Паровой двигатель прогресса

В 2008 году исполняется 220 лет с тех далеких времен, когда в США, под изумленные взгляды простых обывателей был спущен на воду первый пароход, разработанный Джоном Фитчем. Он окончательно закрепил в мировой истории торжество эры промышленной революции, основным локомотивом которой стал паровой двигатель внешнего сгорания. Впрочем, в наши дни его актуальность вновь набирает обороты.

Первый блин не комом

Основное правило развития человечества гласит: большинство наиболее известных изобретений тесно связаны с усовершенствованиями технологий промышленности или иного бизнеса.  Без этого попытки привнести в мир что-то новое оставались на уровне кустарных экспериментов. Не стал исключением и паровой двигатель.

Еще в древней Греции и средневековом Египте мудрецы задумывались над тем, как можно механизировать тот или иной людской рутинный труд, в частности,  с помощью энергии пара. А, к примеру, арабский философ Таги-аль-Дин показывал фокус: вращал колесо, направляя поток пара на лопасти, закрепленные по его ободу. 

Однако долгое время подобные эксперименты никто серьезно не воспринимал. Даже в Европе. И дело не только в том, что деятельной мысли необходимо пробивать себе путь сквозь невежество властителей, авторитаризм церкви и общественную патриархальность, но и в том, что производительная сила труда не обрела регулярной промышленной основы.

Первую брешь в этом замкнутом круге в ХVII веке пробила, как известно, Англия. Его величество капитал оказался самым активным потребителем технических новшеств, которые позволяли ему уменьшить затраты на труд рабочих и одновременно увеличить эффективность производства. Экономическое и техническое новаторство объединились.

В 1712 году английский изобретатель Томас Ньюкомен сконструировал паровой двигатель, который приводил в действие насос, откачивающий воду из шахт. Двигатель состоял из поршня, находящегося в вакуумном цилиндре, и был привязан через коромысло к специальной тяге, которая приводила в движение шахтный насос. 

Через специальный клапан пар из котла  поступал в цилиндр и давил на поршень, двигая коромысло вверх. Выполнив свою работу, оно под собственным весом опускалось вниз, возвращая поршень в исходное положение. При этом из специального клапана рабочий цилиндр постоянно охлаждался водой, чтобы провести конденсацию (уменьшить давление) отработавшего свою миссию пара.  Далее  цикл повторялся заново. Таким образом возникало постоянное возвратно-поступательное движение.

Машину  Ньюкомена приняли на ура в горнодобывающей промышленности, заплатив новатору большие деньги. В целом владельцы английских шахт приобрели несколько тысяч паровых «пионеров».

Двигатель в движении

Человеческие желания и потребности, как известно, растут постоянно. Паровой двигатель требовалось применить не только в шахтах, но и в промышленном производстве, и транспорте. Но, как ни старался Ньюкомен, его изобретение могло работать только с насосами, не говоря уже о низком КПД (около 1%) и высоких теплозатратах, связанных с тем, что горячая вода, полученная в процессе конденсации, бесцельно сливалась на землю.

В 1769 году шотландский механик Джеймс Уатт запатентовал ряд серьезных технических дополнений к двигателю Ньюкомена, позволивших через пару десятков лет поставить техническую новинку на конвейер.

Во-первых, Уатт придумал процесс вытеснения использованного пара в отдельный конденсатор.  Специальная камера, размещенная в холодной ванне, превращала его в горячую воду, которая подавалась обратно в котел, уменьшая время на нагревание новой порции пара и  затраты угля.

Во-вторых, применил кривошипно-шатунный механизм для вращения маховика. То есть смог с помощью паровой машины обеспечить не только поступательное, но и вращательное движение. А это расширило диапазон применения двигателя — от паровых молотов на металлургических предприятиях до будущих локомобилей.

Наконец, Уатт спроектировал цилиндр двойного действия, в котором  пар начал подаваться на поршень сверху, а не только снизу. В чем выигрыш?  С одной стороны, большая плавность движений. С другой — поршень возвращается в исходное положение быстрее, чем при обычном атмосферном давлении.

Коммерческое применение машины Уатта стартовало на лондонском пивоваренном заводе Сэмюела Уитбреда в 1785 году. «Огнедышащее чудовище» спокойно размалывало солод  вместо 24 лошадей.  После столь удачного дебюта паровые машины начали устанавливать на многих промышленных предприятиях.

От расцвета до заката?

На протяжении всего ХІХ столетия серьезного конкурента паровым двигателям не было. Причем через четверть века именно «детище» Уатта потеряло свои лидирующие позиции на рынке. Экономический прогресс требовал новых технических решений. 

Действительно, двигатель с цилиндром двойного действия первоначально заполонил всю обрабатывающую промышленность. Однако для транспорта его использование оказалось малоэффективным — низкое давление пара (сказывается на скорости оборотов колеса или  гребного вала), громоздкость конструкций и главное — дороговизна.

Но это была основа. Именно ее создание повлекло за собой как развитие разных отраслей транспорта, так и появление плеяды молодых инженеров, желающих модернизировать механизм «старика Уатта». 

Так, в 1788 году американец Джон Фитч спроектировал первый в истории пароход, поставив на него двигатель Уатта.  Корабль курсировал со скоростью 7—8 миль в час по реке Делавер. Правда, бизнес Фитча вскоре прогорел — потенциальные  пассажиры предпочитали передвигаться в дилижансах по проходящей рядом дороге. Быстрее, знаете ли.

Другому американскому пароходному первопроходцу Роберту Фултону повезло больше. Его пароход «Клермонт» (спущен на воду в 1807 году), оснащенный двигателями  все того же Уатта, пользовался большей популярностью.

Однако на повестке дня стоял вопрос увеличения мощности «движка». В результате  в начале XIX века появились паровые двигатели высокого давления. Новая разработка позволила в несколько раз уменьшить «уаттовские» размеры.

Первопроходцем в этой отрасли считается американский изобретатель Оливер Эванс (запатентовал изобретение в 1797 г.) Кстати, именно его двигатели вскоре начал ставить на свои пароходы Фултон. Правда, на первых порах новшество приводило к многочисленным авариям, поскольку котлы или цилиндры двигателя не выдерживали давления.

А вот британский конкурент Эванса Ричард Тревитник не только создал двигатель высокого давления, но и сконструировал первый в мире паровоз (в 1804 году). Впрочем,  предназначенная для перевозки угля несовершенная  конструкция из-за своей тяжести с места не сдвинулась.  Но уже в 1829 году паровоз «Ракета», сделанный другим  англичанином Джорджем Стефенсоном, положил начало пассажирскому железнодорожному движению.  Что, естественно, повлекло за собой массовое строительство железных дорог в Европе и Америке.

К середине столетия паровой двигатель использовался во всех отраслях — от металлургии до транспорта. Но инженерная мысль уже двигалась к очередным инновациям. В XX веке пальма первенства начала плавно переходить к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Во-первых, они работали на бензине или керосине, а не водяном пару. Это гарантировало рост КПД (около 25%) и значительно меньший расход топлива. Во-вторых, выигрывали за счет свой компактности, поскольку нагревание происходило внутри двигателя, и не требовалось устанавливать внешние устройства — котлы или конденсаторы. Первый самолет братьев Райт и автомобили, ознаменовавшие собой приход XX века, работали уже на ДВС. К концу прошлого столетия паровой двигатель в виде мощных турбин использовался, по большому счету, лишь в одной энергетике (ТЭЦ, АЭС).

Второе дыхание

Совсем недавно казалось, что двигатели внешнего сгорания (бывшие паровые) — навсегда — пройденная история.  Однако сейчас, когда цена на нефть перевалила за $120 и весь мир озабочен глобальным потеплением из-за выбросов отходов сгорания моторных топлив, возникла потребность в альтернативе  ДВС. И одна из них — тепловые двигатели Стирлинга.

Разработанные еще в XIX веке шотландцем Робертом Стирлингом, эти устройства работают несколько по другой схеме, чем обычные паровые механизмы. В них поршень выполняет полезную работу под давлением рабочего тела (воздуха, газа), расширяющегося из-за нагревания закрытого цилиндра. По мере движения поршня рабочее тело отдает тепло в специальный теплообменник, который его частично возвращает на обратном пути. То есть для повторного расширения газа (и движения поршня) требуется заново немного подогреть цилиндр. Налицо уменьшение энергетических затрат.

Основным преимуществом двигателя Стирлинга, в отличие от того же дизеля, является его «топливная всеядность». Конечно, на обогрев цилиндра с поршнем можно использовать традиционные средства — газ, бензин, уголь. Но можно и  биогаз, и солнечное тепло или обычную древесину. В условиях истощения мировых запасов традиционных энергоносителей это возможная перспектива. При правильно выполненной конструкции КПД двигателя практически равен по эффективности ДВС.

В Европе двигатели Стирлинга находят все большее применение. В большинстве своем — в энергетике (в автомобилестроении пока проигрывают из-за своих габаритов).  Так, в Германии на основе теплового двигателя  создают малые теплоэнергетические установки, в которых топливом служит биогаз.  КПД — около 95%. Тем самым в частных домах решают сразу две задачи — обеспечивают дешевым электричеством и теплоснабжением. Купить «стирлинг» удовольствие пока не из дешевых, ибо производство не поставлено на конвейер. Хотя европейские высокопоставленные чиновники высокого ранга уже задумываются над этим.

Украине, не понаслышке ощущающей подорожание энергоресурсов, также следует задуматься об использовании двигателей внешнего сгорания, работающих на дровах или биоотходах.  А еще лучше — на солнечной энергии. Ведь из года в год стоимость газа и нефти будет только расти. И все равно придется искать выход из ситуации. Лучше раньше, чем позже.