Воскресенье, 21 апреля, 2024

16+

Томас Ньюкомен: откуда пошла паровая революция

Время на чтение 6 мин.

28 февраля 1664 года в английском Дартмуте, графство Девон, родился Томас Ньюкомен. Младенца крестили в церкви Спасителя, и прихожане вряд ли предполагали, что ребенок войдет в историю как инженер и изобретатель, создавший первый пригодный для использования паровой двигатель, работающий на атмосферном давлении. Названное в честь Ньюкомена устройство стало предшественником более совершенного двигателя Джеймса Ватта и положило начало «паровой революции» в промышленности.

Томас Ньюкомен: откуда пошла паровая революция
Томас Ньюкомен. Изображение: Википедия

Оловянная лихорадка

Томас Ньюкомен стал торговцем изделиями из металла. Его бизнес был бы невозможен без олова, добываемого в шахтах Девона и Корнуолла: в XVIII веке этот металл шел на посуду, украшения и прочие изделия.

В 1689 году Томас Эпсли придумал метод дробления гранитной породы с помощью пороховых зарядов: один взрыв заменял шесть дней махания киркой. Кроме того, теперь шахтеры могли вскрывать не только верхние слои, потрепанные эрозией, но и твердые монолиты.

Благодаря методу Эпсли шахты стали расти вглубь: рудокопы спускались все ниже и ниже вслед за рудоносными жилами. И это породило новую проблему: в какой-то момент рабочие неизбежно достигали уровня грунтовых вод и начиналось затопление. Возле шахт появились насосные станции: помпы приводились в действие либо колесами, которые вращали покорные ослики, либо вовсе вручную. Если рядом тек ручей, то строили плотину и устанавливали водяное колесо.

Ньюкомен начал интересоваться проблемой водоотвода в шахтах, когда традиционные методы уже не справлялись с откачкой воды с большой глубины. Ньюкомен знал о существовании парового насоса Томаса Севери, запатентованного в 1698 году. В нем в отдельном котле кипятилась вода, открывая кран, пар впускали в насосный резервуар. От резервуара отходили две трубы: всасывающая шла в шахту, нагнетательная соединялась со сточным желобом. Когда в резервуар впускали пар, он выталкивал из него воду по нагнетательной трубе в сток.

Главным недостатком парового насоса Севери было то, что пар, встречаясь с водой из шахты в резервуаре, мгновенно конденсировался, и пока поверхностный слой не нагревался до температуры кипения, полезная работа не совершалась. Поэтому котел приходилось непрерывно топить, а на это уходило огромное количество топлива. Впрочем, главную изобретательскую находку Севери все же сделал: он показал, что для работы паровых машин необходим отдельный котел.

Теорию в практику

Ньюкомен решил усовершенствовать паровой насос Севери, используя идею французского физика и изобретателя Дени Папена о поршне в цилиндре, заполненном паром. В 1690 году, будучи профессором Марбургского университета, Папен изобрел машину, в которой вода нагревалась внутри вертикального цилиндра, а образовавшийся пар двигал вверх поршень. После этого цилиндр охлаждался водой, пар конденсировался, и в цилиндре возникал вакуум. Под действием атмосферного давления поршень опускался.

Увы, Дени Папен не смог извлечь дивидендов из своего изобретения из-за того, что Севери уже запатентовал свой паровой насос для откачки воды из шахт. Другого применения подобных машин на тот момент еще не придумали.

Ньюкомен объединил идеи Севери и Папена. С помощью Джона Кэлли, который был сантехником и многое знал о трубах, он создал свою первую рабочую машину в 1712 году. Она состояла из вертикального цилиндра с поршнем, соединенного с рычажной системой, которая в свою очередь была связана с насосом. Цилиндр был заполнен паром из котла, который вытеснял воздух и поднимал поршень вверх. Затем в цилиндр впрыскивалась холодная вода, которая конденсировала пар и создавала вакуум. Это позволяло атмосферному давлению опустить поршень вниз, при этом поднимая рычаг и опуская насос. Таким образом, двигатель работал на чередовании пара и вакуума, а не только на давлении пара, как в насосе Севери.

Томас Ньюкомен: откуда пошла паровая революция
Схема устройства машины Ньюкомена. Иллюстрация из книги Джон Теофила Дезагюлье «Курс экспериментальной философии» (1734 год)

Мощность машины Ньюкомена составляла около 8 лошадиных сил. Она могла поднимать воду с глубины 80 метров, это позволило вновь начать добычу в ранее затопленных шахтах. В то же время механизм оставался крайне прожорливым: в час он расходовал 25 килограммов угля на 1 лошадиную силу.

Предтеча эпохи пара

Паровая машина Ньюкомена была первым практическим устройством, которое использовало пар для производства механической работы. Она позволила осушать шахты на большие глубины, чем раньше, и тем самым обеспечила добычу угля, железа и других металлов, которые были необходимы для развития промышленности.

Ньюкомен столкнулся с той же проблемой, что и Папен: патент Севери не позволял запатентовать новое устройство. В отличие от француза, Томас договорился с соотечественником. Точно неизвестно, на каких условиях, известно только, что после 1715 года производство и обслуживание машин Ньюкомена велось через компанию «Владельцы изобретения по подъему воды при помощи огня». К 1733 году около 125 машин работали во всех важнейших добывающих регионах Британии и континентальной Европы.

Томас Ньюкомен: откуда пошла паровая революция
Мемориальная табличка в честь Джона О’Келли, построившего на этом месте в Жемеп-сюр-Мез, Бельгия, первую на континенте паровую машину Томаса Ньюкомена для перекачки воды в угольных шахтах. Фото: Википедия

Однако машина Ньюкомена имела низкий КПД и требовала большого количества топлива. Неравномерный ход не позволял использовать ее в промышленности, так что сфера применения машины ограничивалась откачкой воды из шахт.

В 1763 году инженеру из Университета Глазго Джеймсу Ватту поручили отремонтировать одну из машин Ньюкомена. Во время работы Ватту пришла в голову гениальная идея: если цилиндр машины держать все время нагретым, то расход топлива резко сократится. Осталось придумать, как в таком случае конденсировать пар, — но это уже совсем другая история.

Паровая машина Ньюкомена заслуживает признания как одно из самых значительных изобретений эпохи промышленной революции. Устройство стало важным этапом в развитии техники и промышленности: оно впервые продемонстрировало практическую возможность использования пара и вдохновило Джеймса Ватта на создание одного из самых выдающихся изобретений в истории человечества.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь