пара. Энергия топлива тратится на испарение воды, а пар, по существу, не работает. Нужно отказаться от использования атмосферного давления и от конденсации пара в цилиндре. Машина должна работать на основе рекомендаций науки.
Пусть цилиндр постоянно остается горячим и в цилиндре работает расширяющийся пар. Конденсация пара должна происходить вне цилиндра. Это вспомогательный процесс, не создающий работы. Ведь в машине Ньюкомена работу создает не конденсирующийся пар, а внешний воздух.
Если в этом деле и играло роль некое озарение, то оно было подготовлено предыдущими длительными исследованиями свойств водяного пара и процесса испарения воды, а также подкреплено пятью годами упорного труда. Патент на паровую машину Уатт взял в 1769 году. В нем содержалось почти все от машины Ньюкомена: цель — откачка воды; конструкция — вертикальный цилиндр с поршнем и балансиром; прерывистое действие — рабочий ход и холостой ход. Но цилиндр был снабжен теплоизоляцией, прилегание поршня к цилиндру обеспечивалось паклей с салом (отсюда пошли сальники). И главное — принцип действия был совсем иным: рабочий ход осуществлялся за счет расширения горячего пара, который при этом охлаждался. Во время холостого хода отработавший пар выталкивался из цилиндра и конденсировался вне его.
Два десятилетия Уатт совершенствовал свою машину. Он избавился от холостого хода, закрыв цилиндр второй крышкой, снабженной сальником, через который проходит поршневой шток. Теперь он мог поочередно подавать пар по обе стороны поршня. Уатт стремился сделать машину наиболее экономичной, дающей максимум работы при расходе данного количества топлива. Он понял, что выпускать на ветер отработавший пар невыгодно. С ним уходит и большое количество тепла. Для того чтобы извлечь пользу из этого тепла, Уатт снабдил цилиндр паровой рубашкой, окружив стенки рабочего цилиндра оболочкой и пропуская между ними отработавший пар. Для уменьшения потерь тепла он применил еще одну — теплозащитную оболочку. Но в результате пар уходил наружу очень горячим. Для того чтобы использовать и это остаточное тепло, Уатт изобрел конденсатор — сосуд, в котором пар конденсировался, со— прикасаясь с холодной водой, подобно тому, как это происходило в цилиндре машины Ньюкомена. Но цель была иной. Не создавать разрежение, а получать теплую воду перед тем, как подавать ее в котел, и тем сэкономить топливо. Для управления подачей пара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов. Он перемещался поршнем машины при помощи специальных тяг. Наконец, Уатт ввел в машину центробежный регулятор, перемещавший заслонку в паропроводе. Это было нужно, чтобы скорость машины оставалась постоянной, несмотря на изменения нагрузки и давления пара в котле.
Постепенно паровая машина стала первым промышленным автоматом, способным работать без постоянного вмешательства человека. Именно это, а также вдвое более экономный расход топлива (благодаря работе пара в горячем цилиндре и применению конденсатора) обеспечило быстрое распространение паровых машин.
Оценивая заслуги Уатта, Маркс писал: «Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый в апреле 1784 года, давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности».
Паровые машины не только способствовали превращению мануфактур в настоящие промышленные предприятия, но привели к изобретению пароходов и паровозов. Все это и составило основу промышленной революции. Человечество вступило в новую эру.
В техническом отношении революция ознаменовалась стремительным увеличением производства разнообразных станков, количества и мощности паровых машин. Однако, несмотря на то, что эти машины были существенно экономичнее машин Ньюкомена, они сжигали огромные количества топлива — дров и каменного угля. Катастрофическое исчезновение лесов беспокоило передовых людей начала XIX века не меньше, чем призрак экологической катастрофы тревожит наших современников.
Развлечения молодого инженера
Может быть, настойчивее других об этом думал Никола Леонар Сади Карно, молодой военный инженер, окончивший Политехническую школу в Париже и тяготившийся рутиной бесперспективной армейской службы. Он хорошо знал, что многочисленные попытки сделать паровую машину более экономичной приводили к мизерным результатам. Конечно, устранение утечек пара и уменьшение трения, достигаемые путем все более точного изготовления деталей машины, давало экономию, но она была совершенно недостаточной.
Казалось, над машиной тяготеет какое-то заклятие. Карно интуитивно чувствовал, в чем дело. После Уатта никто, по существу, не углубил понимания принципов работы паровой машины. К сведениям о свойствах пара и процесса испарения воды не прибавилось почти ничего, хотя после исследований Уатта прошло более полувека. Совершенствуя машину, инженеры исходили из чисто интуитивных соображений, действуя методом проб, не направляемых единой руководящей идеей. Никто не знал, возможно ли вообще радикальное улучшение машины, или ее экономичность достигла предела.
Размышления Карно постоянно возвращались к, казалось бы, очевидной особенности паровой машины; на которую совершенно не обращали внимания авторы, пишущие о ней, и инженеры, занятые ее усовершенствованием. Источником работы, получаемой паровой машиной, является топливо, сгорающее под ее котлом. Сгорание топлива и испарение воды в котле должны происходить непрерывно, пока работает машина. Результатом работы машины является непрерывное вращение ее маховика, от которого приводятся в движение различные станки и другие устройства. Это было совершенно очевидно. Но то, что находится между паровым котлом и маховиком — поршень внутри цилиндра кривошипно-кривошипно-шатунныймеханизм вне его — совершает сложное движение.
Нужно рассмотреть все это в совокупности, не пропуская ни одной мелочи!
Инженеры привыкли к этой сложной кинематике и не видели ничего особенного в том, что поршень совершает возвратно-поступательное движение, повторяя его раз за разом. Карно подумал: не в этом ли повторяющемся движении причина неэффективности паровой машины? Он снова и снова мысленно следит за работой машины: вот открывается золотник, и пар из котла устремляется в цилиндр и, поднимая поршень, совершает работу. Затем золотник переключается, и пар устремляется из цилиндра в конденсатор. Он бесполезно уносит с собой запас тепла, да и маховик затрачивает часть работы на опускание поршня и выталкивание пара. Впрочем, здесь пропущена одна подробность. Еще Уатт понял, что золотник должен работать несколько сложнее. Он заставил золотник прекращать подачу пара в цилиндр до того, как поршень прошел весь рабочий путь. Это называется отсечкой пара. Остаток пути поршень проходит и совершает работу под действием расширяющегося пара. Новые порции пара уже не поступают в цилиндр, но сжатый пар, попавший из котла в цилиндр в первой части цикла, расширяется, толкая поршень. При этом работа совершается за счет давления пара и запасенного в нем тепла и, одновременно, уменьшаются его давление и температура. Уатт увидел в этом способ повышения эффективности машины. Часть работы получается без расхода пара из котла, а в конденсатор выбрасывается более холодный пар.
Не здесь ли скрыта возможность улучшения машины? Как определить оптимальный режим ее работы, в
