Паровая машина — это тепловая машина , которая выполняет механическую работу , используя пар в качестве рабочего тела . Паровой двигатель использует силу, создаваемую давлением пара, чтобы толкать поршень вперед и назад внутри цилиндра. Эта толкающая сила может быть преобразована с помощью шатуна и кривошипа во вращательную силу для работы . Термин «паровой двигатель» обычно применяется только к только что описанным поршневым двигателям , а не к паровой турбине . Паровые двигатели - это двигатели внешнего сгорания , [1]где рабочее тело отделяется от продуктов сгорания. Идеальный термодинамический цикл, используемый для анализа этого процесса, называется циклом Ренкина . В общем случае термин « паровой двигатель » может относиться либо к полным паровым установкам (включая котлы и т. д.), таким как железнодорожные паровозы и переносные двигатели , либо может относиться только к поршневым или турбинным машинам, как в лучевом двигателе и стационарном паровом двигателе. двигатель .
Хотя устройства с паровым приводом были известны еще в эолипиле в первом веке нашей эры, а несколько других применений были зарегистрированы в 16 и 17 веках, Томас Савери считается изобретателем первого коммерчески используемого устройства с паровым приводом, парового насоса, который используется давление пара, воздействующее непосредственно на воду. Первый коммерчески успешный двигатель, который мог непрерывно передавать мощность машине, был разработан в 1712 году Томасом Ньюкоменом . Джеймс Уатт внес важное усовершенствование в 1764 году, переместив отработанный пар в отдельный сосуд для конденсации, что значительно увеличило количество работы, получаемой на единицу потребляемого топлива. К 19 веку стационарные паровые машины приводили в движение фабрикиПромышленная революция . Паровые машины заменили паруса для кораблей на колесных пароходах , а на железных дорогах работали паровозы.
Поршневые паровые двигатели поршневого типа были доминирующим источником энергии до начала 20 века, когда достижения в конструкции электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания привели к постепенной замене паровых двигателей в коммерческом использовании. Паровые турбины заменили поршневые двигатели в производстве электроэнергии из-за более низкой стоимости, более высокой рабочей скорости и более высокой эффективности. [2]
Первым зарегистрированным рудиментарным «двигателем» с паровым двигателем был эолипил , описанный Героем Александрийским , греческим математиком и инженером в римском Египте в первом веке нашей эры. [3] В последующие столетия несколько известных паровых «двигателей» были, подобно эолипилу, [4] в основном экспериментальными устройствами, которые использовались изобретателями для демонстрации свойств пара. Элементарное устройство паровой турбины было описано Таки ад-Дином [5] в Османском Египте в 1551 г. и Джованни Бранка [6] в Италии в 1629 г. [7] Испанский изобретательХеронимо де Аянс-и-Бомонт получил патенты в 1606 году на 50 паровых изобретений, включая водяной насос для осушения затопленных шахт. [8] Дени Папен , гугенот , проделал некоторую полезную работу над паровым варочным котлом в 1679 году и впервые применил поршень для подъема грузов в 1690 году. [9]
Первым коммерческим паровым устройством был водяной насос, разработанный в 1698 году Томасом Савери . [10] Он использовал конденсирующийся пар для создания вакуума, который поднимал воду снизу, а затем использовал давление пара, чтобы поднять ее выше. Маленькие двигатели были эффективны, хотя более крупные модели были проблематичными. Они имели очень ограниченную высоту подъема и были подвержены взрывам котлов . Двигатель Савери использовался в шахтах, на насосных станциях и для подачи воды к водяным колесам , приводящим в действие текстильное оборудование. [11] Двигатель Савери имел низкую стоимость. Bento de Moura Portugal представила усовершенствование конструкции Savery, «чтобы сделать его способным работать самостоятельно», как описаноДжон Смитон в Philosophical Transactions, опубликованном в 1751 году . [12] Он продолжал производиться до конца 18 века. [13] Известно, что по крайней мере один двигатель все еще работал в 1820 году. [14]