Паровой котел и двигатель.
В один из дней 1680 г. несколько членов Лондонского Королевского общества были приглашены на обед, который устраивали известный ученый, профессор Роберт Бойль и его ученик и друг Дени Папен. На этом обеде впервые гостей угощали отличным рагу, приготовленным в специальной кастрюле, названной в честь ее изобретателя «папе — новым котлом».
Это был закрытый, наполненный водой сосуд, под которым находилась топка, где разводился огонь. Вода в сосуде закипала, и образовавшийся пар начинал давить на его стенки. Чтобы сосуд не разорвало, в верхней его крышке Папен устроил предохранительный клапан — пробку, закрывающую отверстие, которую прижимал рычаг с грузом. Когда давление в сосуде становилось слишком большим, пар приподнимал клапан и выходил наружу; давление падало, и клапан под тяжестью груза закрывался.
Дени Папен изготовил этот котел для изучения свойств пара и попутно использовал его в качестве кастрюли — варил в нем мясо. А началась эта история с котлом гораздо раньше. Папен работал врачом в городе Блуа. Однажды в Парижской академии наук он познакомился со знаменитым голландским ученым Христианом Гюйгенсом, который прибыл во Францию по приглашению французского правительства. На родине, занимаясь оптикой, Гюйгенс построил отличную астрономическую трубу и в нее наблюдал загадочный Сатурн. Ему удалось открыть спутники Сатурна и обнаружить, что кольца планеты отделены от нее. Гюйгенс также построил первые часы с маятником, поразившие воображение современников.
Гюйгенс искренне заинтересовался Папеном — человеком с острым умом и большими познаниями. И когда тот намекнул, что более всего желает учиться и работать в лаборатории у Гюйгенса, ученый тотчас предложил ему стать его помощником. Сначала проводились опыты с безвоздушным пространством. Вместе с Гюйгенсом Папен внес очень важное усовершенствование в использовавшийся в то время воздушный насос — тарелку с колпаком. Они стали выкачивать воздух не из шара с узким горлышком, а из-под стеклянного колпака на тарелке, куда можно было помещать все, что предполагалось подвергнуть опыту в безвоздушном пространстве.
Во время проведения опытов с воздушным насосом Папен обратил внимание на то, что, когда под поршнем образовывалось безвоздушное пространство, наружное давление гнало поршень обратно с большой силой. Значит, атмосферное давление может совершать работу, если сконструировать подходящую машину. Идея была проста: если под поршнем в цилиндре будет быстро образовываться вакуум, то атмосферное давление заставит поршень опускаться и при этом совершать какую-нибудь работу, например, поднимать тяжесть на веревке, перекинутой через блок.
Гюйгенс посоветовал своему ученику попробовать использовать газы, образующиеся при сгорании пороха. Горячие газы занимают большое пространство, а охлаждаясь, значительно уменьшаются в объеме. Вняв этому совету, молодой ученый построил пороховую машину, состоявшую из железного цилиндра и поршня. Папен рассчитал, что если он зажжет под опущенным ко дну поршнем щепотку пороха, то поршень подскочит вверх, а пространство под ним займут горячие газы. Когда они остынут и уменьшатся в объеме, в цилиндре образуется разреженное пространство — некоторый вакуум, и атмосферное давление заставит поршень опуститься.
Папен все рассчитал правильно, но в первом же опыте поршень при взрыве пороха вовсе вылетел из цилиндра, несмотря на имеющуюся задвижку, которая должна была удержать его. Кроме того, даже когда удалось избежать вылета поршня, оказалось, что образовавшийся при взрыве газ сильно не охлаждается, и поршень поэтому опускается лишь немного, а потому и полезная работа от такой машины получается мизерной.
И тогда Папен решил использовать для подъема поршня силу пара. Пар обладал подходящими свойствами: сильно расширялся и занимал большой объем. Но прежде, чем Папену удалось реализовать свои замыслы, ему пришлось уехать из Франции. Религиозные взгляды Папена и Гюйгенса отличались от религиозных убеждений короля и его окружения, а в это время готовился к принятию очень суровый закон, преследовавший инакомыслящих. Гюйгенс вернулся на родину, а Папен отправился в Англию, где стал работать у крупного ученого Роберта Бойля. В течение трех лет они трудились вместе, и в результате появился «папенов котел».
Позже судьба забросила его в Венецию, затем в Англию и, наконец, в Германию. Здесь в Марбургском университете он продолжил работу над тепловым двигателем. В созданном им новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Вода наливалась под поршень, и цилиндр снизу начинали подогревать. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и весь находящийся в нем пар конденсировался, то есть снова превращался в воду. Поршень под действием собственного веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой.
Однако для практической работы он также был малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется. Эти недостатки были в основном связаны с тем, что образование пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре.
Умер Дени Папен в Англии в 1714 г. в глубокой нищете, забытый всеми. Неизвестно даже, где находится его могила.
С паровыми машинами Сэйвери и Папена был знаком английский изобретатель Томас Ньюкомен (1663 - 1729), который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и поэтому хорошо понимал, как нужны надёжные насосы для предотвращения затопления шахт. В 1705 году он объединил свои усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли и построил более совершенную модель. Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 г. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной.
Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной для того времени и использовалась по всей Европе более 50 лет. Её использовали для откачки воды из многочисленных шахт в Великобритании. Это было первое крупносерийное изделие в истории техники (выпущено несколько тысяч штук). В 1740 г. машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю.
Окончательные усовершенствования в паровую машину внес Уатт.
В 1765 году английский механик Джеймс Уатт создает паровой двигатель. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. В 1772 году Джеймс Уатт свел знакомство с промышленником Мэтью Болтоном (Mathew Bolton). Этот богатый господин выкупил и возвратил Уатту все его патенты, которые незадачливый изобретатель вынужден был заложить за долги. При поддержке Болтона работа Уатта ускорилась. Уже в 1773-м Уатт испытывает свою паровую машину; она выполняла все ту же функцию парового насоса, но угля требовала гораздо меньше. Видя очевидные преимущества машины Уатта, Болтон открывает совместную с изобретателем компанию по производству паровых машин, и в 1774 году в Англии начинается их выпуск. Реализация паровых машин шла настолько хорошо, что Болтон захотел построить новый прокатный цех, для чего попросил Уатта создать специальную паровую машину - для привода прокатных станков. Уатт блестяще справился с задачей, и в 1781 году запатентовал паровую машину "для осуществления движения вокруг оси с целью приведения в действие других машин". Таким образом, на свет появилась первая паровая машина не для поднятия воды со дна шахт, а для приведения в движение машин. Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству.
