Начальный период развития теплового двигателя
Ранние попытки создания теплового двигателя как двигателя, не зависящего от местных условий, были связаны с решением задачи водоподъема. Устройством, в котором двигатель конструктивно слит с потребителем энергии, явился паровой водоподъемник англичанина Т. Севери, запатентованный им в 1698 г.
В водоподъемнике Севери (рис. 1.11) вода в котел подавалась через кран 3, пар из котла 2 через открытый кран 4 поступал в камеру 1 и вытеснял из нее воду через нагнетательный клапан 6 при закрытом всасывающем клапане 7 в верхний резервуар 5. Затем кран 4 закрывался и камера поливалась холодной водой из специального резервуара. Пар в камере конденсировался, давление снижалось, и вода заполняла камеру через всасывающий клапан 7. Затем цикл повторялся.
Соприкосновение пара с холодной водой в камере, которая являлась одновременно и двигателем, и насосом, приводило к крайней неэкономичности установки, использующей на работу водоподъема только 0,5 % теплоты, заключенной в топливе. Тем не менее острая нужда в двигателе для откачивания воды из рудников и шахт привела к ограниченному распространению установки Севери. Более того, Севери предлагал объединить его установку, способную выполнять единственную функцию - подъем воды, с водяным колесом для придания ей свойств универсального двигателя.
Второму этапу развития теплового двигателя, когда он конструктивно отделился от машины-орудия, предшествовали труды ряда ученых и изобретателей, и, прежде всего, французского физика Д. Папена, немецкого философа, математика, физика Г. В. Лейбница. Эта идея, вытекавшая из практики проектирования поршневых насосов, лежала и в основе попыток построения теплового двигателя голландским ученым Х. Гюйгенсом (1681) и голландским аббатом Ж. Готфейлем (1678-1682), что расширяет число участников «первого действительно интернационального изобретения».
Большая заслуга Д. Папена состоит в том, что, исследуя работу пара в полости цилиндра, ограниченной подвижным поршнем, он впервые правильно описал последовательность процессов термодинамического цикла парового двигателя.
В машине Папена все основные процессы парового двигателя (образование пара, превращение тепловой энергии в механическую и конденсация пара) протекали в одном агрегате - цилиндре с поршнем. Узловыми моментами последующей истории развития парового двигателя явилось отделение от цилиндра сначала котла, а потом конденсатора.
В установке Севери двигатель был уже отделен от котла и в то же время объединен с насосом, поверхность воды в котором служила как бы общим поршнем для двигателя и насоса. Применение такого поршня позволило сделать существенный шаг вперед в обособлении двигателя от орудия, что нашло отражение в водоподъемной установке Ньюкомена - Коули. Эти изобретатели также решали задачу, связанную с откачиванием воды из рудника. Работа сводилась к необходимости периодического подъема длинной насосной штанги, выходящей на поверхность земли; опускалась же штанга под действием собственного веса. Таким образом, периодичность работы насоса простого действия, установленного на дне шахты, хорошо согласовалась с периодичностью работы пара в полости двигателя.
Отделение двигателя от насоса давало возможность изменять соотношение диаметров их поршней и получать высокое давление в насосе при низком давлении в двигателе, а следовательно, поднимать воду с больших глубин при низком давлении пара в котле. Так, одна из реальных установок, построенных в Англии, поднимала воду на высоту 80 м, и, следовательно, давление на поршень насоса должно было быть 8 кгс/см . Поршень насоса имел диаметр в 4 раза меньший, чем поршень двигателя, поэтому отношение площадей поршней насоса и двигателя было равно 16 и давление на поверхность поршня двигателя
Насосы описанной конструкции применялись почти столетие, но использовались весьма ограниченно из-за своего недостатка - прерывности в работе. Тем не менее они подготовили условия для следующего шага в развитии теплоэнергетики - становления универсального двигателя.
