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借鉴、改进与提高
作者:teacherli 文章来源:本站原创 点击数:4958 更新时间:2007-10-24 10:29:35

借鉴、改进与提高

--从巴本、萨弗里到纽可门和瓦特的蒸汽机


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1、蒸汽机的背景

随着工业的发展,传统的生物能源木材明显不足,煤开始被作为燃料被广泛使用,煤的开采业因而越来越热,但让矿主头痛的问题就是矿井的排水问题,矿井越来越深,排水需要大量的人力畜力,英国的有些矿井需要500匹马力才开动提水水泵,迫使人们尽快地研制矿井用以排水的动力机械。

蒸汽作动力古已有之,亚历山大里亚的希罗普曾利用蒸汽的反冲力做过一个玩具,罗马林琴学院的创始人之一波尔塔在《神灵三书》中提出可以让蒸汽的压力使水提升,而蒸汽冷却后形成的真空又可以将水从低处吸进来。虽然他设计的只是一种实验器械,没有什么用途,但他的构想以及他当时未意识到的原理十分重要。

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2、巴本的高压锅与第一台蒸汽机

17世纪上半叶,大气压力和真空概念已广为人知,但这一物理概念用于实际的还不多见。法国工程师巴本1671年结识惠更斯后,对实验物理学发生了浓厚的兴趣,协助惠更斯做了不少的大气压和真空实验,1674年成功地改进了波义尔的空气泵,被波义尔邀请到伦敦跟随波义尔系统学习气体力学。

1679年巴本研制出了一种蒸煮器,这种炊锅完全密封,食物极易煮烂,他用这种高压锅给查理二世做了一顿菜,把不太容易熟的骨头煮得烂熟,味道极其鲜美,因而于1680年当选为皇家学会会员。

1690年,巴本在蒸煮器的基础上制成了第一台带活塞的蒸汽机。气缸底部有少量的水,将气缸加热时所产生的蒸汽推动活塞至顶端,再将热源撤除,里面的蒸汽必定冷凝形成真空,于是,气缸在大气压力的作用下下落,下落过程可以提供动力。

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3、萨弗里与蒸汽泵

英国当时的矿井排水问题迫在眉睫,政府多次悬赏征解,英国工程师萨弗里在蒸汽机的基础上发明了蒸汽泵。因为要抽水,它没有活塞,蒸汽泵由气缸和三根导管组成,一根导管通往蒸汽锅炉,另外两根分别是进水管和出水管,蒸汽进入气缸后注凉水冷却形成真空,将水吸入,第二次通入蒸汽则将气缸中的水压出。萨弗里1698年获得了该项发明专利,蒸汽泵投入使用,被称为矿工之友

因为当时的锅炉不能安全地提供高压蒸汽,萨弗里的蒸汽泵就不可能将水提得很高,以至于热效率太低。

4、纽可门的蒸汽机

萨弗里的蒸汽泵问世,马上吸引了当时还是铁匠的纽可门,他决心在此基础上制造出更好的蒸汽机来。为此,他专门拜访了年迈的胡克,学习有关物理知识,由于萨弗里本人一起探讨改进方案,最终于1705年造出了一台热效率比较高的蒸汽机。

这台蒸汽机吸收了巴本和萨弗里的蒸汽泵的优点,有一个带活塞的气缸,同时蒸汽由另外的锅炉输入。他的创造是在气缸里增加了一个冷水喷射器,提高冷凝速度。与萨弗里的蒸汽泵不同:依靠大气压力而不是蒸汽压力,不存在高压蒸汽危险。

纽可门的蒸汽机很快就投于使用,效果良好,当时的煤矿基本上都用上了这种新式的蒸汽机。

半个世纪后,工业生产对动力的需求空前增长,纽可门机只适用于矿山抽水,急需新的动力设备。

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5、瓦特的蒸汽机

瓦特,出身于工人家庭,从小当学徒,学习机械制造,后来自己想开业,但因学徒年限不够,只得在格拉斯哥大学谋得一个机修工的职位。瓦特在格拉斯哥大学认识了着名的物理学家布莱克,他在工作的同时开始深入地钻研热学知识。1763年,他受命修理格拉斯哥大学一台纽可门蒸汽机。他在维修这台机器的过程中,仔细地研究了纽可门机的结构,发现纽可门机的热量损失太大,需要改进。

1765年,瓦特想出了在气缸之后再加一个冷凝器的方法,冷凝器与气缸之间用一个可调节阀门相连,高温蒸汽注入气缸时阀门关上,做功后打开阀门,蒸汽则马上被引入冷凝器冷却,之后,冷凝器和气缸内均形成真空,活塞在大气压下做功,之后关上阀门,重新将冷凝器抽成真空,重复前一过程。1769年瓦特制造出第一台样机,并获得冷凝器的发明专利。

瓦特机的热效率成倍提高,但他不满足,继续改进。1781年,他用一个齿轮装置将活塞的直线往复式运动转化为轮轴旋转运动,1782年,又设计了双向气缸,使蒸汽轮流从活塞两端进入,热效率又增加了一倍,后来又发明了离心调节器,可以调节输入的蒸气量。瓦特机成了可用于一切机械的万能原动机1800年,瓦特选入皇家学会,格拉斯哥大学授予名誉博士学位。

蒸汽机的改进,也使整个世界发生了变化,古老的人力畜力被蒸汽动力所代替,大规模的生产不仅成为可能,而且成为必要,各种工业在瓦特机的带动下,迅猛发展起来,机械制造业也空前繁荣。

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