1712年纽科门蒸汽机的成功发明过程

1712年纽科门蒸汽机的成功发明过程

蒸汽作为动力古来已有之。 古希腊的希罗就曾利用蒸汽的反冲力做过一个玩具,但是蒸汽真正有生产价值的应用还是在近代。 随着工业革命的深入,人力、畜力等传统劳动方式已经远远不能满足工业需要,据说当时英国有些深度矿井的提水泵需要500匹马力才能开动,发明更为强大的动力机械已经迫在眉睫。

17世纪上半叶,法国工程师帕潘在使用蒸汽动力技术方面迈出了一大步。 帕潘早年学医,但是他对实验物理学有着浓厚的兴趣,曾经协助惠更斯和玻意耳做过不少大气压力和真空的实验,并跟随玻意耳系统学习了气体的热力学知识。 那时候,大气压力和真空的概念已经广为人知,但是应用于实际生产还不多见。 帕潘小试牛刀,研制出了一种“蒸煮器”(其实就是现在的高压锅),并用蒸煮器给英国国王查理二世做了一道味道极其鲜美的菜肴。 因为发明了蒸煮器,帕潘还当选为英国皇家学会会员。

随后,帕潘在蒸煮器的基础上,研制成功世界上第一台带活塞的蒸汽机。 这是一台单缸活塞式蒸汽机,汽缸底部放有少量的水,加热汽缸时产生的蒸汽推动活塞至汽缸顶端,再将热源撤除,汽缸里的蒸汽冷凝,压强减小,于是活塞在大气压力的作用下下落。 这个过程就可以产生动力。

1698年,英国工程师萨弗里制造了第一台用蒸汽作为动力的矿用抽水机。 高压蒸汽喷入一个金属容器中,然后用冷水冷却蒸汽,使金属容器产生真空,将矿井里的水抽出来。 萨弗里抽水机除了阀门之外,没有其他可运动的部件。

1712年,英国人纽科门改进了之前的蒸汽机制成了纽科门蒸汽机。 纽科门蒸汽机有一个垂直的汽缸和运动的活塞,活塞与杠杆的一端相连,带动杠杆另一端的机械往复运动,从而形成一个动力装置。 纽科门蒸汽机和萨弗里抽水机一样,都是使用喷水的方法冷却汽缸,这种方法浪费了大量的热能,热效率非常低。 这使得人们又开始寻求新的改良蒸汽机。

现代蒸汽机的原型是由英国著名的发明家和机械工程师瓦特在18世纪中叶研制而成的。

瓦特的父亲是熟练的造船工人,在父亲的影响下,瓦特对机械产生了浓厚的兴趣。 1757年,瓦特在格拉斯哥大学开设了一间小修理店,专门修理教学仪器。 有一次,瓦特受命修理一台纽科门蒸汽机。 他仔细研究了机器的结构后发现,纽科门蒸汽机在每一个运行周期中,都需要对汽缸用冷水降温以降低汽缸内气体的压强,然后又要加热已经冷却的汽缸以推动活塞,在冷却和加热过程中浪费了大量的能量。 怎样才能有效地提高蒸汽机的热效率呢?经过仔细的思考,瓦特终于在1765年想出了一个创造性的解决方案。 他设计了一个用于排气的容器,并将其与汽缸相连,使蒸汽猛然冲入容器里,就可以在不冷却汽缸的情况下,冷凝蒸汽。 瓦特在冷凝器和汽缸之间设计了一个阀门。 当高温蒸汽注入汽缸时,阀门关闭。 活塞对外做功后,阀门又被打开,将蒸汽引入冷凝器冷却,从而在冷凝器和汽缸内形成真空。 随后又开始一个新的循环。 1769年,瓦特造出了第一台改良后的蒸汽机,并获得了冷凝器的发明专利。

瓦特在汽缸外加冷凝器的方式,使得蒸汽机的效率成倍提高。 1782年,瓦特进一步改进汽缸结构,使蒸汽从汽缸的两头分别进入汽缸,制成双冲程的蒸汽机。 1784年,为了便于速度变换,他把活塞的杠杆传动改为曲轴和齿轮传动,从而制成了能够连续转动的双动通用蒸汽机。 到了1790年,瓦特蒸汽机几乎已经全部取代了老式的纽科门蒸汽机。 瓦特蒸汽机的广泛应用使得工业革命进入了新的高潮。 蒸汽机改变整个世界的时代正式到来了。

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