蒸汽機(jī)是18世紀(jì)影響世界的一項(xiàng)偉大發(fā)明，引發(fā)了技術(shù)革命，具有社會(huì)歷史意義和科學(xué)進(jìn)步意義。而瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)是一次非常重要的標(biāo)志性事件。

在瓦特之前，紐科門(mén)蒸汽機(jī)已經(jīng)得到了小具規(guī)模的應(yīng)用，但紐科門(mén)蒸汽機(jī)還有著很多方面的不足。如燃料利用率過(guò)低等，其工作原理很簡(jiǎn)單，是建立在當(dāng)時(shí)兩個(gè)得以驗(yàn)證的科學(xué)原理上的。其一是大氣具有重壓作用，從而使空氣對(duì)凡是已將它排除的空間就無(wú)孔不入。早期的自然科學(xué)家們?cè)堰@種結(jié)果，用一言以蔽之即“大自然憎惡真空存在”。其二，法國(guó)人丹尼斯·帕平（1647—1714）發(fā)明了一個(gè)制造真空的好方法，只要在一個(gè)密封容器內(nèi)充滿了蒸汽，那么空氣就會(huì)被排出，而當(dāng)這個(gè)密封容器冷卻后，里面就會(huì)產(chǎn)生真空，因?yàn)檎羝鄢伤笏嫉牡胤剑皇敲芊馊萜魅咳莘e中很小的一部分。這個(gè)原理也被紐科門(mén)用在了蒸汽機(jī)上。

1764年，學(xué)校請(qǐng)瓦特修理一臺(tái)紐科門(mén)式蒸汽機(jī)，不難想象，瓦特對(duì)于這一突如其來(lái)的天賜良機(jī)感到喜出望外，精神振奮。他通過(guò)閱讀資料，獲得了知識(shí)，這就使他很快能讓這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，但是他對(duì)這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況卻很感失望。因?yàn)檫@種蒸汽機(jī)存在兩大缺點(diǎn)：活塞動(dòng)作不連續(xù)而且慢；蒸汽利用率低，浪費(fèi)原料。

 

瓦特改良蒸汽機(jī)

 

對(duì)于燃料利用率低下的問(wèn)題，瓦特早就讀過(guò)關(guān)于這一方面的權(quán)威性論述，其中指出，汽缸經(jīng)噴注水冷卻以后，要不斷被重新加熱，在此期間，以蒸汽形式產(chǎn)生并使用的部分熱量便被浪費(fèi)掉了。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)模型耗費(fèi)的蒸汽如此之多，以至超出了那只使之運(yùn)轉(zhuǎn)的小鍋爐的能力，而一次只能完成幾個(gè)沖程而已。此后，瓦特開(kāi)始思考改進(jìn)的辦法。

1765年春天，瓦特在一次散步時(shí)突然靈光一閃，既然紐可門(mén)蒸汽機(jī)的熱效率低是蒸汽在缸內(nèi)冷凝造成的，那么為什么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產(chǎn)生了采用分離冷凝器的最初設(shè)想。

瓦特的這一重大構(gòu)思就這樣形成了，他急得手指發(fā)癢，躍躍欲試，想先搞出模型來(lái)，就在第二天，他便開(kāi)始動(dòng)手制造了一個(gè)裝置，盡管這個(gè)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制作粗糙，但卻能夠使他對(duì)他的新理論進(jìn)行檢驗(yàn)。現(xiàn)在同瓦特的其他的一些模型一起保存在科學(xué)博物館里的這個(gè)裝置，被認(rèn)為是分離式冷凝器原理的第一次歷史性的應(yīng)用。

這個(gè)裝置是由三個(gè)直立排列的圓筒狀主要部件組成的。首先是一個(gè)裝有保溫套的封閉式蒸汽汽缸，另外還配有一個(gè)活塞和一個(gè)活塞桿，這個(gè)活塞桿的下端通過(guò)一個(gè)填料函伸出來(lái)，頭上帶有一個(gè)掛鉤，用來(lái)提升供試驗(yàn)的重物。這個(gè)汽缸的旁邊是冷凝器部件和氣泵筒，這兩個(gè)部件在其底部，由一個(gè)作為冷凝器一部分的長(zhǎng)方形水箱把它們連接在一起。

瓦特首先往冷凝器里倒冷水。然后，他使蒸汽通過(guò)一條管子以及與汽缸頂部相連接的管子注入汽缸，里面要排除的空氣便從冷凝器頂上一個(gè)簡(jiǎn)單的單向閥泄出。當(dāng)蒸汽開(kāi)始從這個(gè)閥門(mén)噴出時(shí)，就表明汽缸里已經(jīng)充滿了蒸汽。于是關(guān)閉蒸汽開(kāi)關(guān)，氣泵活塞便升起，在冷凝器里造成部分真空。這就使得蒸汽從汽缸進(jìn)入了冷凝器，并在這里通過(guò)冷卻，水得到冷凝，這樣就在活塞上部的汽缸里造成了真空。由于在蒸汽缸套里處于大氣壓下的蒸汽是與活塞下面的汽缸相通的，所以必然會(huì)把活塞推向汽缸頂部。當(dāng)蒸汽再次進(jìn)入汽缸頂部時(shí)，活塞兩面的壓力便均衡了，結(jié)果，加在活塞桿上的重壓就會(huì)使活塞再次返回底部。于是，這種循環(huán)就又開(kāi)始了。

顯然，這個(gè)小模型用這種方式只能運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)沖程而已，因?yàn)槔淠骼锏乃芸炀蜁?huì)變得太熱，從而無(wú)法使蒸汽有效地冷凝下來(lái)。不過(guò)這運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)沖程，就足以向這位歡欣鼓舞的發(fā)明家證明：他的設(shè)想是行得通的；他使兩種看來(lái)互相對(duì)立的條件一致起來(lái)，即既要保持汽缸的恒熱，又要在汽缸里造成有效的真空。

瓦特在證實(shí)了自己的觀點(diǎn)之后，他的當(dāng)務(wù)之急便是設(shè)計(jì)和制造一個(gè)高效率的冷凝器。據(jù)瓦特理論計(jì)算，這種新的蒸汽機(jī)的熱效率將是紐可門(mén)蒸汽機(jī)的三倍。從理論上說(shuō)，瓦特的這種帶有分離器冷凝器的蒸汽機(jī)顯然優(yōu)于紐可門(mén)蒸汽機(jī)，但是，要把理論上的東西變?yōu)閷?shí)際上的東西，把圖紙上的蒸汽機(jī)變?yōu)閷?shí)在的蒸汽機(jī)，還要走很長(zhǎng)的路。

此后三年多的時(shí)間里，瓦特克服了材料和工藝等各方面的困難，終于在1769年制出第一臺(tái)樣機(jī)。同年，瓦特因這種帶有分離冷凝器的蒸汽機(jī)而獲得他的第一項(xiàng)蒸汽機(jī)專(zhuān)利。

 

 

自1769年試制出帶有分離冷凝器的蒸汽機(jī)樣機(jī)后，瓦特就看出熱效率低已不是他的蒸汽機(jī)的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運(yùn)動(dòng)才是根本局限。經(jīng)過(guò)十年如一日的研究，1781年底，瓦特因帶有齒輪和拉桿的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置獲得第二項(xiàng)蒸汽機(jī)專(zhuān)利。

然而瓦特并沒(méi)有停住革新的腳步，1782年，瓦特設(shè)計(jì)了一種帶有雙向裝置的新汽缸，并獲得第三項(xiàng)蒸汽機(jī)專(zhuān)利。瓦特把原來(lái)的單向汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變?yōu)楦邏赫羝@是瓦特在改進(jìn)紐可曼蒸汽機(jī)的過(guò)程中的第三次飛躍。通過(guò)三次技術(shù)飛躍，紐可曼蒸汽機(jī)進(jìn)化成瓦特蒸汽機(jī)。

這種高效率的蒸汽機(jī)很快取代了舊式的蒸汽機(jī)，從此，動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)和工作機(jī)組成了機(jī)器生產(chǎn)系統(tǒng)，成為工業(yè)化的核心。 由于瓦特對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行了革命性的改造，所以人們認(rèn)為是他發(fā)明了第一臺(tái)有實(shí)用價(jià)值的蒸汽機(jī)，為了紀(jì)念他的偉大發(fā)明，人們把功率計(jì)算單位稱為——“瓦特”。

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瓦特的創(chuàng)舉 分離式冷凝器

圖文簡(jiǎn)介

蒸汽機(jī)是18世紀(jì)影響世界的一項(xiàng)偉大發(fā)明，引發(fā)了技術(shù)革命，具有社會(huì)歷史意義和科學(xué)進(jìn)步意義。