Пар и промышленная революция: от Ньюкомена до Уатта.

Введение

Паровая энергия во время промышленной революции

Усовершенствования паровой машины стали одними из важнейших технологий промышленной революции, хотя пар не заменил водяную энергию по значимости в Великобритании до окончания промышленной революции. Начиная с атмосферной машины англичанина Томаса Ньюкомена, созданной в 1712 году, и благодаря значительным разработкам шотландского изобретателя и инженера-механика Джеймса Уатта, паровые двигатели начали использоваться во многих промышленных сферах, а не только в горнодобывающей промышленности, где первые двигатели применялись для откачки воды из глубоких шахт. Ранние мельницы успешно работали на водяной энергии, но с использованием паровой машины фабрику можно было размещать где угодно, а не только вблизи источника воды. Водоснабжение зависело от времени года и не всегда было доступно. В 1776 году Уатт основал партнерство по производству двигателей и инженерное предприятие с производителем Мэтью Болтоном. Партнерство Boulton & Watt стало одним из самых важных предприятий промышленной революции и служило своего рода центром творческой технической мысли для значительной части британской экономики. Партнеры решали технические задачи и распространяли решения среди других компаний. Подобные фирмы делали то же самое в других отраслях, особенно в станкостроении. Эти взаимодействия между компаниями были важны, поскольку они сокращали время и затраты на исследования, которые каждому предприятию приходилось тратить на собственные разработки. Технологический прогресс промышленной революции ускорился благодаря тому, что фирмы часто обменивались информацией, которую затем использовали для создания новых технологий или продуктов. Разработка стационарного парового двигателя была очень важным ранним этапом промышленной революции. Однако следует помнить, что на протяжении большей части периода промышленной революции большинство отраслей по-прежнему зависело от энергии ветра и воды, а также от мускульной силы лошадей и людей для привода небольших машин.

Паровой насос Томаса Сэвери

Промышленное использование паровой энергии началось с Томаса Савери в 1698 году. Он сконструировал и запатентовал в Лондоне первый двигатель, который он назвал «Другом горняка», поскольку планировал использовать его для откачки воды из шахт. Ранние версии использовали медный котёл, спаянный, который легко взрывался при низком давлении пара. Поздние версии с железным котлом могли поднимать воду примерно на 46 метров (150 футов). Двигатель Савери не имел движущихся частей, за исключением ручных клапанов. Пар, поступавший в цилиндр, сначала конденсировался внешним распылением холодной воды, создавая частичный вакуум, который поднимал воду по трубе с нижнего уровня; затем клапаны открывались и закрывались, и новая порция пара подавалась непосредственно на поверхность воды, находящейся в цилиндре, выталкивая её вверх по выходному трубопроводу, который выпускал воду на более высокий уровень. Двигатель использовался как насос для подъема воды на небольшую высоту в нескольких шахтах и на многих водопроводах, но не был успешным из-за ограниченной высоты подъема и склонности к взрывам котлов.

Паровая машина Томаса Ньюкомена

Первый практический механический паровой двигатель был представлен Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Ньюкомен, по-видимому, разработал свою машину независимо от Сэвери, но поскольку последний запатентовал широкое применение, Ньюкомен и его коллеги были вынуждены заключить с ним соглашение, продавая двигатель до 1733 года по совместному патенту. Двигатель Ньюкомена, по всей видимости, был основан на экспериментах Папина, проведенных 30 лет ранее, и использовал поршень и цилиндр, один конец которого был открыт в атмосферу над поршнем. Пар, немного превышающий атмосферное давление (максимальное, которое мог выдержать котел), подавался в нижнюю половину цилиндра под поршнем во время хода вверх, вызванного силой тяжести; затем пар конденсировался струей холодной воды, впрыскиваемой в пространство, занимаемое паром, для создания частичного вакуума; разница давлений между атмосферой и вакуумом по обе стороны поршня перемещала его вниз в цилиндр, поднимая противоположный конец качающегося рычага, к которому была прикреплена группа возвратно-поступательных насосов, приводимых в действие силой тяжести и размещенных в шахте. Движение поршня вниз поднимало насос, подготавливая его к рабочему ходу. Первоначально фазами управления осуществлялись вручную, но в течение десяти лет был разработан автоматический механизм, приводимый в действие вертикальным золотниковым устройством, подвешенным к качающемуся рычагу, что делало двигатель самодействующим. Ряд двигателей Ньюкомена успешно использовались в Великобритании для откачки воды из глубоких, ранее неработоспособных шахт, при этом двигатель располагался на поверхности; это были большие машины, требующие значительных капиталовложений для строительства, и производившие около 5 лошадиных сил. По современным меркам они были крайне неэффективны, но, располагаясь вблизи угольных шахт с дешевым углем, способствовали значительному расширению угольной промышленности, позволяя разрабатывать более глубокие шахты. Несмотря на свои недостатки, двигатели Ньюкомена были надежными и простыми в обслуживании и продолжали использоваться в угольных районах до начала XIX века. К 1729 году, когда умер Ньюкомен, его двигатели распространились во Франции, Германии, Австрии, Венгрии и Швеции. К 1733 году, когда истек срок действия совместного патента, было построено в общей сложности 110 машин, из которых 14 – за границей. В 1770-х годах инженер Джон Смитон построил несколько очень крупных экземпляров и внедрил ряд усовершенствований. К 1800 году было построено в общей сложности 1454 двигателя.

The first practical mechanical steam engine was introduced by Thomas Newcomen in 1712. Newcomen apparently conceived his machine independently of Savery, but as the latter had taken out a wide ranging patent, Newcomen and his associates were obliged to come to an arrangement with him, marketing the engine until 1733 under a joint patent. Newcomen's engine appears to have been based on Papin's experiments carried out 30 years earlier, and employed a piston and cylinder, one end of which was open to the atmosphere above the piston. Steam just above atmospheric pressure (all that the boiler could stand) was introduced into the lower half of the cylinder beneath the piston during the gravity induced upstroke; the steam was then condensed by a jet of cold water injected into the steam space to produce a partial vacuum; the pressure differential between the atmosphere and the vacuum on either side of the piston displaced it downwards into the cylinder, raising the opposite end of a rocking beam to which was attached a gang of gravity actuated reciprocating force pumps housed in the mineshaft. The engine's downward power stroke raised the pump, priming it and preparing the pumping stroke. At first the phases were controlled by hand, but within ten years an escapement mechanism had been devised worked by of a vertical plug tree suspended from the rocking beam which rendered the engine self acting. A number of Newcomen engines were successfully put to use in Britain for draining hitherto unworkable deep mines, with the engine on the surface; these were large machines, requiring a lot of capital to build, and produced about 5 hp. They were extremely inefficient by modern standards, but when located where coal was cheap at pit heads, opened up a great expansion in coal mining by allowing mines to go deeper. Despite their disadvantages, Newcomen engines were reliable and easy to maintain and continued to be used in the coalfields until the early decades of the nineteenth century. By 1729, when Newcomen died, his engines had spread to France, Germany, Austria, Hungary and Sweden. A total of 110 are known to have been built by 1733 when the joint patent expired, of which 14 were abroad. In the 1770s, the engineer John Smeaton built some very large examples and introduced a number of improvements. A total of 1,454 engines had been built by 1800.

Паровые двигатели Джеймса Уатта

Фундаментальные изменения в принципах работы были осуществлены Джеймсом Уаттом. В тесном сотрудничестве с Мэтью Болтоном к 1778 году ему удалось усовершенствовать свой паровой двигатель, который включал в себя ряд радикальных улучшений; в частности, использование паровой рубашки вокруг цилиндра для поддержания его температуры на уровне температуры пара и, что наиболее важно, отдельную от поршневой камеры камеру парового конденсатора. Эти улучшения повысили эффективность двигателя примерно в пять раз, что позволило сэкономить 75% затрат на уголь. Двигатель Ньюкомена в то время было сложно адаптировать для привода вращающегося колеса, хотя Уосборо и Пикарду удалось это сделать примерно в 1780 году. Однако к 1783 году более экономичный паровой двигатель Уатта был полностью разработан в двухтактный ротационный тип с центробежным регулятором, параллельным механизмом и маховиком, что позволяло использовать его для непосредственного привода вращательного оборудования фабрики или мельницы. Оба основных типа двигателей Уатта имели большой коммерческий успех. К 1800 году фирма Boulton & Watt построила 496 двигателей, из которых 164 приводили в действие возвратно-поступательные насосы, 24 обслуживали доменные печи и 308 – мельничное оборудование; большинство двигателей вырабатывало от 5 до 10 л.с. Оценка общей мощности, которую могли произвести все эти двигатели, составляла около 11 200 л.с. Это была лишь доля общей мощности, вырабатываемой в Британии водяными колесами (120 000 л.с.) и ветряными мельницами (15 000 л.с.); однако мощность воды и ветра подвергалась сезонным колебаниям. Двигатели Ньюкомена и другие паровые двигатели, созданные в то же время, вырабатывали около 24 000 л.с.

Развитие после Ватта

Развитие станков, таких как токарные, планёровочные и формовочные станки, приводимые в действие этими двигателями, позволило легко и точно обрабатывать все металлические детали двигателей, что, в свою очередь, сделало возможным создание более крупных и мощных машин. В начале XIX века, после истечения срока действия патента Бультона и Уатта в 1800 году, паровой двигатель значительно увеличил свою мощность благодаря использованию пара высокого давления, которого Уатт всегда избегал из-за опасности взрыва котлов, находившихся в очень примитивном состоянии. До 1800 года наиболее распространенным типом паровой машины был консольный двигатель, который строился как неотъемлемая часть каменного или кирпичного машинного отделения, но вскоре были разработаны различные типы самодостаточных переносных двигателей (легко снимаемых, но не на колесах), такие как настольный двигатель. Дальнейшее уменьшение размеров, благодаря использованию пара высокого давления, произошло в конце XVIII века, когда инженер из Корнуолла Ричард Тревитик и американский инженер Оливер Эванс независимо начали строить двигатели высокого давления (около 100 фунтов на квадратный дюйм), выпускавшие отработанный пар в атмосферу, хотя Артур Вольф, работавший на пивоварне Meux в Лондоне, уже экспериментировал с паром высокого давления в своих попытках экономии угля. Это позволило объединить двигатель и котел в единый компактный и легкий агрегат, пригодный для использования в мобильных дорожных и железнодорожных локомотивах и пароходах. Этот стационарный паровой двигатель, названный в честь своего изобретателя Джорджа Генри Корлисса, был представлен миру в 1849 году. Двигатель обладал рядом ценных характеристик, включая топливную экономичность (снижение стоимости топлива на треть и более), низкие затраты на обслуживание, на 30% более высокую производительность, высокую тепловую эффективность и способность работать при легкой, тяжелой или переменной нагрузке, поддерживая при этом высокую скорость и постоянные обороты. Хотя двигатель был основан на существующих паровых двигателях, сохраняя простую конструкцию с поршнем и маховиком, большинство этих особенностей были достигнуты благодаря уникальным клапанам и клапанному механизму двигателя. В отличие от большинства двигателей того времени, которые использовали в основном золотниковые механизмы, Корлисс создал собственную систему, использующую кулачковую пластину для управления рядом клапанов. Каждый цилиндр был оснащен четырьмя клапанами – впускными и выпускными – на обоих концах цилиндра. > Благодаря точно настроенной последовательности открытия и закрытия этих клапанов, пар подавался и выпускался с определенной скоростью, обеспечивая линейное движение поршня. Это обеспечило наиболее заметную особенность двигателя – автоматический механизм отсечки с переменным моментом. Этот механизм позволял двигателю поддерживать заданную скорость при изменяющейся нагрузке, не теряя эффективности, не останавливаясь и не повреждаясь. Используя серию кулачковых шестерен, которые могли регулировать фазы газораспределения (фактически действуя как дроссель), регулировалась скорость и мощность двигателя. Это оказалось чрезвычайно полезным для большинства областей применения двигателя. В текстильной промышленности это позволило увеличить скорость производства и снизить вероятность обрыва нити. В металлургии экстремальные и резкие колебания нагрузки, возникающие на прокатных станах, также компенсировались этой технологией. Эти примеры демонстрируют, что двигатель Корлисса позволил значительно повысить производительность, предотвращая дорогостоящие повреждения оборудования и материалов. Его называли «самым совершенным регулированием скорости». Корлисс вел подробный учет производства, суммарной мощности и продаж своих двигателей до истечения срока действия патента. Средняя мощность всех двигателей Корлисса в 1870 году составляла 100 лошадиных сил, в то время как средняя мощность всех паровых двигателей (включая двигатели Корлисса) составляла 30 лошадиных сил. Некоторые очень большие двигатели позволяли использовать мощность до 1400 лошадиных сил. Многие были убеждены в преимуществах двигателя Корлисса, но его внедрение было медленным из-за патентной защиты. Когда Корлиссу отказали в продлении патента в 1870 году, он стал распространенной моделью для стационарных двигателей в промышленности.

The development of machine tools, such as the lathe, planing and shaping machines powered by these engines, enabled all the metal parts of the engines to be easily and accurately cut and in turn made it possible to build larger and more powerful engines. In the early 19th century, after the expiration of the Boulton & Watt patent in 1800, the steam engine underwent great increases in power due to the use of higher pressure steam, which Watt had always avoided because of the danger of exploding boilers, which were in a very primitive state of development. Until about 1800, the most common pattern of steam engine was the beam engine, built as an integral part of a stone or brick engine house, but soon various patterns of self contained portative engines (readily removable, but not on wheels) were developed, such as the table engine. Further decrease in size due to use of higher pressure came towards the end of the 18th century when Cornish engineer Richard Trevithick, and American engineer Oliver Evans, independently began to construct higher pressure (about ) engines that exhausted into the atmosphere, although Arthur Wolf working at the Meux Brewery in London was already experimenting with higher pressure steam in his efforts to save coal. This allowed an engine and boiler to be combined into a single unit compact and light enough to be used on mobile road and rail locomotives and steam boats. Named after its inventor, George Henry Corliss, this stationary steam engine was introduced to the world in 1849. The engine boasted a number of desired features, including fuel efficiency (lowering cost of fuel by a third or more), low maintenance costs, 30% higher rate of power production, high thermal efficiency, and the ability to operate under light, heavy, or varying loads while maintaining high velocity and constant speed. While the engine was loosely based on existing steam engines, keeping the simple piston flywheel design, the majority of these features were brought about by the engine's unique valves and valve gears. Unlike most engines employed during the era that used mainly slide valve gears, Corliss created his own system that used a wrist plate to control a number of different valves. Each cylinder was equipped with four valves, with exhaust and inlet valves at both ends of the cylinder. > Through a precisely tuned series of events opening and closing these valves, steam is admitted and released at a precise rate, allowing for linear piston motion. This provided the engine's most notable feature, the automatic variable cut off mechanism. This mechanism is what allowed the engine to maintain a set speed in response to varying loads without losing efficiency, stalling, or being damaged. Using a series of cam gears, which could adjust valve timing (essentially acting as a throttle), the engine's speed and horsepower was adjusted. This proved extremely useful for most of the engine's applications. In the textile industry, it allowed for production at much higher speeds while lowering the likelihood that threads would break. In metallurgy, the extreme and abrupt variations of load experienced in rolling mills were also countered by the technology. These examples demonstrate that the Corliss engine was able to lead to much higher rates of production, while preventing costly damages to machinery and materials. It was referred to as “the most perfect regulation of speed.”

Corliss kept a detailed record of the production, collective horsepower, and sales of his engines up until the patent expired. The mean horsepower for all Corliss engines in 1870 was 100, while the mean for all steam engines (including Corliss engines) was 30. Some very large engines even allowed for applications as large as 1,400 horsepower. Many were convinced of the Corliss engine's benefits, but adoption was slow due to patent protection. When Corliss was denied a patent extension in 1870, it became a prevalent model for stationary engines in the industrial sector.

Мощность доменной печи

В середине 1750-х годов паровой двигатель стали применять в железоделательной, медеплавильной и свинцовой промышленности, где использование водяной энергии было ограничено, для привода меха́. Эти предприятия располагались вблизи рудников, на некоторых из которых уже использовались паровые двигатели для откачки воды. Паровые двигатели оказались слишком мощными для кожаных мехов, поэтому в 1768 году были разработаны чугунные цилиндры для подачи воздуха в доменную печь. Доменные печи, приводимые в действие паровыми двигателями, достигали более высоких температур, что позволяло использовать больше извести в шихте. (При прежних температурах шлак, богатый известью, был недостаточно текучим.) При достаточном содержании извести сера из угольного или коксового топлива вступает в реакцию со шлаком, предотвращая загрязнение железа серой. Уголь и кокс были более дешевым и доступным топливом. В результате, в последние десятилетия XVIII века производство железа значительно увеличилось.

Переход от воды к паровой энергии

Водная энергия, предшествовавший мировой энергетике, продолжала оставаться важным источником энергии даже в период расцвета популярности паровых двигателей. Однако паровой двигатель предоставил множество преимуществ, недостижимых при использовании исключительно водной энергии, что позволило ему быстро стать доминирующим источником энергии в промышленно развитых странах (возросла с 5% до 80% от общей мощности в США с 1838 по 1860 год). В то время как многие считают, что главным преимуществом был потенциал увеличения вырабатываемой мощности (средняя мощность паровых мельниц в четыре раза превышала мощность водяных мельниц), другие отдают предпочтение потенциалу агломерации. Паровые двигатели облегчили организацию производства, выпуск продукции, сбыт, специализацию, успешное расширение на запад без оглядки на недостаток водных путей, и жизнь в общинах, не ограниченных географической близостью к рекам и ручьям. Города и поселки теперь строились вокруг фабрик, где паровые двигатели служили основой для благосостояния многих жителей. Способствуя концентрации населения, создавались местные рынки, часто добивавшиеся значительного успеха, города быстро росли и в конечном итоге урбанизировались, улучшалось качество жизни благодаря развитию инфраструктуры, стало возможным производство более качественных товаров из-за упрощения и удешевления приобретения материалов, прямая местная конкуренция привела к большей специализации, а рабочая сила и капитал были в изобилии. В некоторых округах, где использовались паровые установки, наблюдался даже рост населения. Эти города, работающие на паровой энергии, стимулировали рост как на местном, так и на национальном уровне, что еще больше подтверждало экономическую значимость парового двигателя.

Пароход

Этот период экономического роста, ознаменованный введением и распространением парохода, был одним из величайших в истории Соединенных Штатов. Роберт Фултон, Роберт Ливингстон и Генри Шрив внесли значительный вклад в знакомство американской публики с пароходом. Около 1815 года пароходы стали заменять баржи и плоскодонные лодки в транспортировке грузов по Соединенным Штатам. До появления пароходов реки обычно использовались для перевозки грузов с востока на запад и с севера на юг, поскольку движение против течения было очень трудным и часто невозможным. Несамоходные лодки и плоты собирали вверх по течению, перевозили груз вниз и часто разбирали по прибытии; из остатков строили дома и коммерческие здания. С появлением парохода в Соединенных Штатах наблюдался невероятный рост в перевозке товаров и людей, что стало ключевым фактором для экспансии на запад. До парохода путешествие из Нового Орлеана в Луисвилль могло занимать от трех до четырех месяцев, в среднем около двадцати миль в день. Вместе с пароходом возникла потребность в улучшении речной системы. Существующая речная система имела особенности, которые были несовместимы с судоходством на пароходах или доступны только в определенные месяцы, когда уровень воды был выше. Среди препятствий были пороги, отмели, мелководье и водопады. Для преодоления этих естественных препятствий была построена сеть каналов, шлюзов и плотин. Возросший спрос на рабочую силу стимулировал значительный рост занятости вдоль рек. Экономические выгоды от парохода простирались далеко за пределы строительства самих судов и перевозимых ими грузов. Эти суда напрямую способствовали росту угольной и страховой отраслей, а также создали спрос на ремонтные мастерские вдоль рек. Кроме того, общий спрос на товары увеличился, поскольку пароход сделал транспортировку в новые пункты назначения широкой и эффективной.

This period of economic growth, which was ushered in by the introduction and adoption of the steamboat, was one of the greatest ever experienced in the United States. Robert Fulton, Robert Livingston and Henry Shreve were all big contributors to the introduction of the steamboat to the American public. Around 1815, steamboats began to replace barges and flatboats in the transport of goods around the United States. Prior to the steamboat, rivers were generally only used in transporting goods from east to west, and from north to south as fighting the current was very difficult and often impossible. Non powered boats and rafts were assembled up stream, would carry their cargo down stream, and would often be disassembled at the end of their journey; with their remains being used to construct homes and commercial buildings. Following the advent of the steamboat, the United States saw an incredible growth in the transportation of goods and people, which was key in westward expansion. Prior to the steamboat, it could take between three and four months to make the passage from New Orleans to Louisville, averaging twenty miles a day. With the steamboat came the need for an improved river system. The natural river system had features that either wasn't compatible with steamboat travel or was only available during certain months when rivers were higher. Some obstacles included rapids, sand bars, shallow waters and waterfalls. To overcome these natural obstacles, a network of canals, locks and dams were constructed. This increased demand for labor spurred tremendous job growth along the rivers. The economic benefits of the steamboat extended far beyond the construction of the ships themselves, and the goods they transported. These ships led directly to growth in the coal and insurance industries, along with creating demand for repair facilities along the rivers. Additionally the demand for goods in general increased as the steamboat made transport to new destinations both wide reaching and efficient.

Пароход и водный транспорт

После изобретения парохода и успешных испытаний он был быстро принят и повлек за собой ещё более стремительные изменения в сфере водного транспорта. В 1814 году в Новом Орлеане было зафиксировано 21 прибытие пароходов, но в течение последующих 20 лет это число взлетело до более чем 1200. Роль парохода как основного средства передвижения была закреплена. Транспортный сектор пережил огромный рост после применения парового двигателя, что привело к значительным инновациям в области каналов, пароходов и железных дорог. Система пароходного и канального судоходства произвела революцию в торговле Соединенных Штатов. С ростом популярности пароходов возрос энтузиазм в отношении строительства каналов. В 1816 году в США насчитывалось всего 100 миль каналов. Однако это необходимо было изменить, поскольку потенциальное увеличение объёма торговли между востоком и западом убедило многих в том, что каналы являются жизненно важным звеном между речными системами Миссисипи и Огайо и Великими озёрами.

Железная дорога

Использование паровых двигателей на железных дорогах оказалось выдающимся тем, что теперь стало возможным доставлять большие объемы товаров и сырья как в города, так и на фабрики. Поезда могли доставлять их в отдаленные места за значительно меньшую стоимость, чем при перевозке гужевым транспортом. Железнодорожные пути, которые уже применялись в шахтах и других отраслях, стали основным средством транспортировки после изобретения первого локомотива.