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发展进程的技术长文,试图从蒸汽机的技术进步细节中去找到工业革命诞生的答案。
古希腊希罗在公元1世纪设计出“风神轮”汽转球,它的确利用了水蒸汽之力,但这玩意同近代的蒸汽机是两个东西,关键部位驱动传递部分则绝对没,只能说这是玩具蒸汽机械,。
近代蒸汽机的原理:利用水蒸汽进入气缸内推动活塞做往复直线运动,然后降温冷却使水蒸汽冷凝液化,产生真空,真空与大气压的压力差使得活塞回位。这样重复使得活塞往复直线运动,实现不间断的机械驱动。
近代蒸汽机的最早是法国人丹尼斯·帕潘于1690年设计出活塞式蒸汽机模型。真正改进成熟能实现工业化普及的是英国人瓦特制造的旋转式蒸汽机及18世纪初出现的高压蒸汽机。这一百年期间经历了其他许多人的不断改进。
下面我将详细谈谈蒸汽机的各种技术改进历史与其社会工业环境的互动影响,技术改进细节方面可能非理科生看着有点吃力。
1.丹尼斯·帕潘(英文名Denis Papin,有些将其翻译成丹尼斯·巴本)对蒸汽机的贡献
帕潘之所以能设计出近代第一台蒸汽机模型,是因为当时的西方对大气压和真空有了比较科学的认知,以及他特别的经历。
古希腊哲学家亚里士多德说:“世间万物之中除了火和空气以外均有各自的重量”、“自然界厌恶真空”。西方很长一段时间受此影响,认为空气是没有重量的,真空存在与否也有质疑。
大约在16世纪末到17世纪初,托斯卡纳大公(属意大利)聚集一帮工程师制造扬程约15米的抽水泵,结果发现达到约9米就是极限。于是他们又请来了著名物理学家伽利略。伽利略也没解决这个问题于1642年去世,他的学生托里拆利接手。托里拆利也是意大利物理学家。
从1643年开始,托里拆利采用多种液体做了大量实验,实现了真空,证明了空气具有重量。他宣称大气施加的压力约等于0.76米长的垂直水银柱的压力,正是大气压力决定了抽水泵的扬程,并以此发明水银测压计。这个实验我们中学都做过,学界称为“托里拆利实验”。
我们现在都知道1个标准大气压的大小为约76cm水银柱或10.3m水柱,当时西方人长期受亚里士多德影响,还未完全接受托里拆利的实验结果。
1654年,德国物理学家冯·居里克(英文名Otto von Gue-ricke,有些翻译成格里凯)在担任马德堡市市长时进行了著名的马德堡半球实验。他将两个铜半球用油脂密封对接,再用自己发明的真空抽气机抽出空气,然后用16匹马将两个半球拉开,发生巨大的声响,人们感叹大气压这么厉害啊!这个实验使得人们接受了真空和大气压力的概念。
1662年英国化学家、物理学家波义耳发现气体的体积与其气压成反比的定律。
惠更斯则希望通过黑火药爆炸来获得真空。惠更斯是荷兰物理学家,近代自然科学的一位重要开拓者。他改进了计时器,发明惠更斯摆钟。
1680年,惠更斯设计出一个起重装置。他采用气缸+活塞结构,先将活塞提升一定高度,活塞上的绳索牵引重物(绳索可能套在滑轮上)。然后利用黑火药在气缸内爆炸产生真空,大气压使得活塞在气缸内向下运动,以提起重物。气缸+活塞结构,就是蒸汽机的雏形。
1681年,法国物理学家帕潘设计出高压锅,为防止高压锅爆炸又设计出安全阀,帕潘因此成名。惠更斯在试验起重装置时,帕潘就是其助手。
这个起重装置因黑火药爆炸之后要产生气体,气缸内真空度并不令人满意。加上比较危险,试验也就没能进行下去。不过这对帕潘产生了启发,考虑用水或其他物质代替黑火药。
帕潘早年为路易十四的花园成功设计过一种新型水泵。波义耳邀请他去英国研制蒸汽泵,成为波义耳的助手。
英国之所以迫切需要更大动力的抽水泵,是因为煤炭需求增加使得矿井越挖越深,矿井越深积水越多。当时主要靠马拉辘轳来排水,甚至不惜用河流改道、筑起高坝以水力驱动机械来解决。马拉辘轳,一个煤矿需要养几百匹马来排水(畜力抽水机械见下图),排水费用非常高。
煤炭需求量大,但却价格高企,造成了民间的不良情绪,使得采煤被普遍认为是令人厌恶的行当,以致当时的英国诗人总是让歌剧院舞台上的演员一见到海运煤矿主就远远躲开。所以,发明一种新动力源驱动排水以降低成本,在煤炭产业中的愿望是前所未有的。一位煤矿专家在经历许多次蒸汽实验失败后声明:如果谁发明了一种经济可行的蒸汽机,能够帮助矿厂主们排出矿井中的积水,那他将得到丰厚的奖赏,可以定居伦敦,并有六架马车伺候。
英国拥有丰富的煤矿资源,是欧洲露出地表的煤层最丰富地区。然而,从历史文献中找不到中世纪的欧洲有关煤的只言片语,以致马可波罗在中国看到用“黑色石头”当着燃料感到非常惊讶。
到1500年,高炉炼铁生产出1.2吨生铁,所需的木炭大约是其两倍。由于英格兰人口增长、造船业及其他制造业的发展,木柴和木材供应压力增大。16世纪,不列颠森林砍伐特别严重,遭到当地居民的愤怒,甚至当地的那些铁器制造商和造船商要被保护起来以免被伤害。不列颠迪恩森林的木材被限制用于建筑和烧炭上,威尔德铁工业壮大,对木材价格大涨不断抗议。但最终还是造成了威尔德和迪恩森林地区的钢铁工业的衰败。到伊丽莎白一世统治结束时(1603年),伦敦木柴和建筑木材的价格涨得厉害。
人们转向用煤炭替代。17世纪早期,英国已广泛使用煤炭,不仅英格兰和苏格兰的家用壁炉使用煤,还有洗衣房、烹饪,产业方面用于煮盐、制造玻璃、烧制砖瓦,以及制造船锚、烟斗、染料、制帽、制糖、酿酒。
当然也有许多工业方面无法用煤替代,这需要新的生产技术出现。比如玻璃制造,从1605~1620年间,经过不断探索设计出一种新的熔炉,将玻璃原料与煤炭燃烧的烟和火隔开,得以大规模生产平板玻璃。对于炼铁方面,煤炭还无法应用,因为冶铁工序较多,煤炭成分复杂,其燃烧产生的杂物会破坏铁原料,这需要新的技术来解决。
到1660年王政复辟时期,伦敦进口煤较1580年增长了20多倍,大不列颠每年总共可产煤200万吨,可能是世界上其他地区总产量的5倍。伦敦拥有难以计数的酿酒厂、肥皂和淀粉作坊、砖瓦厂、制糖厂、制陶厂和玻璃熔炉。那些来伦敦参观快速扩张城市的外国人,他们看到了在世界其他任何地方都没有的这番景象:千千万万家庭和成百上千家工厂里释放出来的污浊烟雾,悬浮在都市上空,沿街漂移。他们对此震惊不已,认为伦敦已变得不适合居住了。英格兰艺术家伊夫林(1620~1706年)也认为伦敦已不适合居住而离开。}
1690年,帕潘制作出了活塞式蒸汽机模型。其构造也很简单,一根直径约60厘米的直管竖立,下端封闭,直管内装一个带连杆的活塞。这是借用了惠更斯起重装置的结构,直管就相当于气缸。
其原理是:先关闭排水阀门和进水阀门,然后将气缸内注入一定量的水,通过加热气缸使水汽化产生水蒸汽,水蒸汽形成气压推动活塞向上直线运动到顶部,用钩子吊住连杆,不让活塞往下运动。然后停止加热,水蒸汽慢慢冷凝液化,气缸内产生真空。打开进水阀门,大气压把河水压入气缸内后关闭进水阀门。再放开钩子,打开排水阀门,大气压作用于活塞使得活塞又向下运动,河水被排出。再重复上述过程,以实现活塞的往复直线运动。
这就是近代蒸汽机的基本原理。当然,这只是停留在简单的模型阶段,并无法投入实践应用。
理论上,帕潘蒸汽机是可以把河水抽往高处的。可能是由于受限于当时的制造和加工技术,气缸与活塞之间的间隙过大,无法保证气缸内足够的真空度(大气压与气缸内气压之差),导致水从河道抽不上来。或者说投资人看不到希望而撤资,帕潘也就没有独自继续去研究试验怎么密封气缸与活塞之间的间隙,使模型不能投入实践应用。这个最多算具有近代蒸汽机意义的概念机。
帕潘活塞式蒸汽机算是无效投资的案例,投资人肯定是亏了,但他却为后来的蒸汽机思路开辟了新道路,这个巨大意义恐怕是当时的人无法知道的。所以说,不能容忍失败的企业或者国度是不可能引领未来的。
遗憾的是,这种很有前途的活塞式蒸汽机被帕潘放弃了。1705年,帕潘转而投入到新出现的萨弗里无活塞式蒸汽泵的改良。
2.托马斯·萨弗里(英文名Thomas Savery,有些翻译成托马斯·塞维里)发明第一台适用于矿井抽水的无活塞式蒸汽泵
1698年,萨弗里不要气缸+活塞,改用锅炉+2个蛋形容器(某些增设一个备用的辅助锅炉)。
第2步,阀门3打开,其余阀门全部关闭。锅炉内水蒸汽通过水蒸汽管道向容器A输送水蒸汽,使容器A内充满水蒸汽。然后关闭阀门3,打开阀门7往容器A喷冷却水,冷却水使容器A内的水蒸汽降温冷凝液化产生线步,容器A
阀门4打开,水蒸汽进入并充满容器B。然后关闭阀门4,转向给容器B喷冷却水,冷却水使容器B内水蒸汽降温冷凝液化产生线步,容器B降温冷却需要一点时间。这个间隙,容器A内的水蒸汽已
产生了线打开,大气压将河道河水经进水管道压入容器A内。然后阀门5关闭,阀门3、6打开,水蒸汽再次进入容器A内,将容器A内的河水压入排水管道,排水管道通往高处,河水排入排水渠。第5步,先关闭阀门1、6,容器A内又充满了水蒸汽,再关闭阀门3。转向给
喷冷却水,使容器A内的水蒸汽降温冷凝液化产生线步,容器A降温冷却间隙,容器B内的水蒸汽已冷凝液化产生线打开,大气压将河水经进水管道
容器B内。然后阀门5关闭,阀门4、6打开,水蒸汽再次进入容器B内,将容器B内的河水压入排水管道,河水排入排水渠。第7步,先关闭阀门2、6,容器B内又充满了水蒸汽,再关闭阀门4。转向给容器B喷冷却水,使容器B内水蒸汽降温产生线步。
下面就是不断重复循环,水也就间断而连续的从河道抽到了高处。其操作需要给锅炉加煤炭、控制阀门的开闭、转向喷冷却水,需要人手也并不多。可以看到:将河水压入容器的高度取决于大气压和
容器内河水压到高处,这个高度取决于锅炉提供的水蒸汽气压与大气压的差值;早期的蒸汽机锅炉
低气压(高于且接近一个大气压),也就是说水蒸汽不可能把容器内的河水压入到比它高的10.3米处。所以,它的扬程至多20米。萨弗里将之称为“蒸汽机”。但他没有活塞,不能驱动其他设备,也就无法算着原动机(又称驱动机或发动机),只能抽水。实际上这是一台蒸汽泵。
萨弗里蒸汽泵作为一种低扬程的抽水机,还是比较成功的。他不仅用于矿井抽水,还被用于大型建筑供水,以及把水抽往高处给水车提供水源。这是蒸汽机械的第一次成功实践应用,萨弗里也获得了英国“矿工之友”的专利。萨弗里蒸汽泵
阀门。前面也提到过,帕潘在1681年为高压锅发明了安全阀,阀门种类也多了起来。(我注意到蒸汽机大量用了阀门,以后的蒸汽机能实现自动化,肯定跟阀门技术
阀门的互动关联深入延展下去,但关于阀门的发展进程暂时无法找到资料,无法延展下去,非常遗憾!)萨弗里蒸汽泵给容器喷冷却水带走大量热量,热效率很低,燃料消耗很大,1马力每小时消耗煤炭达80千克,不太经济。萨弗里对其作了改进,受德萨居利耶(Desaguliers)影响,冷却水管通向容器内。 鉴于扬程低的缺点,萨弗里试着用更高压力的蒸汽提高扬程,但是锅炉提供的水蒸汽气压上升,意味着水的沸点也会上升,容器温度也会上升,受限于当时的材料及焊接工艺等影响,高温高压下焊缝出现问题,以至于要将设备的连接处炸开。要再提高扬程变得非常困难。
纽可门活塞式蒸汽机出现后,萨弗里蒸汽泵就变得无足轻重了,到18世纪早期即被逐渐废弃。3.托马斯·纽可门(Thomas Newcomen)建造出第一台实用且可靠的活塞式蒸汽机纽可门是英国人,起初做过铁匠,据说受教育程度并不高。
纽可门投入到蒸汽机的研究试验目的还是奔着矿井抽水去的。1712年,纽可门
和萨弗里无活塞式蒸汽泵的优点,把两者的抽水功能与蒸汽驱动相结合,采用锅炉+2组(气缸+活塞)结构。这台蒸汽机的专利上也有
是作为抽水用的,暂且叫泵体缸吧;右边的气缸底部是连接锅炉的,暂且叫蒸汽缸吧。传动机构是中间的那个
蒸汽缸内以喷冷却水。还有若干阀门。工作原理:第1步:所有阀门处于关闭状态,泵体缸内活塞处于上端极限位置,泵体缸内处于真空状态;蒸汽缸内的活塞
锅炉加热积蓄水蒸汽。第2步,打开泵体缸上的进水管道阀门,河水被大气压压入泵体缸内;然后关闭进水管道阀门,打开排水管道阀门(动画中排水管道出口位置太低,实际上可以放到更高处)。第2步:蒸汽输入管道阀门
蒸汽缸内输入水蒸汽,推动活塞向上运动到极限位置。与活塞相连的叉形摇杆逆时针旋转,带动泵体缸内活塞向下运动到底部,挤压泵体缸
排水管道,河水被排走。第3步:关闭泵体缸上排水管道阀门和蒸汽输入管道阀门。打开冷却水管道阀门,喷入一定量冷却水即关闭此阀门。冷却水进入蒸汽缸内降温,水蒸汽冷凝液化,蒸汽缸
真空。大气压推动蒸汽缸内的活塞向下运动到底部,带动叉形摇杆顺时针旋转,接着带动泵体缸内活塞向上运动到极限位置。泵体缸内又形成线步:此时所有阀门都处于关闭状态,泵体缸内活塞处于上端极限位置,泵体缸内处于真空状态;蒸汽缸内的活塞处于蒸汽缸底部。循环到第2步。后面就是不断重复循环上面的过程,实现
不断往复运动,不断循环,将水抽到高处。动画中烟囱旁多出一个与蒸汽缸连接的箱体。这个循环过程中,水蒸汽会在蒸汽缸内冷凝液化(简称冷凝水),再通入水蒸汽时,冷凝水吸热会浪费大量热量,降低热效率。这个箱体就是用来排冷凝水的。这个动画中的结构并不完整,还差2个部件:部件1,动画中还缺少一个气缸-活塞密封装置。气缸是铸造出来的,铸造表面凹凸不平很常见。当时没有加工
内圆的镗床,靠人工打磨也只能把内表面打磨光滑,很难控制内表面各处的尺寸都精确一致,难以保证
与活塞能贴合无缝。所以,活塞与气缸内壁局部间隙较大,水蒸汽会大量溢出降低了效率,而且空气进入
。为了密封气缸,纽可门用了一个皮制圆盘套在活塞上方,与气缸内壁紧密贴合,上面再保持一定量的水位。水具有微弱的粘性,水渗透入气缸与皮制圆盘之间的微小间隙而黏住,这样就把空气与气缸内隔绝了,实现了气缸-活塞间的水密封。当然这种密封是无法承受高压蒸汽的,纽可门蒸汽机提供的蒸汽气压为低压,也仅为1个大气压。>
部件2,给冷水箱提供水源的小型水泵。冷水箱在高处,为蒸汽缸内提供冷却水,冷却水不断消耗,人工加水太麻烦,纽可门就设计出这种小型水泵。它跟自行车打气筒差不多,区别是一个靠人工打气、一个自动打水。把小型水泵淹没于河水中,与手柄连接的杆(不要手柄)直接套在蒸汽机叉形摇杆上,叉形摇杆带动其一上一下运动,也就实现了自动打水。当然,这里面需要单向阀
能吸入河水是因为其内存在线米水柱;所以,泵体缸距河面的极限高度就是10.3。其二,泵体缸内活塞给其内河水的压强与大气压的差值;活塞给河水的压强与蒸汽缸
活塞面积及水蒸汽气压成正比,与泵体缸内的活塞面积成反比;也就是说尽管早期蒸汽机锅炉能提供的蒸汽为低气压(高于且接近1个大气压),但通过调整两个活塞的直径,泵体缸内的河水可以获得若干倍于大气压的压强;那么泵体缸内的河水可以抽往距泵体缸的高度是若干倍于10.3米。其结果是,只要设计合适,纽可门蒸汽机能把河水抽往若干倍于10.3米的高度。显然,纽可门蒸汽机如果仅仅作为一款抽水机来看的话,其优越性是远高于低扬程的萨弗里蒸汽泵的。萨弗里也承认了这点。英国北部的矿厂因越挖越深,积水淹没了煤矿,矿厂濒临绝境,纽可门蒸汽机的出现拯救了他们。纽可门蒸汽机无可争议的占领市场长达60多年。纽可门建造的这台蒸汽机,活塞每分钟往复12次,能将约230千克水提升到46.6米高处;同样的时间,用马匹来完成这个运量,约需要5.5马力(注:当时还没有功率单位,所以这个马力不是功率单位,指需要5.5匹马)。如果新建造一台,选取泵体缸(活塞)直径0.254米、蒸汽缸(活塞)直径约1米、活塞
我注意到上面那张纽可门蒸汽机外形图,叉形摇杆与两个活塞连杆的连接方式都是用的铁链,而不是原理示意图中的连杆
叉形摇杆直接连接(纽可门蒸汽机似乎都用的铁链)。铁链只能传递拉力,不能传递推力,所以叉形摇杆是无法推动泵体缸
活塞挤压河水的,河水也就无法获得若干倍大气压的压强。为了解决这一个问题,又在铁链之下吊了一个重物,靠其重力来施加压强,如果这个重物足够重,再配合调整两个活塞的面积,也能达到效果。当然,这个结构适用于低压蒸汽机,高压蒸汽机需要更重的重物,看起来就比较危险了。传说1713年操作纽可门蒸汽机的童工实现了自动控制阀门,但这未被证实。纽可门蒸汽机的抽水部分和蒸汽驱动部分是可以很容易分开的,蒸汽驱动部分能够用于驱动一些其他设备(尽管除抽水以外能驱动的设备很有限),所以它是一种原动机(驱动机),这种进步无疑对进入机器时代有很大意义。这是塞维里蒸汽泵无法做到的。1733年,纽可门蒸汽机
1765年,煤矿工程师威廉·布朗在英格兰北部泰恩河畔的煤矿场建造了当地最大的纽可门蒸汽机
气缸直径约1.9米,长3.2米,需要3台锅炉供应蒸汽,还有1台备用,需要3根冷却水管通入蒸汽缸内冷凝水蒸汽。其密封结构也有所改进,越大的设备,铸造出的表面凹凸越大,水密封越困难,他们不再用气缸-活塞水密封,改用麻绳填充密封(这种密封即填料密封,现在一些设备也在用)。1769年,英国工程师约翰·斯米顿
斯米顿年轻时家乡附近的一座煤矿中使用的纽可门蒸汽机,因此对蒸汽机产生了兴趣,后来从事专业工作中对纽可门蒸汽机越来越不满意。1767年他自己设计了一台蒸汽机,但效果并不好。1769年他又在自己的工场建造了一台试验用的蒸汽机。接着,他搜集到了118台蒸汽机的性能资料,以从事研究计算。这以前,没有人用科学计算去分析蒸汽机,他们依赖的是实际操作的经验。斯米顿是首位关注蒸汽动力的科学工程师,他所推算的蒸汽机功率(以消耗的煤重量来计量)成为以后的一种计量方法。为了获得更高性能的蒸汽机,他发现气缸
气缸加工内圆,1772年斯米顿又专门为卡伦制铁公司设计出了一台镗床。因此,斯米顿将纽可门蒸汽机的效率提升了一倍,使其效率达到了大气式蒸汽机(利用了大气压之力的蒸汽机,帕潘蒸汽机、萨弗里蒸汽泵、纽可门蒸汽机均属于此类)的最高点。纽可门蒸汽机热效率仍然很低,只有0.5%,经斯米顿改进后能达到1.4%。消耗煤炭较多,每天需要50匹马来运送煤炭,而且安装一台需要约1500英镑,这是一笔很大的资金支出,对于大型企业还是可以接受的。要继续推广应运用很难深入下去。后人统计,萨弗里设计的“矿工之友”蒸汽泵功率只有745瓦;1732年法国制造的纽可门蒸汽机功率约8.9千瓦;1772年,斯米顿设计的长本顿蒸汽机(属纽可门蒸汽机)功率达到30.2千瓦。而1682年法国国王为给凡尔赛提供水源建造了巨大的马尔利水车,潜在功率达到92千瓦,实际运行功率不低于55千瓦。可见此时,要蒸汽机完全代替水车是不可能的。>
联合使用的情况。因为纽可门蒸汽机无法提供匀速运动,也就无法直接用于驱动棉纺等工业,但可以用纽可门蒸汽机将水抽往高处,从高到低的水流带动水车旋转,水车再驱动设备来实现匀速运动。英国殖民扩张,带来了新的广阔市场,纺织业的扩张使得生产扩大,仅靠天然河流驱动
詹姆斯·瓦特(James Watt)对蒸汽机的改进英国工程师瓦特出生于1736年,其祖父是机械工人,父亲曾经是造船厂装配工人,可谓出生于机械世家。因父亲经商破产,瓦特18岁就去做了机械工学徒,学徒期未满就学会了制造难度较大的航海仪器、经纬仪等。1757年,瓦特到格拉斯哥大学修理教学仪器,结识了化学家布莱克教授,并在学院大楼中设立工场。1763年,格拉斯哥大学有一台纽可门蒸汽机模型坏了,瓦特负责修理。他发现这台蒸汽机模型消耗的蒸汽量如此巨大,以至于活塞
瓦特继续对蒸汽机的研究,到1765年他观察到:高温(严格的说并不算高温,只是相对于100℃算高温)水蒸汽进入气缸后,与气缸直接充分接触,气缸受水蒸汽热传递温度不可避免要上升到高温,为了得到真空又喷入冷却水,水蒸汽冷凝液化(简称冷凝水
气缸温度也跟着下降。进入下一个循环,多出冷凝水吸热汽化,需要更多的水蒸汽进入气缸
气缸了。如果再增加一个冷凝容器与气缸连接,冷凝容器内始终保持低温和真空,则气缸内的水蒸汽会立即涌入冷凝容器,之后冷凝液化。这样冷凝过程在冷凝容器中发生,就尽量减少了气缸的热量损耗,气缸得以始终保持高温。但要使气缸始终保持高温,还存在三个问题:第一,大气通常是流动的,尤其是温度不均匀的大气。大气与处于高温的气缸和活塞接触被加热,会加剧空气流动,带走大量热量,使得气缸无法保持高温。瓦特认为要尽量不让气缸、活塞与大气接触,解决办法是给气缸设计一个气缸盖,气缸
木板。第二,纽可门蒸汽机气缸密封采用气缸-活塞水密封,活塞上面有水位,如果气缸及活塞始终处于高温使得水蒸发掉,带走了大量热量,这比冷凝水带走的热量恐怕也并不少,影响到了气缸保持高温。瓦特意识到这种密封必须放弃(前面说了,威廉·布朗设计的纽可门蒸汽机就没有用水密封
麻绳填料密封,可能瓦特还没接触到这种密封的蒸汽机)。瓦特的解决办法也是用麻绳填料密封。他将麻绳圈在活塞的凹槽上,再用螺栓拧紧压板将麻绳压紧,当气缸内活塞上部通入蒸汽时,蒸汽气压进入麻绳与活塞
麻绳的力使之与气缸内壁紧密贴合,实现气缸与活塞的密封。它与布朗设计的麻绳填料密封的区别在于是否施加了蒸汽气压。所以,瓦特这种密封对气缸加工精度要求更高。活塞杆与汽缸盖的密封亦然。>
第三,如何让冷凝容器内始终保持低温且真空?瓦特的办法非常巧妙。用了一根10.3米长(1个标准大气压水柱)的
细管中的水柱不会排出。当气缸中的水蒸汽涌入冷凝容器后,经过冷凝液化成冷凝水,水柱的总高H
冷凝水的高度L加上细管中水柱的高度10.3米)就超过了1个标准大气压水柱的高度,冷凝水被排出。当冷凝容器中的冷凝水被排干,总高H等于1个标准大气压水柱的高度,不再排水。这样,就可以实现自动排出冷凝水。同时,细管内水柱一直都存在,冷凝容器一直没有与大气接触,始终保持真空(如果一根细管排冷凝水不够,可以安装多根细管)。但是,冷凝容器多少也会吸收蒸汽的热量而温度升高。瓦特则将冷凝容器淹没于冷水池中,这样就能使冷凝容器保持低温。(运行久了,冷水池会变成热水池,但其温度还是远低于水蒸汽的,不影响冷凝容器内水蒸汽冷凝液化)>
做了一个粗糙的冷凝容器模型以试验,其结果符合他的期望。但又担心长期使用后,水中的杂质产生沉淀物,附着在冷凝容器内壁堵塞细管,于是瓦特取消了细管,将冷凝容器缩小,用了空气泵来排空冷凝容器。
相比于纽可门蒸汽机,瓦特改进后用到了螺栓这一连接件。{关于螺纹加工的历史扩展:西方在公元前5世纪就有螺丝钻,当然这时只能钻木料。达·芬奇(1452~1519年)第一个记录了螺杆使用的现代概念,他的笔记中有很多长导螺杆的草图。
达·芬奇的螺纹加工机主要还是木材结构,只能加工木杆的螺纹。16世纪,法国人贝松
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这些螺纹机械存在于他们的草图中,并无法用于实践,最多算概念机。即便是应用,其骨架为木材构架,恐怕受限也很大。
这种机床或许能摆脱当时严重依赖工匠技术的不稳定状态,但它是否用于过实践也不得而知。此时欧洲连加工铸铁螺杆都无法令人满意,钢制螺杆就更不要说了。
蒂乌特设计出为钟表芯轴加工精密螺纹的车床。还出现了在轮子上切螺旋齿的机器。>
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这些加工螺纹的车床,螺纹质量依然取决于操作者的技术水平,很不稳定。1770年,英国工程师拉姆斯登
这时的螺纹车床仍使用然很有限。到18世纪末,工程领域开始有螺纹车床供人们使用。1797年,英国人莫兹利
瓦特蒸汽机的气缸是多个零件需要配合装配而成,这种配合在现在看来不值一提。瓦特
气缸,其直径误差达到9.5毫米。这种误差,即便是麻绳填料密封也不足以让活塞
镗床。斯米顿镗床是用水车驱动的,镗杆(轴)与齿轮轴连接旋转。方形块固定着轴承作为镗杆的支撑点,方形块似乎固定在枕木上。镗孔的刀具装在与镗杆一体的圆盘上,被加工零件固定在导轨上面的小车上,通过手摇拉动链条、齿轮带动小车运动实现进给。>
斯米顿镗床斯米顿镗床对于加工一些矮小的零件精度或许还可以,加工面稍长,则镗杆长长的支出,还有一个较重的刀具圆盘挂在上面,镗杆轴线会垂直下弯(力学用词挠度)),也就是说零件最底部吃刀最深,顶部吃刀最浅。为了使加工出来的圆柱面轴线在原来位置,工人们通常的做法是零件每次加工完翻转90度再加工,这样加工4次,就尽可能的减轻了这样的一个问题。
但是,对于大型气缸,即便这样也无法满足瓦特的精度要求。斯米顿告诉瓦特:“现今既没有工具又没有工人能够制造如此复杂而十分精确的机器。”瓦特甚至用在硬木块上锻打后的锡来做
罗巴克对煤矿排水比较感兴趣,自然对蒸汽机的作用有相当认识。罗巴克同意对瓦特提供支援,但要对其专利收益收取三分之二的份额,瓦特
瓦特到伦敦出差。伯明翰头号制造商博尔顿因工厂缺水,对蒸汽机很感兴趣,于是瓦特是拜访了他。1773年,罗巴克破产,其拥有的专利权转让给博尔顿。瓦特又带着试验机去伯明翰,将全部精力投入到开发中。1774年,英国铁器制造商约翰·威尔金森
威尔金森又制造了一台加工大型缸体的镗床,其镗杆达到4.5米长。>
威尔金森镗床这种镗杆较长的镗床的难点在于保证刀具的旋转轴心始终在同一水平直线上。其自重也会使得轴心垂直下弯;被加工的圆柱面直径越大,刀具距旋转中心越远,切削时气缸反作用于刀具的力经杠杆作用加持给旋转轴(镗杆)的力就越大,要保持旋转轴心不变越难;被加工的圆柱面越长,刀具距支撑点就越大,同样因为杠杆作用加持给旋转轴(镗杆)支撑点的力就越大,越难以稳固。
相较于斯米顿镗床,威尔金森的改进有:轴承支撑点的方块镶嵌入基础地板中,增强稳固性;用两个轴承作为支撑点套在轴(镗杆)的两端固定,增强了旋转中心的稳定及减轻下弯;轴靠近水车端为一小段小轴,后面为大轴,大轴不仅增强抗变形能力,还减轻了下弯;这里没有导轨车,拉动导轨车进给自然不可能,他用锁链将
固定在支架和地板上,所以气缸是没法动的,用的是手柄摇动通过齿轮啮合带动螺纹杆推动刀具进给(这个进给方式我也看的不太懂)。
博尔顿劝说瓦特为威尔金森建造一台给高炉鼓风的蒸汽机,利用威尔金森发明的镗床,达到了瓦特要求的气缸镗孔精度极限。
活塞上的有效压强是0.47个标准大气压,而他自己的蒸汽机则达到0.7个标准大气压。
瓦特与博尔顿两人之间必须要有一个人专门待在场地负责接待。瓦特蒸汽机取得极大的成功。在二十年里,瓦特所有的蒸汽机气缸都是由威尔金森铸造和镗孔的。
冷凝容器的专利权只剩八年,在博尔顿的建议下,瓦特向议会申请到将专利权延长到1800年。
瓦特初期制造的蒸汽机气缸内活塞上方接通锅炉,水蒸汽气压推动活塞向下运动,活塞下方接通冷凝器,不直接接受锅炉水蒸汽,靠重物拉活塞向上运动。所以又称“单作用式蒸汽机”
工作原理:>
第1步,阀门1、3处于关闭状态,阀门2处于打开状态,气缸内活塞上方与下方接通,无气压差。连杆(较重)
活塞上方,活塞上方气压升高。同时,活塞下方的气体进入冷凝容器,空气泵又将冷凝容器排干,活塞下方形成真空
真空的双重作用下,活塞向下运动,直到运动到下端极限位置。(这里的空气泵类似于一个自行车打气筒,只不过自行车打气筒是打气的,这个空气泵应该还有排冷凝水的作用。空气泵的泵杆与叉形摇杆通过铁链连接,叉形摇杆上下摇摆以实现空气泵的自动排气)第3步,关闭阀门1、3,打开阀门2。循环到第1步的操作,这样就不断往复循环,实现活塞的上下往复运动。可以看到:阀门1和阀门3的状态(打开或关闭)始终一致,它们与阀门2的状态相反。瓦特使用了升降式阀门,用杆件实现阀门与泵杆的上下联动,实现了阀门开关的自动化。试想一下,在活塞
阀门,这是非常困难的,只能降低其往复频率,以便于人操作,这对蒸汽机的效率来说肯定是非常大的损失。瓦特这一改进这对蒸汽机能实现自动化非常关键。1778年,索霍产的瓦特蒸汽机
瓦特蒸汽机依然是低压蒸汽机(蒸汽气压高于且接近1个大气压),就输出功率而言,其比纽可门蒸汽机并没有优势,主要还是在于效率高,节省煤炭。斯米顿改进后的纽可门蒸汽机热效率1.4%,瓦特蒸汽机在1775年热效率就达到2.7%,1792年则提升到4.5%。正是由于瓦特蒸汽机的出现,摆脱了蒸汽机基本只能用于抽水的局面,蒸汽机作为一种动力输出的原动机(驱动机、发动机)屹立于工业市场。直到17世纪,西方炼铁
水车驱动。水车驱动鼓风机进气,更足的充气量能提高铁产量,还能使铁矿石更好的熔炼去除熔渣,这样才能制造铸铁,如此制造的熟铁质量也更好。1709年,英国人亚伯拉罕·达比
科尔布鲁克代尔(地名)利用当地含硫量低的原煤首次炼焦成功,将原煤的硫含量再次降低,使得煤炭可以炼成焦炭用于炼铁。焦炭
科尔布鲁克代尔的那样低,焦炭炼制的熟铁并不比木炭炼制的便宜,所以在1750年以前炼铁的燃料依然主要是木材。实际上,1701年伦敦的医生兼化学家赖特就发明了冲天炉,使得铁不与煤接触,避免了煤中的杂质对金属造成不利影响。但他的贡献很长一段时间竟不为人知。焦炭炼铁受到重视起于军事因素,当时焦炭炼铁普遍的使用的是:封闭式炼焦炉
焦炭,然后用焦炭在鼓风炉中熔炼铁,经此炼出的铁再熔化铸造成铁器。这样出来的铁器铁质更均匀、更纯净。这被皇家海军所重视,铸造出的大炮性能更佳。1775年法国准将乌利耶去英格兰学习,其报告说在过去二十年里英国海军的大炮没有一门发生过炸膛。焦炭
焦炭炼铁的大规模应用无疑需要更大的驱动机。瓦特蒸汽机的发明,使得其应用于炼铁设备鼓风机的驱动,不再依赖受水资源限制的水车,焦炭炼铁战胜了木炭炼铁。所以说,是瓦特蒸汽机成就了焦炭的市场化应用。这种情况只局限于在英格兰,直到1813年美国及欧洲大陆几乎完全还在用木炭炼铁。然而,炼铁技术的进步似乎并没有对炼钢带来多大影响。1750年之前不久,出现了坩埚钢
铸钢,钢质更加均匀、杂质更少,但产量很低。尽管碳含量对铁转化为钢的影响在1786年伯明翰的铁钉上得到验证,以及诞生了科特搅炼法和炼铁反射炉能够精炼优质铁,但炼钢依然进步缓慢,市场主要还是铸铁、生铁、熟铁。1849年克虏伯测试了一门试着使用铸钢的火炮,结果点火就发生炸膛,可见当时的铸钢技术之低。直到19世纪70年代出现能确保很高炉温的西门子-马丁式平炉,大量熔炼钢才得以实现。19世纪末,低碳钢代替生铁、熟铁成为主要的结构材料,世界年产量达到2800万吨。当然,瓦特蒸汽机不仅惠及炼铁,作为一种原动机
瓦特蒸汽机要更大规模应用,还存在一个很大的限制,就是它只能提供往复直线运动。在博尔顿的推动下,瓦特考虑将往复直线运动转换成旋转运动。这个问题很简单,用连杆+曲柄
(1452~1519年)就对这种转换有过研究,还设计把连杆和曲柄结构用于锯子伐木。但是到了18世纪也很少见到连杆和曲柄组合用的实例。瓦特的助手默多克首先想到的也是曲柄+连杆组合,但这个在1780年已经被别的工匠申请为专利了。于是,瓦特变通了一下,把
换成了两个啮合的齿轮。这两个齿轮中心用连杆1连着,以固定两个齿轮中心的距离,保证啮合;齿轮1只能自转,带动
齿轮2是一体的,齿轮2不能自转,只能绕齿轮1中心公转。这种齿轮机构被称为“行星齿轮”。>
这种将活塞往复直线运动转换成驱动轴旋转运动的蒸汽机,被称为旋转式蒸汽机。直到1794年,曲柄+连杆组合专利权满期,瓦特的旋转式蒸汽机都用行星齿轮。1782年,瓦特又改进出双作用式蒸汽机,活塞上方及下方均通蒸汽推动,提高了输出功率。同时,
双作用式蒸汽机,就不能用以前的铁链连接活塞杆和叉形摇杆。到1784年,瓦特
叉形摇杆改进为杠杆,杠杆头段设置一个平行四边形连杆机构,活塞杆与其相连,这样就可以保证活塞杆
1787年,为使输出的速度保持恒定(即驱动轴匀速旋转),瓦特又设置了一个离心摆调速器(这种调速器早已在面粉石磨中应用)。其原理比较简单巧妙:通过齿轮-链条将驱动轴的动力传输到另一个齿轮,这个齿轮与离心摆调速器的轴芯齿轮啮合;驱动轴转速增大则离心球的离心力增大,拉动套筒上升,再通过曲杆传动,带动蒸汽输送管道上的蝶形阀(更容易控制气体流量大小)关小,则流入气缸内蒸汽减少,活塞带动驱动轴减速。反之亦然。(看这个网址的视频更容易理解:蒸汽机离心摆调速器基础原理动画)到此,瓦特蒸汽机的改进就基本成熟,双作用旋转式蒸汽机整体图如下:>
实物模型>
实物整体图
这些改进无疑使瓦特蒸汽机能够更广泛的应用于生产。1782年,蒸汽机用于驱动锻锤来锻打冶炼金属;1790年开始蒸汽机在纺纱行业快速传播;1800年开始应用于机床驱动。当然,瓦特蒸汽机还无法带动火车,因为它依然是一种低压蒸汽机,输出功率还不够。
瓦特时代早期,热力学理论还未发展成熟,还不能对蒸汽机进行确切的热计算,其实是靠工程师们的反复摸索。蒸汽机真正发展成一种较强有力的原动机是在1800~1850年,热力学及材料应力学的进步使得对蒸汽机零件尺寸可以准确的计算,桥梁建造技术的兴起对蒸汽机的结构优化计算有很大贡献。蒸汽机热能的充分的利用,需要采用高压蒸汽
1802年,英国人特里维西克建造了一台可在9.8个大气压下工作的试验性蒸汽机,这其实就是高压蒸汽机
英国煤炭资源丰富。到18世纪,不列颠所有的主要产煤地,马车轨道得到普遍应用,以将煤运往航道和港口。>
,尽管还在伦敦做过巡游但没有引起公众的兴趣。1804年他又建造了一台可载重10吨的蒸汽机车,只需一个人操作,但速度只有每小时6.4公里。后来,特里维西克破产,转而去关注抽水的蒸汽机了。>
特里维西克蒸汽机车
史蒂芬森蒸汽机车出现后的二十年内没多少动静。受当时炼钢技术的限制,铁轨用铸铁制造,铸铁脆而易被压断,引起了许多麻烦。直到锻铁改进后,商业运营蒸汽铁路干线才有了可能。此时蒸汽机牵引力还不够高,修建铁路要非常平缓,尽可能的接近水平。1840年英国伯明翰至格洛斯特
的改进节省了燃煤,促进了铁路的大发展。此时一些快速火车在难行的路段平均每公里耗煤约6.5千克。这以前,英国法律规定要有效处理掉排出的烟,铁路蒸汽机车燃烧不得不用焦炭,因为焦炭燃烧无烟,但是却很昂贵限制了其发展。美国铁路的迅速发展是在1840年以后。1875年前后西方铁路运输才占主要。19世纪中叶,各种机车的速度差别很大。英国大西铁路公司的机车通常能达到每小时96公里,另外的地方尤其是其他几个国家则一般低得多。
首先,英国拥有丰富的煤矿,有许多露天煤层。这使得初期人们利用煤炭的成本很低,对煤炭的需求才有机会。当然,仅有丰富的煤矿还不足以引发后来的质变,中世纪没用煤炭的记录就是证明,况且煤矿丰富的地区并不是只有英国。丰富的煤矿只是引发后续连锁反应的一个前提条件。
第二,煤炭需求的增加。早期炼铁由于技术原因没办法使用煤炭,都是使用木炭,所以煤炭需求的增加并不是冶铁带来的。木材的大量消耗引起价格高涨才是价格相对便宜的煤炭需求增加的主因。早期西方的机械主要构架均是木材,比如水车、机床、船只,铁在机械中的使用只占少量。产业(制造玻璃、煮盐、烧制砖瓦、酿酒、染料、制糖、造船等等)也是以木材为燃料,因为木材更方便更便宜。
得益于十字军东征带来了西亚的玻璃工匠,13世纪威尼斯玻璃开始声名鹊起,意大利玻璃制造业快速地发展。15世纪威尼斯制造出透明的水晶玻璃,使得意大利的玻璃一时风靡欧洲王室和权贵。
由于玻璃制造需要大量木材,木材的匮乏使得英国于1615年出台禁令:禁止使用木材加热玻璃熔炉。煤的使用促进了闭口坩埚发展,闭口坩埚只用来制造透明玻璃的作坊里。17~18世纪期间德国的钾玻璃最具耀眼,因为它制造出了透明度和光泽更接近线年,苏格兰的普通乡村房屋还没安装玻璃,教堂使用玻璃较多。
玻璃是制作光学仪器的必须材料。近代科学的大发展很大程度得益于天文学,天文学家经常用到天文望远镜。近代那些天文学家不仅仅只限于天文,他们往往对光学也有很深的造诣,比如伽利略自制了第一架组合透镜望远镜、牛顿制造了首架反射望远镜。这并不是其兴趣广泛所致,而是在研究天文现象时需要更好的光学仪器,他们不得不去解决。
在发动机的概念和作用还无显著的呈现出来之前,它的诞生并不是工程师们特意为之,更不是有目的的要制造出发动机,它是别的机械设备的设计制作的完整过程中慢慢派生出来的,结果这个派生物主宰了未来。
我觉得,这种派生物你根本没办法它的到来,更谈不上规划。我们能做的是创造出允许更多可能性出现的这种环境,让这样不可预见的派生物可以在合适的机会出现,换句话说就是环境具有更多可能性、包容性,而不是在这种不确定的不可未知的可能性刚刚出现就被环境所排斥唾弃了,那种把什么都以一个准绳给划定了更糟糕。
这个我必须得说,我们这许多人认字认半边,看到一两个因素就以为洞察了天机。现在许多人把专利权上升到神圣的地步,以为有了这个就可以了,而其他的因素就不重要了,又变成了投机性思维,总想走捷径,以一两个因素来完成一个宏伟的目标。做梦呢,做了几千年的梦还没有醒啊!
威尔金森也是铁器制造商。这些资本家对机械有比较深的理解,我琢磨你要是把一个当时清朝的大地主放英国去,他恐怕不可能去投资蒸汽机,因为他以前的阅历没有这种经验,没办法理解这些玩意。同时,我们也看到那些发明者要么是受过良好教育的,要么是工匠出身或者来自工匠世家。无论是英国的资本家,还是工匠及工程师,他们对机械的理解也是受益于他们所处的工业环境。这种工业环境的形成,恐怕不是一朝一夕的,是不可能与其以往的历史割裂的,这个范畴就很大了。
而我们的思维经常是跳跃性的,总以为创新就是要创造出全新的东西,却忽略基础性的积累。简单的说就是突发灵感则大事可成,弯道超车就是这一思维的体现。再比如我们信奉瓦特
托勒玫所著《天文学大成》是近代欧洲天文学的指南书,它是1175年欧洲人从阿拉伯国家翻译过去的;比较有名的《几何原本》,欧洲人发现阿拉伯文版本,又去找到了希腊文版本,两者一对照,发现阿拉伯版本中有部分希腊文版本中没有,所以最早的版本已经失传,搞不合适现在流传的版本综合了阿拉伯人的成果。这个路径也太神奇了,把老祖宗都忘了好久,还是从别人的地方重新发现的。欧洲人发现了曾经辉煌的典籍,中世纪之后出现复兴古典的热潮,他们开始直接翻译和研究希腊的著作。
这就引出了另一个宏达的话题,难道古代中国不是我们一贯认为的那么辉煌领先?
就我直观的感受,在科技史著作方面,读西方的著作你能看懂他们在说啥东西,还引用了古代某某人的笔记,你能明显感觉到作者是懂这个的,总觉得他们的学者真的叫学者,是认认真真在干这事。
而看天朝的科技史著作,看的真的头疼,引用一大堆文言文,普通人看着本就有些疲惫了,作者也讲的似懂非懂,感觉就是一个外行看外行写的专业书,这就让读者更头疼了。总之,感觉天朝的科技著作都写不出什么实质性的东西。
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