|
《全球通史》作者L.S.斯塔夫里阿諾斯說(shuō)，“蒸汽機(jī)的歷史意義，無(wú)論怎樣夸大也不為過(guò)。”蒸汽機(jī)的出現(xiàn)使人類(lèi)從依靠人力、畜力等原始動(dòng)力中解脫了出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器大生產(chǎn)，帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入蒸汽時(shí)代。本文將蒸汽機(jī)的演變劃分了三個(gè)重要階段，并以圖例方式展示了自蒸汽機(jī)逐步改進(jìn)和演變的過(guò)程。 第一階段 蒸汽機(jī)主結(jié)構(gòu)形成 利用蒸汽實(shí)現(xiàn)機(jī)械做功可追溯到公元1世紀(jì)古希臘力學(xué)家希羅發(fā)明的汽轉(zhuǎn)球，它由一個(gè)空心球（連有兩個(gè)出汽口）和一個(gè)密閉鍋（加熱水變成蒸汽）組成，在空心球和密閉鍋之間用兩根管子相連，同時(shí)也是空心球的支撐（見(jiàn)下圖）。當(dāng)水沸騰后變成水蒸氣經(jīng)連接管進(jìn)入到空心球中，此時(shí)蒸汽將從兩個(gè)噴汽口噴出，在水蒸汽的反作用力下空心球就轉(zhuǎn)了起來(lái)，便成為汽轉(zhuǎn)球。但汽轉(zhuǎn)球只是一種玩具，并沒(méi)有什么實(shí)用價(jià)值。 汽轉(zhuǎn)球 引領(lǐng)17-19世紀(jì)工業(yè)革命的蒸汽機(jī)，起源于1679年法國(guó)物理學(xué)家帕平（Denis Papin，1647-1713）發(fā)明的高壓鍋時(shí)采用了杠桿式安全閥，利用杠桿原理，在遠(yuǎn)端施加重物，而汽壓推動(dòng)汽閥的力點(diǎn)為短力臂，利用杠桿原理，當(dāng)高壓鍋壓力超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，可推動(dòng)汽閥向上運(yùn)動(dòng)，以排出部分壓力，平衡后又落回遠(yuǎn)處。1690年帕平根據(jù)安全閥的工作原理發(fā)明了活塞式蒸汽機(jī)，不過(guò)帕平只是對(duì)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了思考，并沒(méi)有真正制造出可使用的蒸汽機(jī)，但他的工作卻開(kāi)創(chuàng)蒸汽機(jī)的研究。
帕平設(shè)計(jì)的高壓鍋，杠桿式安全閥是其主要構(gòu)件
杠桿式安全閥，在B端安裝重物，汽閥C處受壓力，利用杠桿平衡通過(guò)即可獲得高壓鍋中的壓力
通過(guò)觀察蒸汽閥的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了活塞式蒸汽機(jī) 后來(lái)，英國(guó)發(fā)明家和工程師塞維利（Thomas Savery， c.1650–1715）仔細(xì)對(duì)帕平設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，由于當(dāng)時(shí)缺乏制造良好密閉性活塞的制造工藝，塞維利舍去了帕平的活塞結(jié)構(gòu)。塞維利機(jī)主要由兩個(gè)部分組成：一是鍋爐，二是密閉的工作容器。先通過(guò)鍋爐把水加熱，使蒸汽充滿工作容器，然后關(guān)閉入汽孔，使工作容器中水蒸氣冷凝，形成局部真空，當(dāng)該容器與礦井下水相連時(shí)，通過(guò)外部大氣壓，就可以把水“吸”到高處，其實(shí)是靠大氣壓力把水壓上來(lái)的，所以水的提升高度和大氣壓力有關(guān)，在9m左右。為了把水送到更高的地方，塞維利又專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)蒸汽壓力裝置把水送到更高的地方，這就是塞維利機(jī)，被命名為“礦山之友”。并申請(qǐng)了世界上第一個(gè)蒸汽機(jī)專(zhuān)利。
塞維利機(jī) 塞維利蒸汽機(jī)問(wèn)題很多：效率很低，為了維持機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)需要燒很多的煤，好在它本身就是用于煤礦抽水的，煤有的是。但它靠壓力輸送水，又當(dāng)時(shí)材料制造和焊接工藝的不足使得時(shí)有管道發(fā)生斷裂和爆炸，同時(shí)依靠大氣壓提水，最高提升高度約為9.1m限制了塞維利機(jī)的使用。不過(guò)，塞維利總是人類(lèi)的第一臺(tái)實(shí)用蒸汽機(jī)并申請(qǐng)了專(zhuān)利。當(dāng)塞維利請(qǐng)帕平（此時(shí)，帕平是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員）對(duì)他的蒸汽機(jī)予以鑒定時(shí)，帕平意識(shí)到了塞維利機(jī)的不足提出了重大的改進(jìn)意見(jiàn)，但塞維利也不認(rèn)為帕平的建議可行而不同意改進(jìn)。后來(lái)，帕平根據(jù)自己的理解更新了設(shè)計(jì)，但由于他已因研制蒸汽機(jī)而破產(chǎn)，因此他向皇家學(xué)會(huì)申請(qǐng)15英鎊的研究經(jīng)費(fèi)來(lái)改進(jìn)鍋爐，以證明新設(shè)計(jì)比塞維利機(jī)要優(yōu)越時(shí)，但塞維利從中百般阻撓，致使帕平的合理要求遭到拒絕。
帕平蒸汽機(jī)的第二版，將蒸汽機(jī)引入汽缸中（從有往左第2個(gè)容器），靠活塞推動(dòng)水升高，大概帕平和塞維利的矛盾主要在于使用還是不使用活塞結(jié)構(gòu) 帕平和塞維利的不和諧最后由紐可門(mén)（紐可門(mén)的資料很少，職業(yè)雖說(shuō)是鍛工，實(shí)際上在當(dāng)時(shí)也就是我們熟知的鐵匠，有說(shuō)法說(shuō)紐可門(mén)曾受雇于塞維利）進(jìn)行了協(xié)調(diào)統(tǒng)一。大約在1712年，紐可門(mén)綜合了帕平的氣缸活塞和塞維利靠冷凝蒸汽形成真空抽水的優(yōu)點(diǎn)，將抽水的工作機(jī)構(gòu)和提供動(dòng)力的蒸汽機(jī)完全分開(kāi)，這一分離標(biāo)志著紐可門(mén)蒸汽機(jī)的完成，紐可門(mén)機(jī)在當(dāng)時(shí)非常成功，連續(xù)使用了有60多年，在瓦特蒸汽機(jī)出現(xiàn)以后，還使用了很長(zhǎng)一段時(shí)間。但可惜的是，由于當(dāng)時(shí)申請(qǐng)專(zhuān)利需要昂貴的費(fèi)用，紐可門(mén)機(jī)并沒(méi)有申請(qǐng)專(zhuān)利，這或許也為紐可門(mén)機(jī)的廣泛使用提供了條件，紐可門(mén)機(jī)成為煤礦抽水的必備設(shè)備，以至于大學(xué)里都在教授紐可門(mén)機(jī)的工作原理（這為瓦特的出廠準(zhǔn)備了條件）。紐可門(mén)機(jī)的出現(xiàn)標(biāo)志著蒸汽機(jī)革新中第一階段工作的完成，紐可門(mén)機(jī)一直使用到18世紀(jì)60年，瓦特對(duì)紐可門(mén)機(jī)的改進(jìn)標(biāo)志著蒸汽機(jī)的演變進(jìn)入第二階段。
紐可門(mén)機(jī) 第二階段 瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的不斷改進(jìn) 瓦特于蒸汽機(jī)結(jié)緣，得益于格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）的三位教授，Joseph Black和Adam Smith，以及后來(lái)的John Robison，他們?yōu)橥咛靥峁┝艘环菥S修和制作天文儀器的工作，并提供了一個(gè)小的工作車(chē)間。1763年瓦特被要求去修理一臺(tái)學(xué)校的紐可門(mén)模型機(jī)，用于教學(xué)使用，此前在倫敦維修沒(méi)有修好，瓦特很快就修了。瓦特的可貴之處在于他修好之后，還對(duì)其工作原理、熱機(jī)效率、制造工藝等一系列問(wèn)題進(jìn)行了深入思考，在經(jīng)過(guò)很多實(shí)驗(yàn)后，瓦特驗(yàn)證了大約在氣缸每次循環(huán)中有大約四分之三的蒸汽熱量被白白地浪費(fèi)，而且由于每次循環(huán)都向氣缸內(nèi)噴入冷水不能連續(xù)工作。 1769年瓦特考慮如果單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)冷凝裝置，就不需要使汽缸的溫度降到常溫再重新加熱，這樣就可以提高熱機(jī)效率，按照他的設(shè)計(jì)可將蒸汽機(jī)的效率提高3倍。依照這一思路，瓦特設(shè)計(jì)了帶有分離式冷凝器的蒸汽機(jī)，瓦特為分離式冷凝器申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)，成為他的第1項(xiàng)專(zhuān)利。
瓦特蒸汽機(jī) 冷凝器與汽缸分離 1775年，瓦特與合伙人馬修.博爾頓（Matthew Boulton,1728–1809），Soho鑄造廠的老板開(kāi)始合作成立了“博爾頓-瓦特公司”，并將分離式冷凝蒸汽機(jī)投入生產(chǎn)，其煤耗不到紐可門(mén)機(jī)的 1/3。1781年，瓦特公司的雇員威廉·默多克（William Murdoch）發(fā)明了一種稱(chēng)為“太陽(yáng)與行星”的曲柄齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，并以瓦特的名義成功申請(qǐng)了專(zhuān)利。此時(shí)，瓦特蒸汽機(jī)輸出的不再是活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為其成為動(dòng)力機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
太陽(yáng)行星此輪機(jī)構(gòu) 在合伙人博爾頓的幫助下，瓦特和他們的員工通力合作，對(duì)蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)了革命性的改進(jìn)。1781年，瓦特又發(fā)明了雙向汽缸以提高效率，雙向汽缸即在活塞兩側(cè)進(jìn)汽，提高熱機(jī)效率（見(jiàn)下圖）。這時(shí)，聯(lián)系控制雙向汽缸的進(jìn)汽裝置成為關(guān)鍵，1784年，瓦特發(fā)明了平行四連桿機(jī)構(gòu)，以保證雙向汽缸的控制問(wèn)題（見(jiàn)下圖）。
雙向汽缸
平行四連桿機(jī)構(gòu) 完成 平行運(yùn)動(dòng) 經(jīng)過(guò)這一系列的改進(jìn)，紐可門(mén)機(jī)已經(jīng)完全成為了瓦特蒸汽機(jī)。1785年以后，瓦特改進(jìn)的蒸汽機(jī)首先在紡織部門(mén)投入使用，受到廣泛歡迎。為了保證蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性，瓦特于1788年發(fā)明了離心式調(diào)速器。
離心式調(diào)速器 1790年瓦特在員工Kalman De Juhasz，The Victoria 和 Albert Museum的幫助下發(fā)明了蒸汽機(jī)氣缸示工器。
蒸汽機(jī)示工器 在瓦特研制蒸汽機(jī)的過(guò)程中，Soho鑄造廠的博爾頓起了關(guān)鍵性的決定作用。1794年，瓦特與博爾頓合伙組建了專(zhuān)門(mén)制造蒸汽機(jī)的公司，保證了蒸汽機(jī)的研究經(jīng)費(fèi)，事實(shí)上瓦特在博爾頓的經(jīng)營(yíng)下，很快就成了富翁，到1824年就生產(chǎn)了1165臺(tái)蒸汽機(jī)，紡織業(yè)、采礦業(yè)、冶金業(yè)、造紙業(yè)等工業(yè)部門(mén)，都先后采用蒸汽機(jī)做為動(dòng)力。
瓦特與他的前人相比，他對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)不僅在于結(jié)構(gòu)和制造工藝上的完善，同時(shí)還完成了許多蒸汽機(jī)的控制裝置的設(shè)計(jì)，使蒸汽機(jī)更加的趨于穩(wěn)定工作。瓦特的工作代表了蒸汽機(jī)演變中的第二個(gè)階段。在這一過(guò)程中，我們過(guò)多的強(qiáng)調(diào)了瓦特的工作，實(shí)際上瓦特的合伙人博爾頓、以及他們的員工（如默多克）、以及當(dāng)時(shí)的一些化學(xué)家、物理學(xué)家（如格拉斯哥大學(xué)的三位教授，以及圓月學(xué)社的一些知名人士）的作用不容忽視，應(yīng)該說(shuō)在瓦特天才般的發(fā)明創(chuàng)造能力之上，良好的人際關(guān)系也是瓦特成功的重要條件。
瓦特蒸汽機(jī)的工作原理圖 第三階段 蒸汽機(jī)效率的進(jìn)一步提高 蒸汽機(jī)的雛形來(lái)源于帕平的高壓鍋安全閥，安全閥主要靠蒸汽機(jī)壓力工作，一個(gè)顯見(jiàn)的結(jié)論就是壓力越大越可能提供更大的動(dòng)力，但由于當(dāng)時(shí)材料和結(jié)構(gòu)制造水平低下，初期蒸汽機(jī)的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕，稱(chēng)為低壓蒸汽機(jī)，瓦特蒸汽機(jī)也屬于低壓蒸汽機(jī)。19世紀(jì)初，高壓蒸汽機(jī)的發(fā)展迎來(lái)蒸汽機(jī)發(fā)展的第三階段，但實(shí)際上高壓蒸汽機(jī)可以再早一些，但由于瓦特的幾項(xiàng)專(zhuān)利要到1800年才到期，因此在一定程度上也阻礙了高壓蒸汽機(jī)的發(fā)展。 1800年英國(guó)的特里維?？耍≧ichard Trevithik,1771－1833）發(fā)明了高壓蒸汽機(jī)，他的目的是牽引蒸汽機(jī)車(chē)，并于1802年申請(qǐng)了專(zhuān)利。特里維?？税l(fā)明了世界上第一臺(tái)實(shí)用性輪軌蒸汽機(jī)車(chē)，他蒸汽機(jī)車(chē)在結(jié)構(gòu)上初步具備了早期蒸汽機(jī)車(chē)的雛形，例如：機(jī)車(chē)由鍋爐、煙囪、汽缸、動(dòng)輪、搖桿、連桿、飛輪等部件組成。并實(shí)驗(yàn)了載客和貨運(yùn)功能。由于蒸汽機(jī)車(chē)本身和它牽引的貨物太沉重了，生鐵鑄成的鐵軌經(jīng)常發(fā)生斷裂事故，于是礦山的主人拒絕了德里維斯克的蒸汽機(jī)車(chē)，還是決定用老辦法馬拉貨車(chē)來(lái)運(yùn)礦石。
特里維希克蒸汽機(jī)車(chē)（早于斯蒂芬森）
1801年，美國(guó)工程師、發(fā)明家埃文思制造也制造出了高壓蒸汽機(jī)，盡管最初只有5馬力（傳統(tǒng)的低壓蒸汽機(jī)那時(shí)有的會(huì)有12馬力），但它的體積只有傳統(tǒng)蒸汽機(jī)的1/25. 這是難以想象的。
埃文思高壓蒸汽機(jī) 19世紀(jì)初蒸汽壓力達(dá)到0.35～0.7兆帕,試驗(yàn)中用到5.6兆帕，20世紀(jì)20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世紀(jì)末還不超過(guò)250℃,而到20世紀(jì)30年代曾用到450～480℃。蒸汽壓力和溫度的提高，極大的提高了蒸汽機(jī)的效率，不過(guò)也遠(yuǎn)不能使人滿意，紐可門(mén)蒸汽機(jī)效率大約為0.5%，瓦特初期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的蒸汽機(jī)按燃料熱值計(jì)總效率不超過(guò)3％；到1840年,最好的凝汽式蒸汽機(jī)總效率可達(dá)8％；到20世紀(jì),蒸汽機(jī)最高效率可達(dá)到20％以上。此后，盡管人們做了多種創(chuàng)始，但熱機(jī)效率幾乎沒(méi)有什么提高，直到卡諾發(fā)現(xiàn)了卡諾循環(huán)，提出卡諾熱機(jī)，指明熱機(jī)效率在理論上等于 n=1-T2/T1 n表示熱機(jī)效率，T2表示低溫?zé)嵩?，T1表示高溫?zé)嵩?。我們知道提高蒸汽壓力，在同等體積情況下，可得到較高的溫度，因此高壓蒸汽機(jī)的熱機(jī)效率要比低壓蒸汽機(jī)效率高。 卡諾熱機(jī)的提出為提高熱機(jī)效率提供了理論依據(jù)，標(biāo)志著蒸汽機(jī)第三階段的完成。此后，人們便著手研發(fā)耐高溫高壓的材料和結(jié)構(gòu)，以提高熱機(jī)效率。如今，在火力發(fā)電中為了提高熱機(jī)效率減少二氧化碳排放，提高蒸汽機(jī)壓力和溫度是主要途徑。 在火電領(lǐng)域，由于水的臨界壓力是22.129MPa,臨界溫度是374.15℃；在這個(gè)壓力和溫度時(shí)，因高溫膨脹的水和因高壓壓縮的水蒸汽的密度是相同的，就叫水的臨界點(diǎn)，爐內(nèi)工質(zhì)壓力低于這個(gè)壓力就叫亞臨界鍋爐，大于這個(gè)壓力就是超臨界鍋爐，爐內(nèi)蒸汽溫度不低于593℃或蒸汽壓力不低于31 MPa被稱(chēng)為超超臨界。在工程上也常常將25MPa以上的稱(chēng)為超超臨界。目前，國(guó)內(nèi)及國(guó)際上一般認(rèn)為蒸汽溫度不低于600攝氏度，就是超超臨界機(jī)組。2011年開(kāi)始，我國(guó)已經(jīng)致力于研究700攝氏度的高超超臨界技術(shù)。當(dāng)今溫度在700℃，壓力在35MPa以上的高超超燃煤機(jī)組已成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。
從這個(gè)角度看，雖然人類(lèi)早已進(jìn)入了電氣時(shí)代，但蒸汽機(jī)的變革遠(yuǎn)沒(méi)有停止，新理論、新材料、新的加工工藝的不斷提出蒸汽機(jī)也將會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。這也說(shuō)明科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步?jīng)]有終點(diǎn)，人類(lèi)探索的腳步也永遠(yuǎn)不會(huì)停止！ 參考文獻(xiàn) 維基百科，百度百科，相關(guān)條目 遲紅剛,徐飛.瓦特蒸汽機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的社會(huì)視角分析.科學(xué)與社會(huì).2015,5(4):102-114. Bruce L. Babcock.The Story of the Steam Engine Indicator.http://www./steam-traction/story-steam-engine-indicator.aspx 什么是第一次工業(yè)革命的真正誘因http://history.sina.com.cn/bk/sjs/2014-12-09/1134111234.shtml 武際可 調(diào)速器http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39472&do=blog&id=41224 黃甌,彭澤瑛.700oC高超超臨界技術(shù)的經(jīng)濟(jì)得益分析.熱力透平.2010.39(3):170-174. http://blog.sciencenet.cn/blog-847068-993491.html |
|
|
來(lái)自： 閑之尋味 > 《實(shí)驗(yàn)室》
