Лев Гумилевский - Создатели двигателей
Подобный же способ поднимать воду предлагал несколько раньше итальянец Делла Порта. Он советовал кипятить воду отдельно, а в ящик с холодной водой впускать только пар. Конечно, в таком приборе первая порция пара, заполняя ящик с водой, подвергнется конденсации. Но с нагревом поверхности воды и стенок ящика конденсация прекратится и давление вновь поступающего пара заставит воду выходить через выводную трубку. Конец этой трубки также лежит у самого дна ящика, в то время как трубка, через которую подводится пар, находится под потолком ящика.
Предложением Саломона де Ко воспользовался англичанин Эдуард Соммерсет, маркиз Уорчестер. Он взял патент на машину, поднимающую воду посредством огня и пара, и есть сведения, что его машина в 1667 году в Лондоне поднимала воду на сорок футов в высоту. Описание машины не сохранилось, но по некоторым данным предполагают, что она состояла из парового котла с двумя паропроводами, соединенными с двумя резервуарами. Из этих резервуаров пар вытеснял воду в подъемную трубу. В то время как один резервуар наполнялся водой, в другой впускался пар, и наоборот. Вероятно, с прибором Уорчестера лучше всего и был знаком Севери.
Так или иначе, но Севери в июле 1698 года получил патент на свое изобретение «для подъема воды и для приведения в движение разного рода мельниц силой огня, которое послужит к великой пользе и выгоде при откачке шахт, снабжении городов водой и работе мельниц там, где нет возможности пользоваться водой или ветром».
В насосе Севери использовалось сначала давление атмосферы для засасывания воды из глубины, а затем давление пара — для подачи воды наверх. Насос состоял из двух труб — всасывающей и нагнетательной, — снабженных клапанами. Между ними находился яйцевидный резервуар. Из отдельного парового котла в этот резервуар по паропроводу с краном подавался свежий пар. Как только пар вытеснял из резервуара воздух, кран паропровода закрывали, а резервуар обливали холодной водой. Пар конденсировался, в резервуаре образовывался вакуум, и атмосферное давление гнало в него воду по нижней, всасывающей, трубе. При этом поднимающаяся вода сама открывала клапан. Как только резервуар наполнялся водой, в него снова впускали пар. Под давлением пара вода стремилась из резервуара обратно, но клапан нижней трубы захлопывался.
Шахтовладельцы отнеслись к насосу Севери не очень доверчиво.
Тогда вода устремлялась по другой, нагнетательной, трубе, открывала клапан этой трубы и, поднявшись на нужную высоту, выливалась на землю или в чан. Когда давление пара ослабевало, вода шла обратно и тотчас же закрывала клапан выводной трубы. В резервуара оставался только пар. Стенки резервуара снова обливали водой, и процесс всасывания и нагнетания воды вверх повторялся.
Насос Севери тратил много пара, а значит, и топлива. Но там, где особенно не считаются с расходом топлива, он употребляется и до сих пор, в несколько усовершенствованном виде, под названием «пульсометра».
Шахтовладельцы отнеслись не очень доверчиво к насосу капитана Севери, и ему пришлось позаботиться о рекламе изобретения. Он поднес модель своего прибора королю Вильяму III, затем прочитал доклад в Королевском обществе и выпустил брошюру с описанием машины.
В 1702 году Севери издал книжку «Друг рудокопа». В ней он описал усовершенствованный паровой насос своей системы. Новый насос состоял из двух котлов и двух резервуаров, работавших попеременно, так что подача воды наверх шла без перерывов, не прекращаясь.
Высокое давление пара представляло некоторую опасность. Но французский физик и механик Дезагюлье присоединил к котлу Севери предохранительный клапан Папена, и опасность взрыва была значительно уменьшена.
Однако машина Севери не смогла стать универсальным шахтным насосом.
Кроме опасности взрыва, насосы Севери были очень неэкономичны и могли засасывать воду только с небольшой глубины, так как атмосферное давление, как уже говорилось, не может поднимать воду больше чем на десять метров. В то же время в Глубоких шахтах подавать воду на поверхность они не могли, потому что не хватало давления пара. Можно было, конечно, ставить несколько насосов ярусами, один над другим, и это делали, но установки получались громоздкие, неудобные и дорогие.
Шахтовладельцы постепенно разочаровались в машине и стали требовать новой конструкции.
Самую большую машину Севери установил на лондонской водокачке. Один из его насосов купил Петр I. Этот насос работал в Летнем саду, в Петербурге, — вероятно, для фонтанов. Слишком дорогое для промышленников изобретение Севери больше всего доставило удовольствия королям и помещикам. Они пользовались им для устройства фонтанов, украшавших сады и парки.
Севери не оказал большой услуги горной промышленности, но зато он помог другим конструкторам усвоить простую мысль, что в паровых машинах, для какой бы цели ни служили они, следует пользоваться готовым паром из отдельного котла, а не превращать рабочий цилиндр в котел, как это было сделано у Папена.
3. Основные свойства пара
Письмо Лейбница произвело сильное впечатление на Папена.
В это время изобретателю шел уже пятьдесят восьмой год. Под влиянием многих неудач душевные силы его слабели, занятия с кассельскими студентами отнимали весь день. Временами он сам себе казался отживающим человеком. Он даже женился и обзавелся кучей ребят, словно для того, чтобы навсегда вычеркнуть себя из рядов великих ученых своего времени.
Незавершенные машины Папена покрывались пылью. В паровом цилиндре пауки плели паутину. Лаборатория напоминала кладовую, куда сваливают ненужный хлам.
Простая идея капитана Севери потрясла воображение Папена. Полузабытый собственный опыт, заглохшие мечты, неосуществленные замыслы воскресли в уме ученого. Несмотря на свою внешнюю солидность, он оставался в душе все тем же непоседливым, решительным и увлекающимся человеком. Папена охватило страстное желание возместить потерянное время удвоенной энергией, и, учась у Севери, он принялся за постройку новой машины.
К несчастью, Папен не умел влиять на свое воображение. Развивающиеся идеи шли у него по раз взятому направлению без всяких преград. Теперь взволнованному профессору казалось, что паровой насос англичанина — самая совершенная машина, а его собственный паровой цилиндр никуда не годится и ничего не стоит.
Исходя из опыта Севери, Папен сконструировал сложную, большую и даже остроумную машину. Но она оказалась шагом назад, а не вперед после собственных опытов Папена с паровым цилиндром.
В Мюнхенском музее истории техники хранится чертеж этой машины. Из отдельного парового котла пар через паропровод с краном направляется в своеобразный резервуар цилиндрической формы. Внизу резервуар превращается в воронку с загибающейся трубой, которая далее идет вверх и предназначена для выбрасывания воды в другой, верхний, резервуар. В первом резервуаре, как в паровом цилиндре, помещен поршень, вернее поплавок. Подавая из котла пар в этот резервуар, Папен давлением пара действовал на поплавок, и поплавок, опускаясь, заставлял воду идти в воронку, затем через загибающуюся трубу подниматься наверх и выливаться там в резервуар. Таким образом, машина состояла из двух сообщающихся водяной трубой резервуаров — нижнего и верхнего, — а давление пара из нижнего цилиндрического резервуара с поплавком перегоняло воду в верхний резервуар. Машина не могла всасывать воду, а наполнялась ею через особую воронку. Все эти трубы соединялись и разъединялись в нужный момент самодействующими клапанами.
Это была, как видите, всего лишь водоподъемная машина, притом довольно громоздкая и достаточно сложная, но Папен не хотел этого понимать. Воду из верхнего резервуара, как это предлагалось у Севери, Папен хотел направлять на обыкновенное водяное колесо, приводом от которого и должны были работать мельничный жернов и воздуходувные мехи.
Папен предполагал, кроме того, строить суда с такой машиной, с тем чтобы вода, падая на гребное колесо, заставляла его вращаться, а колесо двигало бы судно.
Описание и изображение этой машины Папен дал в книге «Новое искусство эффективно поднимать воду на высоту при помощи огня», напечатанной в Касселе в 1707 году. Тут он писал, между прочим:
«Так как получаемый при посредстве огня водяной пар обладает способностью производить давление, как и воздух, но далее при охлаждении он опять может сгущаться в воду, так что не остается никакого давления, то нетрудно, я думаю, конструировать машины, в которых силы водяного пара при посредстве огня с небольшими издержками могли бы совершать полезную работу».
Это была вторая гениальная находка Папена. Он указывал, что давление пара может совершать работу не хуже, чем атмосферное давление, и это делало честь его уму и проницательности. Гениальные догадки всегда кажутся очень простыми после того, как они высказаны, но привычный взгляд на вещи очень часто мешает нам догадываться как раз о наиболее простых и очевидных вещах.
