Паровая машина: Ньюкомен и Уатт

Отдельный конденсатор Джеймса Уатта, запатентованный 5 января 1769 г., позволил паровой машине выполнять ту же работу, сжигая примерно на две трети меньше угля.

Вода в шахтах

К 1700 г. Британия сжигала всё больше угля, а легкодоступные угольные пласты у поверхности истощались. Более глубокие шахты заполнялись водой, а откачивать её лошадьми было медленно и дорого. В 1698 г. Томас Сейвери запатентовал паровой насос, который назвал «Другом шахтёра», но он не мог поднимать воду высоко, а его котлы были опасны. Томас Ньюкомен, торговец скобяными товарами из Дартмута в Девоне, нашёл способ лучше. В 1712 г. он вместе с компаньоном Джоном Кэли построил машину для откачки воды из угольных выработок Конигри близ Дадли в Уэст-Мидлендсе. Её обычно признают первой удачной паровой машиной такого рода, а полноразмерная работающая копия сегодня действует в Музее жизни Чёрной страны на той же земле.

Как работала машина Ньюкомена

Машина Ньюкомена использовала вес воздуха, а не напор пара. Пар низкого давления из котла заполнял большой цилиндр под поршнем. Затем в цилиндр впрыскивали струю холодной воды. Пар конденсировался в несколько капель воды, оставляя частичный вакуум, и давление атмосферы снаружи толкало поршень вниз. Поршень был прикреплён цепью к одному концу огромного деревянного балансира; когда он шёл вниз, другой конец поднимался и тянул штангу насоса в шахтном стволе. Пар впускали снова, вес штанги возвращал балансир назад, и цикл повторялся около дюжины раз в минуту. Поскольку давление пара было таким низким, опасность взрыва котла была невелика. К моменту смерти Ньюкомена в Англии работало больше сотни его машин, а другие работали в Европе.

Проблема, которую увидел Уатт

Джеймс Уатт был изготовителем математических инструментов с мастерской при Университете Глазго, где химик Джозеф Блэк стал его другом и наставником. Зимой 1763–1764 гг. его попросили починить небольшую университетскую модель машины Ньюкомена, которая всё время ломалась. Уатт обнаружил, что около 80 процентов тепла пара тратилось лишь на то, чтобы снова нагреть цилиндр, остуженный каждым впрыском холодной воды. Решение, к которому он пришёл к 1765 г., состояло в том, чтобы конденсировать пар в другом месте. Отдельный конденсатор, постоянно холодный и соединённый с цилиндром трубой, вытягивал пар и превращал его в воду, а сам цилиндр оставался горячим. 5 января 1769 г. Уатт получил патент на «новый способ уменьшения расхода пара и топлива в огненных машинах». Музей науки называет это величайшим единичным усовершенствованием паровой машины.

Болтон и Уатт

Чтобы превратить модель в работающую машину, понадобились годы и деньги. В 1774 г. Уатт переехал в Бирмингем, а в 1775 г. вступил в партнёрство с фабрикантом Мэтью Болтоном, на чьём заводе Сохо работали квалифицированные мастера по обработке железа, нужные Уатту. Первые машины Болтона и Уатта начали работать в 1776 г.: одна откачивала воду на шахте близ Типтона, другая нагнетала воздух на металлургическом заводе Джона Уилкинсона в Брозли. С 1777 г. многие из этих машин продавали на медные и оловянные рудники Корнуолла, где уголь был дорог и экономия топлива была важнее всего. Машины с конденсатором Уатта сжигали примерно на две трети меньше угля, чем машины Ньюкомена. Затем Уатт придумал способы превращать движение балансира вверх и вниз во вращение, чтобы машины могли приводить в действие станки на фабриках, пивоварнях и металлургических заводах, а не только насосы. Патент Уатта действовал до 1800 г., а когда он истёк, другие производители бросились использовать отдельный конденсатор. Сегодня единица мощности, ватт, названа его именем.