохранитель­ным клапаном 2. Собственно на этом сходство и кончается, далее начинаются отличия. Установка имеет цилиндр 4, в котором пере­мещается поршень 5. Поршень цепью 8 связан с балансиром 9. На противоположном конце балансира, также на цепи подвешен груз

10. а ниже штанга 11, осуществляющая привод насоса (или другого механизма). Под действием груза поршень поднимается в верхнее положение и образующееся под ним пространство через открытый клапан 3 заполняется паром. После достижения поршнем верхней точки клапан 3 закрывают, открывая одновременно клапан 6, через который в цилиндр подаётся холодная вода, обеспечивающая кон­денсацию пара. В результате конденсации пара под поршнем созда­ётся вакуум и под действием атмосферного давления поршень опус­кается в низ, поднимая груз 10 и связанную с ним штангу-привод

11. совершая рабочий ход. Далее процесс повторяется.

В чем же здесь принципиальные отличия от установки Савери? Прежде всего, в установке появился цилиндр с поршнем. В резуль­тате тепловой процесс получения работы отделён от насоса. По­следний находится за пределами представленной нами схемы. Во-вторых, применен процесс смешивающей конденсации, безусловно, более эффективный, чем поливание водой на стадии конденсации, как это предусматривал Савери. Действительно, в таком случае не приходится тратить тепло на охлаждение корпуса цилиндра и пре­одоление его термического сопротивления. Наши рассуждения на­ходятся на уровне современных знаний, чем руководствовались Ньюкомен и Коули можно только догадываться. Интуицией или «матерью интуиции» – опытом?

Заметим, что приведенная нами схема установки датирована 1710 годом. В более ранних установках (1705 г) Ньюкомен-Коули предлагали выполнить цилиндр с двойными стенками и подавать охлаждающую воду в пространство между стенками. Значит все-та­ки, наверное, опыт? Ещё одно принципиальное отличие – рабочий орган теплового двигателя (поршень), связан с нагрузкой (насосом)

кинематическим механизмом (балансиром с цепями). У нас может возникнуть недоуменный вопрос – зачем нужен груз 10. Казалось бы, значительно проще поднять поршень в верхнее положение за счёт давлением пара. Это нам сейчас такое решение представляется очевидным, иначе было в начале XVIII века.

Рассмотрим атмосферный цикл парового двигателя и сравним его с циклами избыточного давления с позиции современных зна­ний и представлений. На рис. 1.4 в Р, V-координатах представлены соответствующие циклы. Идеальные циклы имеют форму прямо­угольников 1-2-3-4, в них вписаны индикаторные диаграммы реаль­ных циклов, полученные с учётом внешних теплопотерь, утечек ра­бочего тела, потерь давления из-за диссипации (рассеивания) энер­гии. Цикл А соответствует атмосферной тепловой машине. В нём процесс 1-2 соответствует подъёму поршня и заполнения простран­ства цилиндра паром. Давление пара незначительно выше атмо­сферного давления. Обычно в паровых машинах Ньюкомена оно со­ставляло 0,106 МПа., хотя в машинах Савери достигало иногда и 0,3 МПа. Процесс 2-3 отвечает начальной стадии конденсации, пока поршень не начал движения под действием атмосферного дав­ления. Вакуум при конденсации принят нами на уровне примерно 0,05 МПа, что соответствует техническим возможностям, существо­вавшим в XVII веке. Процесс 3-4 связан с опусканием поршня под действием атмосферного давления в условиях конденсации находя­щегося под поршнем пара. Процесс 4-1 восстановление давления пара под поршнем при открытии парового клапана 3 (см. рис. 1.2). Собственно рабочим ходом является процесс 3-4.

Рис. 1.4. Циклы паровых машин

А – атмосферная паровая машина; Б – паровая машина избыточного давле­ния;

В – оптимальный цикл паровой машины.

Циклы избыточного давления Б и В представлены при началь­ном давлении пара 0,3 МПа, что соответствует примерно уровню давления, доступному только столетие спустя. При этом цикл Б подразумевает расширение до давления близкого к атмосферному, а цикл В расширение до такого же вакуума, как и цикл А. Из совре­менной термодинамики нам известно, что в Р, V-координатах пло­щадь, ограниченная кривой замкнутого термодинамического цикла, пропорциональна технической работе, получаемой при реализации цикла. Из приведенных графиков наглядно видно, что циклы Б, и особенно В существенно эффективнее, чем цикл А. Современные расчётные оценки показывают, что при технических возможностях конца XVIII в. нельзя было рассчитывать на получение к. п. д. в цик­ле А много выше 1 %, а у первых двигателей Савери и Ньюкомена к. п. д. находился примерно на уровне 0,2. ..0,3%.

В XVIII в. понимание этого обстоятельства отсутствовало – не было соответствующих научных данных, хотя эмпирически поло­жительное влияние повышения давления уже нащупывалось. Кроме того, были определённые технические трудности при создании из­быточного давления. В частности, одна из таких технических труд­ностей была связана с тем, что котлы при повышении давления на­чали взрываться. Вообще периодические взрывы паровых котлов стали мрачной реальностью для теплотехники на долгие годы, вплоть до конца XIX столетия.

Однако вернёмся к началу XVIII в. В 1711–1712 гг. фирма «Ньюкомен-Коули-Савери» освоила производство паровых насосов, и они стали широко внедряться для осушения шахт, в системах во­доснабжения и др. В частности, уже в 1717—1718 гг. в Санкт-Пе­тербурге по указу Петра 1 была построена паронасосная установка Ньюкомена для фонтанов Летнего сада. Постепенно последние два имени изобретателей перестали употребляться. Нам не известно, связано данное обстоятельство со стремлением сократить название, со смертью соавторов (Савери умер в 1715 г) или с чем-то другим, только в дальнейшем уже говорили (и писали) – паронасосная ус­тановка Ньюкомена. Так будем называть её далее и мы.

После окончания действия патента Ньюкомен-Коули-Савери в 1720 году в Европе появился целый ряд новых проектов (в Шве­ции, Австрии и других странах). В 1715 г Дезагюлье предложил раз­брызгивание воды для интенсификации процесса конденсации внут­ри цилиндра; в 1718 г Бейтон сконструировал парораспределитель­ный механизм для установки Ньюкомена; в 1724 г Леупольд дал эс­киз насосной установки избыточного давления с двумя цилиндрами. Появился ряд предложений получения непрерывной работы от уста­новки Ньюкомена с помощью различных технических приёмов: суммирование работы двух цилиндров, работающих попеременно (Леупольд, 1724 г); грузовое аккумулирование (Гуль, 1737 г); зубча­тая рейка с храповым механизмом (Фицжеральд, 1750 г) и др. Одна­ко все новые установки практически повторяли основные принципы Ньюкомена, и вводимые изменения не носили принципиального ха­рактера. Не надо думать, что все новые проекты были лучше насоса Ньюкомена. Ряд новых проектов оказывались крайне неудачными, так в отсутствии теории эмпирически нащупывались правильные решения.

Главным результатом последующего этапа явилось накопление опыта эксплуатации и расширение объёма опытной информации. К сожалению, «официальная» наука с большим пренебрежением от­носилась к нарастающему объёму новых экспериментальных дан­ных. Практика ставила под сомнение теорию теплорода, уже пока­зывала принцип сохранения энергии и др. Официальна наука отме­тала домыслы «неучей». В этой связи голоса отдельных наиболее ярких учёных, глохли в общенаучном схоластическом хоре и потому мало влияли на развитие техники. Одной из таких ярких лично­стей той поры был наш соотечественник Михаил Васильевич Ломо­носов, который очень пренебрежительно относился к теории тепло­рода, высказывая мысли, позже ставшие основой кинетической тео­рии материи, он также близко подошел к пониманию закона сохра­нения энергии.