蒸汽机是谁发明的(蒸汽机是瓦特还是希罗发明的)

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汽转球是已知最早以蒸气转变成动力的机器,在一西元100年时由亚历山大里亚的希罗(Hero)发明。汽转球主要是由一个空心的球和一个装有水的密闭锅子以两个空心管子连接在一起,而在锅底加热使的水沸腾然后变成水蒸气然后由管子进入到球中,最后水蒸气会由球体的两旁喷出并使得球体转动。汽转球只是单纯是一种新奇的玩物,并未予以任何实际应用。


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汽转球


1681年帕平公布了他的第一项重要发明–“消化锅”,这就是最初的高压锅。它利用密封容器中蒸汽压力越大,水的沸点越高的原理,用锅中的高压高温迅速将食物煮熟,节约了很多时间。帕平用”消化锅”把排骨煮得象肉冻一样,并请英国皇家学会会员们参加”科学会餐”,品尝”消化锅”的威力与成果。帕平被选为英国皇家学会会员。随后,他设计了一种用大气压力驱动的发动机,但未能成功。此后他在意大利、英国、德国困苦辗转。直到1687年,帕平40岁时才获得正式职称:德国马尔堡大学数学教授。他深知自己的知识在机械方面大有用途,于是坚持研究、试验,一年之内发明了离心泵,用于城市供水和矿井通风。


1690年,帕平研究蒸汽机,做了大量实验,发表了论文,介绍蒸汽膨胀推动活塞运动,其后的冷凝形成真空。这篇论文成为此后各种气体发动机的原理。帕平把原理结合实际应用,希望用蒸汽机开动船只,他曾经制成一只用蒸汽机通过齿轮传动明轮叶以代替船桨的小船,但在德国富尔达河上试验时,不幸被驳船撞坏。帕平想到伦敦是一个大港口,更需要新型船只,便从德国回到伦敦,这时他已年过六旬。


当时有个叫赛威尔的人,制成一台蒸汽机,在皇家学会展出时,请帕平予以鉴定,帕平提出了重大的改进意见,但赛威尔不同意改进。于是帕平设计了新的蒸汽机,准备用来开动船只。帕平把一生精力和收入都用来进行科学研究,一生勤俭,一生贫困,只得请皇家学会给予支持。他要求给予15英镑来改进锅炉,试验将证明帕平的蒸汽机比赛威尔的要优越得多。但是,赛威尔有权有势,唯恐帕平试验成功,因为,那样他的蒸汽机就会没有价值而丧失专权。于是,赛威尔从中百般阻挠,致使帕平的合理要求遭到无理拒绝,一项重大的发明被扼杀于摇篮之中,帕平在失望、贫困和默默无闻中于1712年离开了人间,终年65岁。


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塞维利机


1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机,他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。瓦特运用科学理论,逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年,他进行了一系列发明,比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等,使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多,最终发明出了现代意义上的蒸汽机。


16世纪末到17世纪后期,英国的采矿业,特别是煤矿,已发展到相当的规模,单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求,而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人,如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验。最初的真空蒸汽机被用来将矿井里的水抽出来。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭,然后冷水被撒入汽缸,蒸汽凝结时造成真空。活塞另一面的空气压力推动活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。第一个巨大的改善是将气缸与凝结缸通过一个阀门分开。瓦特在伯明翰发明了这个改进。这个改进提高了蒸汽机的效率。


1764年,学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机,在修理的过程中,瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理,并且发现了这种蒸汽机的两大缺点:活塞动作不连续而且慢;蒸汽利用率低,浪费原料。以后,瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天,在一次散步时,瓦特想到,既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的,那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢?瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。


在产生这种设想以后,瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计,冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连,使他们既能连通又能分开。这样,既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器,又可以使汽缸内产生同样的真空,避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗,据瓦特理论计算,这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。从理论上说,瓦特的这种带有分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机,但是,要把理论上的东西变为实际上的东西,把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机,还要走很长的路。瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机,但效果反而不如纽可门蒸汽机,甚至四处漏气,无法开动。尽管耗资巨大的试验使他债台高筑,但他没有在困难面前怯步,继续进行试验。当布莱克知道瓦特的奋斗目标和困难处境时,他把瓦特介绍给了自己一个十分富有的朋友–化工技师罗巴克。当时罗巴克是一个十分富有的企业家,他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。虽然当时罗巴克已近50岁,但对科学技术的新发明仍然倾注着极大的热情。他对当时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许,当即与瓦特签订合同,赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。


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瓦特改良型蒸汽机


从1766年开始,在三年多的时间里,瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难,终于在1769年制出了第一台样机。同年,瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一项专利。第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了,但它同纽可门蒸汽机相比,除了热效率有显著提高外,在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。就是说,瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机。


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纽可门蒸汽机


这些早期的真空蒸汽机的效率有限,但它们比较安全,因为它们的压力比较低,在物质发生损坏的情况下机器向内收缩,而不是向外爆炸。它们的效率受外部气压、气缸变形、燃烧和沸腾的效率和凝结能力的限制。理论最高效率受水在普通大气压下比较低的沸腾温度限制。使用高温高压的蒸汽为蒸汽机的效率带来了巨大的提高。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故。安全阀在这里带来了很大的改进,在压力过高的情况下安全阀放气减压。但真正保证安全只有依靠建造、运行和维护的经验和安全规则。


萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机,在1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利。他将一个蛋形容器先充满蒸汽,然后关闭进汽阀,在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀,矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中;关闭进水阀,重开进汽阀,靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时,关闭进汽阀和排水阀,重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环,用两个蛋形容器交替工作,可连续排水。



萨弗里的提水机


萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水,汲水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井汲水,须将提水机装在矿井深处,用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上,这在当时无疑是困难而又危险的。纽可门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机,用以驱动独立的提水泵,被称为纽科门大气式蒸汽机。这种蒸汽机先在英国,后来在欧洲大陆得到迅速推广,它的改型产品直到19世纪初还在制造。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低,这主要是由于蒸汽进入汽缸时,在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量,只在煤价低廉的产煤区才得到推广。


1764年,英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特为格拉斯哥大学修理纽可门蒸汽机模型时,注意到了这一缺点,并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机,并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵,为了从凝汽器中抽除凝结水和空气,瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层,用蒸汽加热汽缸壁,以减少冷凝损失。瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展,他使原来只能提水的机械,成为了可以普遍应用的蒸汽机,并使蒸汽机的热效率成倍提高,煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽机的改良者。


自18世纪晚期起,蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用,在冶炼、纺织、机器制造等行业中也都获得迅速推广。它使英国的纺织品产量在20多年内(从1766年到1789年)增长了5倍,为市场提供了大量消费商品,加速了资金的积累,并对运输业提出了迫切要求。在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年,经过不断改进,至1807年,美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙”号。此后,蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久。1800年,英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机。1803年,他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车,找来喜欢新奇玩意儿的人乘坐,向他们收费,这就是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改进,于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车,该机车拖带一节载有30位乘客的车厢,时速达46公里/时,引起了各国的重视,开创了铁路时代。



“火箭”号蒸汽机车


19世纪末,随着电力应用的兴起,蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年,美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点,因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中,特别在军舰上成了当时唯一的原动机。


现代蒸汽机的最大的优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能。不象内燃机那样它对其燃料不挑剔。此外没有蒸汽机的话原子能无法被使用。原子反应堆即不直接产生机械能,又不直接产生电能,原子反应堆实际上只是加热水,这个水被沸腾后的蒸汽通过蒸汽机来转化为有用的功。蒸汽不一定需要通过燃烧来产生,比如使用太阳能聚热器也可以产生蒸汽推动蒸汽机。另一种有类似优点的小巧的外燃机是斯特林发动机。其缺点是它在许多情况下难以运行。现代的混合动力汽车就是为了弥补这个缺点而设计的。


尤其在高山上蒸汽机机车的优点显著,因为它们也可以在比较低的气压下运行。当南美洲将用柴油-电力机车取代它们的蒸汽机车后这一点就被发现了。在高山上他们不得不使用功率比较高的柴油机车。在瑞士和奥地利新的齿轨铁路使用现代的蒸汽机,这些蒸汽机只需要一个人来运行,比起过去的蒸汽机它节省60%的燃料,比起电力机和柴油机它轻50%,因此对齿轨的磨损小得多。在日内瓦湖上也有一艘新的蒸汽机船,它是世界上第一艘遥控的蒸汽机船。


蒸汽机的弱点是:离不开锅炉,整个装置既笨重又庞大;新蒸汽的压力和温度不能过高,排气压力不能过低,热效率难以提高;它是一种往复式机器,惯性力限制了转速的提高;工作过程是不连续的,蒸汽的流量受到限制,也就限制了功率的提高。因此,抛弃了笨重锅炉的内燃机,最终以其重量轻,体积小、热效率高和操作灵活等优点,在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机。汽轮机则以其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻和运行平稳等优点,将蒸汽机排挤出了电站。


接着电动机又以其使用方便,代替了蒸汽机在工业设备中的应用。



瓦特在改良蒸汽机


蒸汽机有很大的历史作用,它曾推动了机械工业甚至社会的发展。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础;汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工质的特点,和采用凝汽器以降低排汽压力的优点,摒弃了往复运动和间断进汽的缺点;内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式,采用了将燃油直接输入汽缸内燃烧的方式,形成了热效率高得多的热力循环;同时,蒸汽机所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器,阀门和密封件等,均是构成多种现代机械的基本元件。


工业革命的产生一部分原因是因为蒸汽机的改良(瓦特没有发明蒸汽机,他只是改良),而蒸汽机车的产生也是因为蒸汽机的改良以及后人的应有而产生的,当时英国鼓励发明,并且在人口增加需要增加生产速度之时,便开始有人努力的改进当时的生产设备,瓦特便是其中之一,而瓦特改良蒸汽机导致一系列技术革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变。因此蒸汽机的改良绝对是促成工业革命的原因之一。而蒸汽机车是一种以蒸汽引擎作为动力来源的铁路机车,因此若没有蒸汽机的改良便不可能有这项交通工具的诞生。


蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展,但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求,如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进,不断扩大它的使用范围和改善它的性能,但是随着汽轮机和内燃机的发展,蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。然而小功率蒸汽机热效率比汽轮机高,所以在产煤区或只有劣质燃料的地区或某些特殊场合,蒸汽机仍有发挥作用的余地。


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