Томас Ньюкомен и его паровая машина: практическое применение

Паровая машина

Паровая машина — это тепловая машина внешнего сгорания, которая преобразует энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.

Первое известное устройство (Эолипил (или «Эоловый шар»), «Ванна Герона»), работающее от пара, было описано Аироном Александрийским в I веке.
Герой Александрии — великий механик, программист, крутой шоумен и вообще веселый человек. Херон считается одним из величайших инженеров в истории человечества. Он первым изобрел автоматические двери, автоматический кукольный театр, торговый автомат, скорострельный самозарядный арбалет, автоматические украшения, прибор для измерения длины дорог (старинный одометр) и т.д. Он был первым, кто создал программируемые устройства (вал со штырями с намотанной на него веревкой).
В трактате «Пневматика» (Πνευματικά) Герон описывает различные сифоны, изобретательно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром.
Хороший фильм о том, как Герон по заказу священнослужителей «творил чудеса» (прихожане радуются . и «раздают деньги») «Технологии других цивилизаций. Герон Александрийский.»

Пар из нижнего бака поступал по боковым трубкам в полость шара и, выходя из сопел, прикрепленных к сфере, заставлял его вращаться.

Рисунки века изобретений (1655) Эдвард Сомерсет

Первая паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером 16-го века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела струей пара, направляемой на лопасти колеса.
О Такийуддине Мухаммаде ибн Маруф аль-Шами аль-Асади В 1574 году султан Османской империи Мурад III пригласил Такиюддина в Стамбул для строительства обсерватории. Обладая огромным знанием этого корабля, Такиюддин разработал инструменты для астрономических наблюдений, такие как огромные армиллярные и механические часы, которые он использовал для наблюдения за кометой в 1577 году. Он также использовал Европейский звездный шар и Земной шар, которые были доставлены в султанский двор в подарок. Одной из наиболее значительных его работ во время работы в обсерватории было Древо великих знаний в Царстве вращающихся сфер: Астрономический стол царя царей Мурад III (Сидрат аль-мунтах аль-афкар фи малкут аль-фалак ал-давар-аз-зидж аль-Шахиншахи). Эта работа явилась результатом астрономических наблюдений, которые проводились в Египте и Стамбуле, чтобы дополнить работу Улугбека «Зидж аль-Султани».
Согласно некоторым источникам того времени, метод Такиюддина для вычисления координат звезд был более точным, чем тот, который использовали Николай Коперник и Браге Тихо.

Эта иллюстрация описывает только принцип

В Интернете пишут, что Саломон де Косс в своем эссе «Les Raisons des Forces Mouvantes avec Diverses Machines» (1615) описал машину, основанную на давлении пара.
Вот все, что мне удалось найти в этой работе (как и в этой) по теме:

Огненный шар явно связан с давлением пара…

Саломон де Косс в окружении своих уловок…
В своих трудах Саломон де Косс уделяет пристальное внимание устройствам, которые работают по принципу «водяных мельниц».

Итальянский инженер Джованни Бранка в 1629 году предложил использовать пар для вращения цилиндрического якорного устройства, которое, в свою очередь, поднимало и выпускало пару пестов в ступки.
Джованни Бранка Джованни Бранка (22.04.1571 — 24.01.1645) — итальянский инженер и архитектор, наиболее известный как создатель одной из первых версий паровой машины.
Джованни Бранка за свою жизнь сделал много интересных изобретений. Разработанный им сборник схем и рисунков опубликован в отдельной книге «Le Machine». В эту книгу включены гравюры с описаниями на итальянском и латинском языках. Следует отметить, что Бранка честно признался, что он лично не пытался построить большую часть описанных им устройств, а суть работы некоторых лишь косвенно.
В 1629 году было опубликовано еще одно произведение Джованни Бранка — «Руководство по архитектуре». Эта книга посвящена различным практическим аспектам строительной индустрии. Для того времени это руководство было весьма полезным и поучительным: в некоторых источниках утверждается, что многие архитекторы того времени активно использовали работы Бранки.

Большая часть пара была рассеяна в вакууме…

Наш современник, испанский историк и инженер Николас Гарсиа Тапиа,
в своей книге «ЖЕРОНИМО ДЕ АЯНЗ И БОМОН’

пишет, что испанский изобретатель Херонимо де Аянц-и-Бомонт (1553–1613 годы) построил в 1606 году паровое устройство для подъема воды на высоту.
О де Аянсе Херонимо де Аянс был военным, художником, космографом, музыкантом и, прежде всего, изобретателем. (обладатель «привилегии на изобретения» (патент — на данный момент) на 48 устройств, подписан Филиппом III).
Он занимался разработкой научных инструментов, металлических роликов для ветряных мельниц, металлургических печей, водолазного колокола и водолазного костюма (2 августа 1602 года он нырнул в этом водолазном костюме в реку Писуэрга и какое-то время оставался под водой) подводная лодка, а также арочные дамбы, точные весы (документы говорят, что она может весить даже муху), перегонный куб, поршневые насосы и т д


Подводная лодка… (в полном смысле этого слова)

Эскиз и рукопись Еронимо де Аянса.

Иллюстрированное изображение автомобиля де Аяна. Пар из бойлера (D) поступал через открытый кран в емкость (2) и выдавливал воду. При этом емкость (1) наполнилась водой из емкости (B), затем открытые краны закрылись, закрытые, наоборот, открылись, и вот теперь пар выдавил воду из емкости. (1), а контейнер (2) наполнен новой порцией воды. Воду добавляли в бойлер по мере необходимости. Благодаря двум контейнерам (а не одному) удалось добиться равномерной работы.
Таким образом, оказалось, что вода достигла определенной высоты, например, на верхних этажах замка. Или налейте немного воды на водяное колесо и приведите что-нибудь в движение колесом. Впоследствии Томас Севери при постройке своего автомобиля использовал работы де Аянса.

В 1655 году Эдвард Сомерсет в своей книге «Век изобретений» описал основной принцип работы паровых двигателей и диапазон их применения. В замке Раглан он установил водоподъемное устройство на стене большой башни.
Замок

В 19 веке можно было увидеть бороздки в стене, где стояла машина…

Считается, что Фердинанд Вербист создал в 1670 году первый в мире паром (своего рода игрушку.

Неподтвержденная информация

Даже Исаак Ньютон не остался равнодушным, вот его видение «реактивного парома:

Есть только этот рисунок или набросок, если хотите

Следующим этапом развития паровых машин было создание Денисом Папином в 1680–1690 годах (данные расходятся) «поршневой» паровой машины, выполнявшей полезную работу за счет нагрева и конденсации пара. Это была принципиально новая конструкция паровой машины. Конструкция паровой машины (цилиндр и поршень) была предложена Денису Папену Лейбницем.
Кратко о Дени Папен Папен родился во французском городе Блуа в 1647 году. В университете Анжера он изучал медицину и получил докторскую степень. Но Папен не стал врачом. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Х. Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику. В 1688 году он опубликовал со своими конструктивными дополнениями описание конструкции цилиндрической порошковой машины с поршнем, представленной Гюйгенсом Парижской академии наук.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, спроектировал печь для плавления стекла, паровую тележку и подводную лодку, изобрел скороварку и несколько машин для подъема воды.

При нагревании вода в цилиндре превращалась в пар и перемещала поршень вверх, а когда пар конденсировался, создавалось тонкое пространство, и атмосферное давление перемещало поршень вниз.
Двигатель Папена мало что делал, так как не мог работать непрерывно. Чтобы машина заработала, нужно было манипулировать штоком и крышкой клапана, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.
Денис Папен считается изобретателем парового цилиндра, который, таким образом, проложил путь для паровой машины Ньюкомена.

2 июля 1698 года английский инженер Томас Севери получил патент на изобретение «пожарной машины», предназначенной для откачки воды из шахт.
Машина Севери — это паровой насос, а не двигатель: у нее не было цилиндра с поршнем, который приводил бы что-либо в движение при движении.
Самым главным в этом устройстве было то, что пар для насоса вырабатывался в отдельном котле.
произошло вот такое. В котле образовывался пар, который постоянно нагревался. При открытии клапана на трубе пар подавался в перекачивающую емкость. От него отходили две трубы: одна (всасывающая) уходила в скважину, другая (нагнетательная) уходила в сток.
Когда в емкость вводили пар, он начинал выталкивать находящуюся в нем воду через нагнетательную трубку в сливной желоб. Затем подачу пара прекращали и по специальной трубе в бак подавали холодную воду. Пар конденсировался, превращаясь в воду, и занимал небольшой объем, то есть в резервуаре образовался вакуум. Вода из шахты вытеснялась атмосферным давлением, подавалась по всасывающей трубе в пустой «резервуар.
Насос Севери был маломощным, потреблял много топлива и работал с перебоями. Однако установка Суровая помогла изобретателям понять, что паровые машины должны использовать пар из отдельного котла.
Немного истории Считается, что самый первый «двигатель зажигания» Томаса Свери был установлен на шахте Уил-Вор на южном побережье Корнуолла около деревни Карлин, расположенной примерно в 2 милях к северо-западу от Хелстона).
В 1717-18 годах в Санкт-Петербурге по указу царя Петра I была установлена ​​«пожарная машина», которая снабжала водой около 50 фонтанов в летнем саду. Производство и монтаж курировал Жан Теофиль Дезагулье, француз по происхождению, который стал довольно высокопоставленным священником в Англии и главой первой английской масонской ложи. Вот как об этом пишет сам Дезагулье:
«Начиная с 1717 или 1718 года я построил семь передовых огневых машин. Первый — для покойного царя Петра Великого, для его сада в Санкт-Петербурге.»
Машина подняла воду на высоту 3 м от поверхности земли. Его производительность составляла 3 барреля в минуту.

При открытии крана 5 пар из бойлера 2 подавался в сосуд 1, вытесняя воду оттуда через трубку 6. Клапан 10 открыт, а клапан 11 закрыт. В конце закачки клапан 5 был закрыт, и холодная вода подавалась в сосуд 1 через клапан 9. Пар в сосуде 1 охладился, конденсировался и давление снизилось, всасывание воды через трубку 12 Клапан 11 был открыт, и клапан 10 был открыт закрыто.
Эти устройства не получили широкого распространения.

Механизм действия

Агрегат работал по следующей схеме. Котел постоянно вырабатывал пар. Этот танк был оборудован краном. В какой-то момент она открылась, и в цилиндры вошел пар. За счет этого поршень был приподнят. Он, в свою очередь, был соединен со штангой водяного насоса через цепь и балансир. Когда поршень поднимался, он опускался. Вся полость цилиндра была заполнена паром. Впоследствии второй кран был открыт вручную. Через него в баллон поступала холодная вода. В результате пар конденсировался, и внутри контейнера создавался вакуум. Поршень опускался под действием атмосферного давления. В то же время он тащил за собой цепь весов. Шток насоса переместился вверх. В результате была откачана следующая порция воды. Затем цикл был повторен снова.

Практическое применение

Машина Ньюкомена широко использовалась на угольных и минеральных шахтах в Англии, Германии и Франции. Устройство в основном использовалось в горнодобывающей промышленности. Также его использовали для водопровода в крупных городах. Из-за того, что машина была очень громоздкой и потребляла много топлива, она нашла применение в основном в узкоспециализированных целях. Изобретателю не удалось создать универсальный механизм из единства. Однако за основу установку взял Ватт, создавший новую модель паровой машины.

Паровая машина Томаса Ньюкомена запущена в шахты

Томас Ньюкомен модифицировал свой паровой двигатель для приведения в действие насосов, используемых в горнодобывающих предприятиях, которые удаляли воду из шахтных скважин. Он добавил потолочную балку, которая подвешивала поршень на одном конце и шток насоса на другом.

Превосходство машины Ньюкомена

С момента установки первой машины Ньюкомена до 1733 года более 100 единиц оборудования находились в эксплуатации на шахтах по всей Англии, и эта машина использовалась в течение примерно тридцати лет после ее первой установки, поскольку другого изобретателя не было кто предложил другой инструмент.

Только в 1765 году другой изобретатель, Джеймс Ватт, улучшил первоначальный дизайн. Это значительно увеличило мощность в результате использования пара.

Однако стоит отметить, что оригинальные машины прослужили долгое время после модификаций Ватта, что говорит об эффективности, которую они предлагали тем, кто их использовал. Только когда стоимость угля стала значительной переменной, начался переход к новым технологиям.

Предпосылки к изобретению

Многие шахты находились недалеко от Дартмунда. Томас занимался кузнечным делом, ремонтировал различные приспособления. Совершенно очевидно, что это изобретение Севери. Томас часто играл с насосами, установленными в шахтах. Они приводились в движение с помощью силы мускулов человека. Заметив это, кузнец решил усовершенствовать механизм. Так появилась знаменитая машина Томаса Ньюкомена. Стоит сказать, что, конечно, он не был пионером в этой области. Однако Томас Ньюкомен и его паровая машина дали толчок развитию отрасли в те годы.

Фотография атмосферного парового двигателя Томаса Ньюкомена

На фото выше — котел. Пар проходит через клапан и поднимается в цилиндр, уравновешивая атмосферное давление и опуская тяжелый шток насоса, и из-за большого веса, действующего через балку, поднимает поршень в положение, показанное на рисунке. При необходимости на штанге установлен противовес. Затем клапан открывается и закрывается, и поток воды из бака входит в цилиндр, создавая вакуум за счет конденсации пара. Давление воздуха над поршнем теперь сбивает его, снова поднимая штоки насоса, и, таким образом, двигатель работает бесконечно.

Трубка, изобретенная Томасом Ньюкоменом, используется для покрытия верхней части поршня водой, чтобы предотвратить утечку воздуха. На фото показаны два калибровочных крана и предохранительный клапан. Здесь использованное давление было немного выше атмосферного, а вес самого клапана обычно был достаточным, чтобы удержать его. Конденсированная вода вместе с конденсированной водой протекает через открытую трубу.

Особенности нового механизма

Паровая машина Томаса Ньюкомена создавалась с учетом разработок других изобретателей. Кузнец взял себе в помощники Коули (сантехника). В своем устройстве Ньюкомен использовал рациональные идеи и разработки, сделанные до него. За основу был взят цилиндр Папена. Однако пар в устройстве, обеспечивающем подъем поршня, находился в отдельном котле, как и в «Севери.

Сложности установки

Автомобиль, созданный Ньюкоменом, работал с перебоями. Следовательно, он не мог стать механизмом для запуска промышленного оборудования, требующего непрерывного движения. Однако это не было целью изобретателя. Ньюкомен хотел создать насос, с помощью которого можно было бы перекачивать воду из шахт. Изобретателю это удалось. Высота автомобиля была примерно равна четырех-пятиэтажному зданию.

К тому же аппарат оказался очень «прожорливым». В установке участвовали два человека. В котел постоянно закидывали уголь. Второй отвечал за краны, по которым подавалась холодная вода и пар. Конечно, это была очень тяжелая работа. Автомобиль Ньюкомена имел вместимость 8 литров вместе с. Благодаря этому воду можно было поднимать с глубины до 80 м. Расход топлива составлял 25 кг угля / час на литр вместе с. Изобретатель начал свои первые эксперименты в 1705 году. Ему потребовалось около десяти лет, чтобы создать правильно работающее устройство.

Изобретатель Джон Дезагулье написал следующее о Томасе Ньюкомене

Томас Ньюкомен провел несколько частных экспериментов около 1710 года и в конце 1711 года внес предложение по осушению шахты в Гриффе, Уорикшир, где владельцы наняли 500 лошадей за свой счет. 900 фунтов стерлингов в год, но их изобретение не встретило ожидаемого приема, в марте следующего года, благодаря знакомству с доктором Поттером из Бромсгроув в Вустершире, они заключили сделку по доставке воды для мистера Бека из Вулверхэмптона, где после стольких тщательных попыток они заставили машину работать, но, не будучи ни философами, чтобы понимать разум, ни математиками, достаточными для вычисления сил и пропорций частей, к счастью, они случайно нашли то, что искали. Они были сбиты с толку насчет насосов, но, находясь так близко к Бирмингему и с помощью стольких замечательных и инициативных рабочих, около 1712 года они нашли способ изготавливать клапаны, клапаны и ковши для насосов, в то время как у них было лишь несовершенное представление о том, как их раньше.

Одно действительно примечательно: когда они впервые работали, они были удивлены, увидев, как двигатель делает несколько ходов, и очень быстро вместе, когда после обыска они обнаружили отверстие в поршне, через которое проходила холодная вода для конденсации пара внутри цилиндр, в то время как раньше они всегда делали это снаружи таким образом, они могли делать только 6, 8 или 10 ударов в минуту, пока парень по имени Хамфри Поттер в 1713 году, который присутствовал на двигателе, не добавил ског или защелку, чтобы луч всегда открывался, а затем он уходил на 15 или 16 ударов в минуту. Но, сбитый с толку шнурками и веревками, сэр Генри Бейтон с двигателем, который он построил в Ньюкасл-апон-Тайн в 1718 году, взял все, кроме самого стержня, и обеспечил их гораздо лучше ».

Чтобы проиллюстрировать использование двигателя Томаса Ньюкомена для осушения шахт, Фэри описывает небольшую машину с диаметром насоса 8 дюймов и высотой подъема 162 фута. Поднимаемый столб воды весил 3535 фунтов. Паровой поршень имел диаметр 2 фута, что дало площадь 452 квадратных дюйма. Предполагалось, что чистое рабочее давление составляет 10 фунтов на квадратный дюйм; температура конденсирующейся воды и неконденсирующегося пара после впуска воды для нагнетания обычно составляет около 150 ° F. Это дает избыточное давление на стороне потока 1324 фунта при общем давлении поршня 4859 фунтов. Половина этого избытка уравновешивается насосными штангами и весом на этом конце балки; а вес в 662 фунта, попеременно действующий с каждой стороны в качестве излишка, обеспечивал требуемую скорость машины. Сообщалось, что этот двигатель совершал 15 ходов в минуту, давая скорость поршня 75 футов в минуту, а полезная мощность была эквивалентна 265 125 фунтам, поднимаемым на фут в минуту.

Поскольку мощность эквивалентна 33 000 фунт-футов в минуту, двигатель потерял почти ровно 8 лошадиных сил.

поучительно сравнить эту оценку с оценкой, сделанной для двигателя Savery, выполняющего ту же работу. Последний поднимал воду примерно на 2 G футов в своей «всасывающей трубе», а затем нагнетал ее прямым давлением пара, оставаясь на расстоянии 13 G футов; и требуемое давление пара будет около 60 фунтов на квадратный дюйм. При такой высокой температуре и давлении потери пара из-за конденсации в сосудах для нагнетания были бы настолько большими, что потребовались бы два значительных двигателя, каждый из которых мог бы поднимать воду на половину высоты и использовать пар с давлением примерно 25 фунтов. Грубые аксессуары Поттера вскоре были усовершенствованы Генри Бейтоном на двигателе, который этот талантливый инженер установил (Ньюкасл-апон-Тайн в 1718 году), в котором он заменил основные материалы для струн.

После смерти Бейтона атмосферный двигатель Томаса Ньюкомена в течение многих лет сохранял свою стандартную форму и широко использовался во всех районах добычи полезных ископаемых, особенно в Корнуолле, а также иногда использовался для осушения водно-болотных угодий, для водоснабжения городов, и это даже было предложено Залы, которые будут использоваться для движения корабля.

Томас Ньюкомен и Джон Колли

Томасу Ньюкомену помогал Джон Колли в его исследованиях пара, два изобретателя, перечисленные в патенте атмосферного парового двигателя.

Томас Ньюкомен и Джон Калли не имели опыта в области машиностроения и переписывались с ученым Робертом Гуком, прося его совета относительно своих планов по созданию парового двигателя с паровым цилиндром, содержащим поршень, подобный поршню Дениса Папена. Гук посоветовал отказаться от их плана, но, к счастью, упрямые и невежественные механики остались верны своим планам.

Томас Ньюкомен и Джон Калли создали двигатель, который, хотя и не имел общего успеха, им удалось запатентовать в 1708 году. Это был двигатель, в котором сочетались паровой цилиндр и поршень, поверхностный конденсат, отдельный котел и отдельные насосы. В патенте также упоминается Томас Савери, которому в то время принадлежали исключительные права на использование поверхностного конденсата.

Нобелевская премия 2016 года по химии — молекулярные машины

Объявлена ​​Нобелевская премия по химии 2016 г. Узнайте о победителях, их исследованиях и значении открытий для человечества.

Паровая машина атмосферный

Изобретением, благодаря которому Томас Ньюкомен получил наибольший успех, стал атмосферный паровой двигатель..

Эта машина родилась из анализа и сочетания идей, которые возникли во время строительства ее предшественников: британца Томаса Савери в 1698 году и француза Дени Папена в 1690 году. Хотя это правда, что она работала, Ньюкомена попросили оптимизировать рабочую силу в результате использования пара.

В сотрудничестве со своим партнером Джоном Колли (механик по профессии) и консультантом Роберта Гука (английский физик) Ньюкомен попытался найти решение выявленной им проблемы: высокая стоимость использования лошадей для откачки воды оловянные шахты.

Однако на поиск практичного и функционального решения для вашей версии паровой машины ушло не менее 10 лет..

операция

Машины Savery, представленные в 1698 году, и Newcomens, увидевшие свет в 1712 году, представили аналогичные элементы, такие как бойлер, резервуар для воды и даже рабочие основания (создавая вакуум в закрытом пространстве за счет охлаждения водяного пара).

Однако основное отличие заключалось в окончательной форме, когда обе команды добывали воду со дна шахты..

патент

Ньюкомен не смог запатентовать свое изобретение, потому что Савери, зарегистрировав свою машину, получил обширный патент (GB 356 AD), который включал все «цилиндры или двигатели для подъема воды или движения любого рода». Мельница является движущей силой машины. Огонь «.

Это не было ограничением, и оба изобретателя тогда совместно работали и установили большое количество насосного оборудования для шахт..

Прогресс атмосферного парового двигателя

Атмосферный двигатель, как первоначально спроектирован, имел медленный процесс конденсации за счет откачивания конденсата из цилиндра для создания вакуума, сотрясающего двигатель через очень длительные промежутки времени. Были внесены дальнейшие улучшения, которые значительно увеличили скорость конденсации. Первый двигатель Томаса Ньюкомена производил 6 или 8 тактов в минуту и ​​улучшил его до 10 или 12 тактов.

Общественный прием к двигателю Томаса Ньюкомена

Поначалу паровая машина Томаса Ньюкомена воспринималась как ограничение ранних идей. Его сравнивают с пороховым поршневым двигателем, разработанным (но не построенным) Кристианом Гюйгенсом, который заменяет пар газами, образовавшимися при взрыве пороха. Позже было признано, что Томас Ньюкомен и Джон Колли улучшили метод конденсации, используемый в двигателе Savery.