谁发明了蒸汽机?
大约1679年,法国物理学家丹尼斯·帕彭(Dennis Papen)在观察到蒸汽从他的高压锅中逸出后,制作了第一台蒸汽机的工作模型。大约在同时,塞缪尔·莫兰也提出了蒸汽机的想法。
1698年的托马斯·塞维利亚、1712年的托马斯·纽科门和1769年的詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机,他们都为蒸汽机的发展做出了自己的贡献。1807年,罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机驱动轮船。运用科学理论,瓦特逐渐发现了这台蒸汽机的毛病。从1765年到1790年,他做了一系列发明,如分离式冷凝器、汽缸外保温层、用油润滑活塞、行星齿轮、平行连杆机构、离心调速器、节流阀、压力表等。,使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的三倍以上,最终发明了现代蒸汽机。
16年底到17年底,英国采矿业尤其是煤矿已经发展到相当规模,仅靠人力和畜力难以满足抽干地下水的要求,而现场又有丰富廉价的煤炭作为燃料。现实的需要,促使英国的帕潘、萨弗里、纽科门等许多人投身于“火力提水”的探索和实验。
最初的真空蒸汽机是用来从矿井中抽水的。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入汽缸,然后关闭阀门,再将冷水注入汽缸,蒸汽凝结时造成真空。活塞另一侧的空气压力推动活塞。把一根杆子深深地插进矿井里来驱动水泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传递给泵的活塞,把水从井里抽出来。
第一个很大的改进是通过阀门把汽缸和冷凝缸分开。瓦特在伯明翰发明了这项改进。这项改进提高了蒸汽机的效率。下一个改进是自动操作阀门。
这些早期的真空蒸汽机效率有限,但相对安全,因为它们的压力相对较低,机器向内收缩而不是向外爆炸,以防材料损坏。它们的效率受到外部空气压力、气缸变形、燃烧和沸腾效率以及冷凝能力的限制。理论上的最大效率受限于水在普通大气压下相对较低的沸腾温度。高温高压蒸汽的使用大大提高了蒸汽机的效率。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多严重事故。安全阀在这里带来了很大的提升,压力过高时安全阀放气减压。但是安全的真正保证仅仅依赖于建造、操作和维护的经验和安全规则。
萨弗里制造的世界上第一台实用的蒸汽水泵于1698年获得名为“矿工之友”的英国专利。他先在一个蛋形容器中充入蒸汽,然后关闭蒸汽进气阀,向容器外喷射冷水,使容器内的蒸汽凝结形成真空。打开进水阀,矿井底部的水在大气压力的作用下通过进水管被吸入容器内;关闭进水阀,重新打开进汽阀,利用蒸汽压力将容器内的水通过排水阀压出。当容器内的水排干并充满蒸汽时,关闭蒸汽进口阀和排水阀,再次喷水使蒸汽凝结。如此反复循环,两个蛋形容器交替工作,可以不断排水。
萨弗里的水泵依靠真空吸力抽水,抽水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井中抽水,需要在矿井深处安装水泵,利用高蒸汽压力将水抽到地面,这在当时无疑是困难和危险的。
纽科门和他的助手卡利在1705年发明了大气蒸汽机来驱动独立水泵,被称为纽科门大气蒸汽机。这种蒸汽机首先在英国普及,然后在欧洲大陆推广,直到19世纪初仍在制造其改型产品。纽科门大气蒸汽机的热效率很低,这主要是由于蒸汽进入气缸后,凝结在刚被水冷却的气缸壁上,损失了大量的热量。只在煤价低的产煤区推广。
1764年,英国仪器修理工詹姆斯·瓦特在为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时注意到了这一缺点,并在1765年发明了冷凝器与缸壁分离的蒸汽机,并在1769年获得了英国专利。在早期,瓦特的蒸汽机仍然使用平衡杆和拉杆机构来驱动水泵。为了清除冷凝器中的冷凝物和空气,瓦特安装了一个空气泵。他还在汽缸外壁安装了夹层,并用蒸汽加热汽缸壁,以减少冷凝损失。
瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速发展。他把只能提水的机械变成了可以广泛使用的蒸汽机,蒸汽机的热效率提高了一倍,大大降低了煤耗。因此,瓦特是蒸汽机的改革家。
18世纪后期以来,蒸汽机不仅广泛应用于采矿,还广泛应用于冶炼、纺织、机械制造等行业。它使英国的纺织品产量在20多年间增加了5倍(从1766增加到1789),为市场提供了大量的消费品,加速了资金的积累,对运输业提出了迫切的要求。比利糟透了
在船舶上使用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年,经过不断改进,美国富尔顿制造了第一艘实用的开轮推进蒸汽机船“克莱蒙特”号。从那以后,蒸汽机在船上用作推进动力已经有一百多年了。
1800年,英国的特里维西克设计了一台高压蒸汽机,可以安装在更大的车体上。1803年,他用它推动在环形轨道上运行的机车,找喜欢新奇的人骑,给他们充电。这是火车头的原型。英国的斯蒂芬·孙不断改进机车,于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车。机车以46公里/小时的速度牵引着一节载有30名乘客的车厢,引起了各国的关注,开创了铁路时代。
19年底,随着电力应用的兴起,蒸汽机一度作为电站的主要动力机械。1900年,美国纽约有一个单机功率五兆瓦的蒸汽机电站。
蒸汽机的发展在20世纪初达到顶峰。它具有恒转矩、变速、可逆、运行可靠、制造维修方便等优点,因此被广泛应用于电站、工厂、机车、船舶等各个领域,特别是在军舰上,成为当时唯一的原动机。