«Школа мастера» продолжает серию техническо-исторических очерков. Позади Древняя Греция, Рим, Русь — множество интересных личностей и эпох. Впереди — гениальные озарения, выверенные конструкции и нестандартные решения.

В этой статье мы рассмотрим историю пара — историю времени, кардинально изменившего быт, производство, транспорт человечества.

Пионеры пара

Принято считать, что история энергии пара началась совершенно недавно по глобальным меркам — веке в 18-19. Но на этот период пришелся именно расцвет паровых машин. Попытки (и даже успешные) использовать газообразное состояние воды были куда раньше. Мы будем говорить о паре, как об источнике энергии. Иные его аспекты, например, кулинарные — для других сайтов.

Геронов шар

Первый рабочий прототип современной паровой турбины был изобретен и воплощен еще в Древней Греции, в I веке нашей эры. Математик и механик Герон Александрийский описал разработку в своем трактате «Пневматика». Механизм был поэтично назван «эолипил», то есть Шар бога ветров Эола.

Конструкция представляла собой закрытую емкость из крышки которой выходили трубки. На трубки устанавливался вращающийся полый шар, имевший два диаметрально расположенных патрубка-сопла. То есть мы видим перед собой нагревной котел и турбину.

Механизм работы следующий:

— В емкость заливалась вода, под ней разводился огонь.

— Вода закипала и пар шел по трубкам в шар.

— При достижении достаточного давления, струи пара вырывались из патрубков и вращали шар. То есть внутренняя энергия водяного пара превращалась в механическую энергию вращения.

Для Герона эолипил был техническим экспериментом, для его потомков в течение многих веков был игрушкой, а для наших современников стал прообразом реактивного двигателя.

Паровой насос Томаса Севери

Да, именно насос, а не двигатель. Томас Севери работал управляющим шахты в Корнуоле и изобретение его предназначалось для вполне конкретных целей. Аппарат назывался «Друг шахтера, или двигатель для подъема воды огнем». С его помощь предполагалось откачивать воду из шахт.

Работала конструкция следующим образом. Пар образовывался в специальном отдельном котле, в который заливалась вода. Он был соединен с насосным резервуаром через трубу, открываемую и закрываемую краном. Резервуар, в свою очередь, имел три трубы:

— Всасывающую, опущенную в шахту и предназначавшуюся для забора грунтовых вод.

— Нагнетательную, выходящую в сточный желоб.

— Специальную, для подачи холодной воды. Ниже станет понятно зачем.

На трубах были установлены клапаны, пускавшие воду в одном направлении — из-под земли в резервуар и из резервуара на слив. Но не обратно.

Под паровым котлом разводился огонь и пар подавался в резервуар. Затем через специальную трубу туда же подавалась холодная вода. Пар конденсировался, то есть занимал уже не весь объем резервуара, а небольшую его часть — образовывалась разница в давлении. За ее счет и поднималась наверх вода из шахты.

Затем пар подавался вновь, и вода выталкивалась в сточный желоб.

Идея, безусловно, остроумная. Но вот КПД насоса был очень низким, требовал много топлива для огня и работал прерывисто, выталкивал воду порциями.

Однако заслуга Севери перед человечеством состоит в том, что его разработки стали базой для последующих универсальных паровых двигателей.

Расцвет пара

Томас Ньюкомен

Именно его острой мысли приписывают авторство первого полноценного парового двигателя. Он также занимался откачиванием воды из шахт (актуальная проблема для Англии тех времен).

Его машина, представленная в 1712 году, была усовершенствованным насосом Севери, но с важнейшим отличием — там был цилиндр с поршнем.

Нагревательный котел был по-прежнему отделен от рабочего резервуара, пар подавался туда через клапан. А вот сам резервуар имел принципиально иное строение.

Внутри него располагался поршень, связанный с балансиром — грузом, использовавшимся для уравновешивания. Противоположенный конец балансира был соединен с трубами или шлангами водозабора

То есть пар, поступающий в резервуар, поднимал поршень. На следующем такте гравитация и атмосферное давление опускали его, что поднимало балансир, а с ним и воду из шахт.

Излишний пар выпускался через предохранительный клапан, о котором обязательно упомянем ниже.

Что до эффективности изобретения Ньюкомена, то она обеспечивала подъем воды с 80 метров и потребляла 200 килограммов угля в час при мощности в 8 лошадиных сил.

Предохранительный клапан Папена

Игры с паром — это практически игры с огнем. Использование изобретений регулярно приводило к несчастным случаям. Пар генерировался в закрытых котлах и периодически разрывал их. Это приводило к жертвам среди рабочих.

Французский ученый Дени Папен решил проблему просто и надежно.

В верхней крышке котла, стоящего на огне, было проделано отверстие. Его закрывала пробка, прижатая рычагом с грузиком. Когда давление пара становилось избыточным — пробка поднималась и выпускала излишки. После этого клапан возвращался на место под тяжестью грузика.

Такую конструкцию Папен изобрел, экспериментируя с порохом еще до пара. Но кипящая вода оказалась эффективней. Ученый вообще был большим оригиналом, например, угощал гостей рагу, приготовленном в паровом котле. Так что Дени Папена можно назвать и изобретателем скороварки.

Двигатель Уатта

А вот это изобретение уже можно было назвать надежным и подходящим для массового универсального использования. Джеймс Уатт запустил промышленную революцию в мире, переведя нас в индустриальное общество.

Как часто в науке бывает, волей тому послужила случайность.

В 1763 году к Уатту обратились из университета Глазго с просьбой отремонтировать макет парового двигателя Ньюкомена. Это был уже музейный экспонат, но требовалось сделать его действующим.

Уатт подошел к делу творчески, изменил материал цилиндра, использовал смазку (льняное масло) и уменьшил количество поднимаемой за один раз воды. Макет заработал, но инженер видел и низкий КПД, и пустой расход энергии.

Ученый продолжил опыты и экспериментировал почти 20 лет, прежде чем в 1782 году представить прорывную «машину двойного действия». Стандартный балансир был заменен на новый узел — кривошип, что позволило сделать движения не качательным, а непрерывным. Это увеличило производительность машины в четыре с лишним раза!

Именно Уатт ввел в обиход термин лошадиная сила, и именно в его честь названа единица мощности — Ватт (Watt).

Дальнейшая история пара уже не столь романтична. Эффективность базовых конструкций увеличивалась, размеры их уменьшались, применяли паровые двигатели повсеместно, пока им на смену не пришло электричество. Но это уже другая история.