Великите изобретения на човечеството: Парна машина

1690 – 1769 г.

ИНДУСТРИАЛНА РЕВОЛЮЦИЯ НА МОДЕРНОТО ВРЕМЕ

За първи път човекът подчинява на своите нужди енергия, изцяло открита от него. След животното, водата и вятъра идва ерата на парата, която ще увеличи десеторно силите, поставени в услуга на индустрията и транспорта, прелюдия към нови безпрецедентни открития.

Повече от всяко друго изобретение парната машина символизира индустриалната революция. Тя е въведение към големите енергетични промени, които следват.

За първи път човекът може да произведе двигателна енергия независимо от природните условия.

Парната машина, като освобождава индустрията от зависимостта, която я приковава към природните сили чрез обичайните източници на енергия (течаща вода, вятър, приливи), открива наистина модерната ера на механизацията.

/ АНТИЧНИ ПРЕДШЕСТВЕНИЦИ, НО НЕДОСТАТЪЧНИ ПОЗНАНИЯ

Мощта на па̀рата е позната много преди да се създадат първите пълноценни машини в модерната епоха. Гръцкият учен Херон от Александрия (І век) описва приспособления, които напомнят двигателната сила на па̀рата, за автоматично отваряне вратите на храм или за задвижване на малък въртящ механизъм. Но както напомня Сади Карно през 1824 г., „има почти такова разстояние между първите апарати, в които е развита агресивната сила на парата, и съвременните машини, както между първия сал на човека и кораба с висок борд”.

Развитието на парната машина през последната четвърт на ХVІІ век действително е тясно зависимо от откритието на вакуума и на атмосферното налягане към средата на същия век. Така през 1643 г.,  годината на изобретяването на барометъра, всички опити за използване на двигателната мощ на огъня се сблъскват с подценяване или пълно непознаване на основните физични явления: частичният вакуум, създаван при кондензацията на парата във вода, е пренебрегван поради отричането на вакуума въобще; колкото до атмосферното налягане, то е напълно непознато.

/ ЕКСПЕРИМЕНТЪТ НА ОТО ФОН ГЕРИКЕ

Положението радикално се променя през втората половина на ХVІІ век с изобретяването на барометъра и развитието на въздушните помпи. Тогава вече се знае не само че съществува атмосферно налягане, но и че то може да упражнява значителна сила. Това доказва Ото фон Герике през 1645 г. по време на известен експеримент, когато стават очевидни основните механични зависимости между атмосферно налягане и вакуум. Те подсказват решаващата за бъдещето на парната машина идея да се произвежда вакуум с помощта на бутало.

Герике накарва шестнайсет души да повдигнат в горно положение бутало в цилиндър с помощта на въже и скрипец.

Когато въздухът под буталото в цилиндъра е изпомпан, то се връща в начално положение под натиска на външния въздух, а хората са съборени от внезапното му връщане. По-късно се правят опити за конструиране на машина, където вакуумът се създава чрез експлозия на барут в цилиндъра, но никоя от тези идеи не става производителна.

/ ОПИТИТЕ НА ДЬОНИ ПАПЕН

През 1860 г. французинът Дьони Папен замества най-после водната па̀ра с барут. Внезапната кондензация на водната па̀ра в цилиндър, където се движи бутало, действително създава частичен вакуум. Тогава буталото е изтласкано от атмосферното налягане, а система от назъбен лост и зъбни колела подема това движение, позволявайки по този начин да се задвижи всякакъв механизъм. След това процесът се обръща, за да може буталото да се върне на място. За съжаление действието не може да се повтори, преди да минат няколко минути (време, необходимо за охлаждане на цилиндъра), докато истинската машина трябва да може да функционира непрекъснато.

”Атмосферната машина с плаващо бутало” на Папен е само едно начало.

/ МАШИНАТА НА СЕЙВЪРИ

Англичаните Томас Сейвъри и Томас Нюкомън изобретяват първите наистина работещи атмосферни машини.

”Огнената помпа” на Сейвъри е пусната в употреба през 1698 г. в мина в Корнуол, където създателят й работи. Това е машина без бутало, предназначена за изпомпване на водата. Тя функционира благодарение на игра на кранчета: водната пара бива доведена от казан до съд съдържащ част от водата за изпомпване, и изригването на парата изтиква водата нагоре; струя студена вода охлажда парата, която кондензира и създава частичен вакуум. Водата, която се намира по-ниско в мината, се всмуква в съда и цикълът може да започне отново.

Оригиналното в машината на Сейвъри в сравнение с тази на Папен е ускорената кондензация на парата чрез външно поливане на съда, а това прави ефикасна нагнетателно-смукателната помпа, макар и подложена на многобройни инциденти поради отсъствието на предни клапани.

/ ПО-ПРИСПОСОБЕНА МАШИНА

На Томас Нюкомън дължим първата практична машина от 1712 г. Тя съчетава качествата на машините на Папен и Сейвъри, като заимства от едната движението на буталото в цилиндъра, а от другата – казана за загряване и системата за охлаждане.

Голямата новост, въведена от английския инженер, е замяната на външното поливане на цилиндъра с вътрешно. Този метод още повече ускорява кондензацията и осигурява успеха на машината в средите на английските собственици на мини. Те я използват широко, за да задвижва обикновените водни помпи.

/ МАШИНАТА НА ДЖЕЙМС УАТ

Решителният принос идва от британеца Джеймс Уат между 1765 и 1769 г. Два фактора пречат на машините от типа Нюкомън да достигнат пълна мощност.

Първо, тя е ограничена от тази на атмосферното налягане: т.е. машината остава подвластна на природните обстоятелства, от които всъщност иска да се отърси! Второ, най-важно според Уат, тези машини изразходват много топлина без никакъв механичен ефект.

За да избегне разхищението на пара, Уат изобретява през 1765 г. отделен кондензатор, чиято роля е да позволява да се поддържа висока температура в цилиндъра. Друга голяма иновация на Уат е, че въвежда затворен цикъл на работа на машината. За тази цел той подменя силата на парата с тази на атмосферното налягане, като то действа върху двете страни на буталото. Този революционен напредък отново се дължи на стремежа към рентабилност: Уат търси начин да попречи на охлаждането на вътрешната страна на цилиндъра, когато буталото слиза към дъното под въздействието на атмосферното налягане.

Общата икономия при машината нараства още с въвеждането през 1769 г. на декомпресията, което позволява да се регулира времетраенето на разширяване и на компресия на парата.

/ КЪМ ПАРНИЯ ЛОКОМОТИВ

Освен печелене на енергия, изключителната употреба на пара за задвижване на буталото дава на машината на Уат решително предимство пред конкурентите: тъй като налягането на парата е по-високо от атмосферното, производителността на машините на Уат задължително е по-висока от тази на отворения тип машини. Възможността налягането да нараства над една атмосфера позволява да се достигне още по-висока производителност.

От 1800 г. се появяват първите парни машини с високо налягане (до пет атмосфери) по инициатива на Ричард Тревитик и Дейвид Гилбърт във Великобритания, както и на Оливър Евънс в Съединените щати. Тези машини не изискват нито кондензатор, нито въздушна помпа и са съвсем леки, затова служат и в транспорта. Веднага следват първи решителни опити за производство на парен локомотив, изобретен от Тревитик още през 1801 г.

< КАРНО И ТЕОРИЯТА ЗА ПАРНАТА МАШИНА >

В своите „Разсъждения върху двигателната мощ на огъня” (1824 г.) Карно формулира условието на втория принцип на термодинамиката – за енергия, отдадена при приемане на топлината от горещо към студено тяло. Първият принцип, чието описание остава в ръкопис, постановява равновесието между работа и енергия. Както ще отбележим, Карно вярва все още в калорик (предполагаема течност, която служи като проводник на топлината и чието не съществуване ще бъде доказано от Джеймс Прескот Джаул през 1837 и 1847 г.)

„Производството на двигателна мощ при парните машини се дължи не на действително потребление на калорик, а на пренасянето му от горещо в студено тяло, т.е. възстановяване на равновесието, за което се предполага, че е било нарушено по някаква причина от химическо действие като горенето или друго. Ще видим, че този принцип е приложим към всяка машина, която се задвижва с топлина.

Според този принцип не е достатъчно за получаване на двигателна мощ да се произвежда топлина: трябва да си набавим и студ. Без него топлината би била ненужна. Ако около себе си имаме само горещи тела като нашите камини, как бихме могли да кондензираме па̀рата?

Къде бихме я сложили, след като я произведем? Не би трябвало да вярваме, че може, както това се практикува при някои машини (машините с високо налягане), да се изхвърли в атмосферата: тя не би я приела. Калорикът я приема при сегашното състояние на нещата само защото запълва с нея съда на голям кондензатор, който е с по-ниска температура: иначе той би бил скоро пълен или, по-точно, би бил предварително наситен.

Навсякъде, където съществува разлика в температурата, навсякъде, където би могло да има възстановяване на равновесието на калорик, може да се произвежда и двигателна мощ.

Водната па̀ра е начин за осъществяване на тази мощ, но не единствен: всички тела в природата могат да бъдат използвани за тази цел; всички подлежат на промени в обема чрез свиване и последващо разширяване, когато се редуват топлина и студ; всички са способни да преодолеят при промяна на обема някои съпротивления и по този начин да развият двигателна мощ.”

Из едноименният труд на Мишел Ривал.