ПАР
Александр Идин

"Паровая машина (ПМ) - поршневой первичный двигатель, предназначенный для преобразования потенциальной тепловой энергии (давления) водяного пара в механическую работу. Рабочий процесс ПМ обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях ее цилиндра, объем которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр ПМ, расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры ПМ окружаются паровой рубашкой".

(Одно из определений паровой машины)

Каждому приходилось видеть, как исчезают капельки или лужицы воды с какой-либо поверхности. Это знакомо, как и то, что если температура поверхности или воздуха станет еще больше, то и исчезновение наступит скорее. И название этому процессу также известно - испарение, т.е. превращение вещества из жидкого состояния в газообразное. Этому процессу подвержены все жидкости без исключения. Только при одинаковых условиях (температура, давление и т.д.) одни жидкости испаряются быстро, другие, например, ртуть - медленно. Если испарение происходит медленно, то увидеть пар удается не всегда. Видно его только при определенных условиях: например, с мокрой после дождя крыши, обращенной к солнцу, испарение бывает столь интенсивным, что пар похож на тонкий слой дыма. В незамкнутом пространстве пар перемешивается с воздухом, с потоками которого он уносится от поверхности жидкости. Проходит время, и вся влага испаряется.

Пар, попавший в атмосферу, опять превращается в жидкость. Но для этого необходимы определенные условия: достаточное количество пара в воздухе (для этого существует такое понятие как "влажность"), соответствующие температура и давление. С понижением температуры при достаточно высокой влажности пар снова становится жидкостью. В природе это явление, которое называется конденсацией, часто наблюдается по утрам в виде тумана. Если влаги в воздухе много, а температура падает значительно, то капельки уже не столь маленькие, как у тумана, они уже не висят, а падают. И бывает так, что вместо безобидного дождика с неба хлещет ливень: все зависит от того количества влаги, которое смогла накопить атмосфера. Как бы то ни было, но вода вновь вернулась на землю, причем и туда, откуда берут начало реки. Много веков назад человек догадался, как, например, с помощью водяного колеса использовать энергию рек, которых без непрерывных процессов испарения и конденсации не существовало бы.

Но наступило время, когда полученной таким образом энергии стало недоставать. Особенно для откачивания воды из шахт, где добывались уголь и руда, а также для привода различных металлообрабатывающих, ткацких и подобных станков и механизмов. Иногда приходилось тянуть привод от водяного колеса, установленного на реке, до цехов со станками несколько километров. Требовалось найти источник механической энергии рядом с рабочим местом. Зная о том, что в истории развития техники был период паровых машин, можно было бы предположить, что некто пытливый и любознательный, заметив, как крышка над котлом с кипящей водой приподнимается, и, выпустив порцию пара, падает на место, поймет, что этому можно найти применение. Но, видимо, никто из них не ходил на кухню и не стоял у плиты, а читал научные книги.

А в начале XVII века в науке произошли некоторые события. Во-первых, в 1601 г. итальянский ученый Д. Порта заметил, что при конденсации водяных паров в замкнутом пространстве образуется разрежение. Во-вторых, в 1643 г. итальянский физик Э. Торричелли доказал, что существует атмосферное давление. И, в-третьих, опыты 1654 г., с помощью которых немецкий физик О. Герике доказал существование массы и упругости воздуха, подсказали идею об объединении этих знаний для создания пароатмосферной машины. Первым, кому удалось ее создать, был французский физик и изобретатель Д. Папен. В 1690 г. он опубликовал описание такой машины, конструкция и принцип действия которой показаны на рис. 1.

В вертикально расположенном цилиндре 1 находится поршень 2, который с помощью стержня 3, проходящего через верхнюю крышку цилиндра, соединяется с тросом 5. Другой конец троса предназначен для присоединения через систему блоков 6 к грузу 8, который необходимо поднять. В цилиндре на дне находится вода. Для установки машины в исходное состояние необходимо опустить поршень путем удаления воздуха под ним через отверстие, которое открывается и закрывается специальным стержнем-клапаном 4. Когда поршень достигает поверхности воды, отверстие закрывают, и под цилиндр устанавливают источник тепла. Вода закипает, образовавшийся пар поднимает поршень, который в верхней точке фиксируют стопором 7. Затем убирают источник тепла, подсоединяют груз, убирают стопор и охлаждают цилиндр с внешней стороны водой. Пар конденсируется, давление в цилиндре падает, и под действием давления атмосферного воздуха поршень опускается, а груз, естественно, поднимается.

Ура! Машина работает! И все было бы хорошо, но только практического применения данная конструкция не нашла из-за большого расхода топлива, недостаточной мощности, слишком маленькой высоты подъема груза, например воды из шахт, что было одной из основных проблем того времени. Ну, а кому как не шахтовладельцам браться за решение этой задачки? Один из них, англичанин Т. Севери, придумал и в 1698 г. получил патент на машину для подъема воды и получения движущей силы для всех видов производства. По правде, у Севери получился только паровой насос, сделать паровую машину он, видимо, предполагал позднее, а пока с помощью патента хотел "застолбить" привилегию на нее за собой.

На рис. 2 показан его насос и поясняется принцип работы. В этой конструкции впервые был применен паровой котел как самостоятельный элемент. Вода в котле 6 нагревалась, и получался пар. Затем открывался клапан 5, и пар поступал в конденсационный сосуд 7. Вода из него поступала в трубу 1, предназначенную для откачки воды из шахты. Т.к. при этом клапан 2 закрыт, а клапан 3 открыт, то вода выливается из верхнего конца трубы. После того как в сосуде 7 вся вода будет вытеснена, клапан 5 закрывается, а открывается клапан 4 подачи охлаждающей воды в конденсационный сосуд 7. Пар конденсируется, давление в сосуде 7 падает, и под действием атмосферного давления вода по трубе 4 поднимается через открытый клапан 2 в сосуд 7. Клапан 3 при этом закрыт. После прекращения поступления воды в сосуд 7 клапан 4 закрывается, а клапан 5 открывается. Затем процесс повторяется вновь.

Из-за низкой прочности котлов максимальное давление пара не превышало 3 атм, поэтому максимальная высота подъема воды была порядка 25 м. Глубина откачки через трубу 1, соответственно, чуть больше 10 метров. Но, несмотря на это, а так же на то, что к.п.д. парового котла не превышал 0,3 %, эта машина нашла применение на шахтах. Для обеспечения подачи воды с больших глубин последовательно устанавливалось несколько таких насосов по глубине шахты. И это было первое промышленное применение пара.

(Продолжение следует)