瓦特的创举 分离式冷凝器

  蒸汽机是18世纪影响世界的一项伟大发明,引发了技术革命,具有社会历史意义和科学进步意义。而瓦特对蒸汽机的改进是一次非常重要的标志性事件。

  在瓦特之前,纽科门蒸汽机已经得到了小具规模的应用,但纽科门蒸汽机还有着很多方面的不足。如燃料利用率过低等,其工作原理很简单,是建立在当时两个得以验证的科学原理上的。其一是大气具有重压作用,从而使空气对凡是已将它排除的空间就无孔不入。早期的自然科学家们曾把这种结果,用一言以蔽之即“大自然憎恶真空存在”。其二,法国人丹尼斯·帕平(1647—1714)发明了一个制造真空的好方法,只要在一个密封容器内充满了蒸汽,那么空气就会被排出,而当这个密封容器冷却后,里面就会产生真空,因为蒸汽凝聚成水后所占的地方,只是密封容器全部容积中很小的一部分。这个原理也被纽科门用在了蒸汽机上。

  1764年,学校请瓦特修理一台纽科门式蒸汽机,不难想象,瓦特对于这一突如其来的天赐良机感到喜出望外,精神振奋。他通过阅读资料,获得了知识,这就使他很快能让这台发动机运转起来,但是他对这台发动机的运转情况却很感失望。因为这种蒸汽机存在两大缺点:活塞动作不连续而且慢;蒸汽利用率低,浪费原料。

  对于燃料利用率低下的问题,瓦特早就读过关于这一方面的权威性论述,其中指出,汽缸经喷注水冷却以后,要不断被重新加热,在此期间,以蒸汽形式产生并使用的部分热量便被浪费掉了。这台发动机模型耗费的蒸汽如此之多,以至超出了那只使之运转的小锅炉的能力,而一次只能完成几个冲程而已。此后,瓦特开始思考改进的办法。

  1765年春天,瓦特在一次散步时突然灵光一闪,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。

  瓦特的这一重大构思就这样形成了,他急得手指发痒,跃跃欲试,想先搞出模型来,就在第二天,他便开始动手制造了一个装置,尽管这个装置设计简单、制作粗糙,但却能够使他对他的新理论进行检验。现在同瓦特的其他的一些模型一起保存在科学博物馆里的这个装置,被认为是分离式冷凝器原理的第一次历史性的应用。

  这个装置是由三个直立排列的圆筒状主要部件组成的。首先是一个装有保温套的封闭式蒸汽汽缸,另外还配有一个活塞和一个活塞杆,这个活塞杆的下端通过一个填料函伸出来,头上带有一个挂钩,用来提升供试验的重物。这个汽缸的旁边是冷凝器部件和气泵筒,这两个部件在其底部,由一个作为冷凝器一部分的长方形水箱把它们连接在一起。

  瓦特首先往冷凝器里倒冷水。然后,他使蒸汽通过一条管子以及与汽缸顶部相连接的管子注入汽缸,里面要排除的空气便从冷凝器顶上一个简单的单向阀泄出。当蒸汽开始从这个阀门喷出时,就表明汽缸里已经充满了蒸汽。于是关闭蒸汽开关,气泵活塞便升起,在冷凝器里造成部分真空。这就使得蒸汽从汽缸进入了冷凝器,并在这里通过冷却,水得到冷凝,这样就在活塞上部的汽缸里造成了真空。由于在蒸汽缸套里处于大气压下的蒸汽是与活塞下面的汽缸相通的,所以必然会把活塞推向汽缸顶部。当蒸汽再次进入汽缸顶部时,活塞两面的压力便均衡了,结果,加在活塞杆上的重压就会使活塞再次返回底部。于是,这种循环就又开始了。

  显然,这个小模型用这种方式只能运转几个冲程而已,因为冷凝器里的水很快就会变得太热,从而无法使蒸汽有效地冷凝下来。不过这运转几个冲程,就足以向这位欢欣鼓舞的发明家证明:他的设想是行得通的;他使两种看来互相对立的条件一致起来,即既要保持汽缸的恒热,又要在汽缸里造成有效的真空。

  瓦特在证实了自己的观点之后,他的当务之急便是设计和制造一个高效率的冷凝器。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。

  此后三年多的时间里,瓦特克服了材料和工艺等各方面的困难,终于在1769年制出第一台样机。同年,瓦特因这种带有分离冷凝器的蒸汽机而获得他的第一项蒸汽机专利。

  自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机后,瓦特就看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病,而活塞只能作往返的直线运动才是根本局限。经过十年如一日的研究,1781年底,瓦特因带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二项蒸汽机专利。

  然而瓦特并没有停住革新的脚步,1782年,瓦特设计了一种带有双向装置的新汽缸,并获得第三项蒸汽机专利。瓦特把原来的单向汽缸装置改装成双向汽缸,并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽,这是瓦特在改进纽可曼蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过三次技术飞跃,纽可曼蒸汽机进化成瓦特蒸汽机。

  这种高效率的蒸汽机很快取代了旧式的蒸汽机,从此,动力机、传动机和工作机组成了机器生产系统,成为工业化的核心。 由于瓦特对蒸汽机进行了革命性的改造,所以人们认为是他发明了第一台有实用价值的蒸汽机,为了纪念他的伟大发明,人们把功率计算单位称为——“瓦特”。

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