1830年以前的蒸汽機

王美慧

高雄縣鳳西國小

楊光訓

高雄縣阿蓮國小

唐毓敏

高雄市旗津國小

(一) 前言

蒸汽機的發明,是社會經濟發展史上一個重要的里程碑。直到蒸汽機的發明,才使機械代替人力,使以人力、獸力爲主的 生産活動轉爲利用機械力生產,增強了人類的工作能力,提升了生產效率,因而引起了18世紀的工業革命。

 

(二) 蒸汽機的演進歷程和原理

1.    最早的蒸汽機是古希臘亞歷山大利亞城希羅1世紀發明的風光管(氣轉球),不過它只不過是一個玩具而已。

l   直到17世紀,人們的注意力才再次轉向「從熱量中獲得動力」。

l   一個導致蒸汽機發明的重要步驟是「大氣壓力的發現」,人們做

了許多實驗證明「利用大氣壓力在下面可以產生真空的活塞上做功的可能性」。

 

2.    帕潘(1647~1712)

真正為蒸汽時代揭開序幕的人是法國科學家帕潘,他發現水在密閉容器內加熱後,容器內的壓力會增加,可將活塞頂高,冷卻後大氣壓力會將活塞壓下,他開始進行以蒸氣傳動的蒸汽幫浦設計;雖然沒有設計出具有代表性的機器,但他是第一個應用蒸氣在汽缸中驅動活塞的人,而且他還指出了一種週期性的操作,後來由紐科門將它付諸實際應用。

l  16世紀末到17世紀後期,英國的採礦業,特別是煤礦,已發展到相當的規模,單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求,而現場又有豐富而廉價的煤作為燃料。現實的需要(因當時人們最迫切需要的機械是抽水設備)促使許多人,如英國帕潘薩弗里紐科門,等人都致力於“以火力提水”的探索和試驗。

 

3.  薩弗里(1650~1715)

l  薩弗里製成的世界上第一台的蒸汽提水機( 薩弗里蒸汽提水機)﹐在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利。

l  薩弗里蒸汽提水機原理:他將一個蛋形容器先充滿蒸汽,然後關閉進汽閥﹐在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥,礦井底的水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中﹔關閉進水閥,重開進汽閥﹐靠蒸汽壓力將容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時,關閉進汽閥和排水閥,重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環,用兩個蛋形容器交替工作﹐可連續排水。 )

l  薩弗里蒸汽提水機缺點:薩弗里的提水機依靠真空的吸力汲水,汲水深度不能超過6米。為了從幾十米深的礦井汲水,須將提水機裝在礦井深處,用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上,這在當時無疑是困難而又危險的。

 

4.  紐科門(1663~1729)

紐科門蒸汽機是第一個可供實用的蒸汽機。

他為後來蒸汽機的發展和完善奠定了基礎。

l  紐科門的發明與薩弗里一樣早,但許多做法都被薩弗里申請的專利限制住,因此紐科門便和薩弗里一起合作製造蒸汽機;期間,紐科門繼續改進蒸汽機,並於1705年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽和把活塞與連杆聯接以產生可變運動”的專利權。

l  1712紐科門製成了第一部可供實用的大氣式蒸汽機,被稱為紐科門大氣式蒸汽機。這種蒸汽機先在英國,後來在歐洲大陸得到迅速推廣,被廣泛應用60多年,它的改型產品直到19世紀初還在製造。

l  紐科門大氣式蒸汽機原理:扇形平衡槓桿左側的配重將活塞提起﹐同時蒸汽進入活塞下部的汽缸中。當活塞上昇到汽缸頂部時﹐關閉進汽閥,向汽缸中噴入冷水使蒸汽冷凝,形成真空,活塞上面的大氣壓力將活塞下壓,提起槓桿左側的提水泵拉杆,使裝在礦井深處的提水泵將水汲出。

l  紐科門大氣式蒸汽機缺點:→因汽缸直徑大於提水泵的缸徑﹐雖然汽缸活塞上的壓力只等於大氣壓﹐也可以汲出數十米深處的水。但熱效率很低,燃料消耗量大,這主要是由於蒸汽進入汽缸時,在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量,只在煤價低廉的產煤區才得到推廣,因此僅適用於煤礦等燃料充足的地方,多用於礦井排水以及提水來推動水輪。

 

5.    斯米頓(1724~1792)

l   紐科門去世後很長的一段時間,他的蒸汽機發展依賴的是實際操作的人。

l   第一位非常關注蒸汽機動力的科學工程師是斯米頓,他收集了各種尺寸蒸汽機的性能、細節資料,從這些資料中他發現「要把相當於549萬英磅的水提昇1英呎高,蒸汽機平均要消耗84磅的煤」,這成為以後推算蒸汽機功率的一種方法。

l   斯米頓紐科門所不具備的知識和設備製造和改良蒸汽機,他幾乎將大氣式蒸汽機的效率提高了一倍,但熱效率仍然很低,這主要是因為做功的汽缸同時又作冷凝器,因此浪費了大量的熱。

 

6.    瓦特(1736~1819)

瓦特的發明和改良,讓蒸氣機迅速地發展,

他使原來只能提水的蒸汽機普遍應用於各種工業用途

使蒸汽機成為產生穩定、大量而有效率的動力來源,

進而帶動整個歐洲的工業革命,改變人類的歷史。

因此瓦特當是蒸汽機最主要的發明人。

l   瓦特蘇格蘭機器製造家和發明家。

l   1764年開始對蒸汽機的研究和改進,他在修理一台紐科門蒸汽機模型時,發現紐科門蒸汽機的汽缸冷卻消耗很多蒸汽,於是他針對紐科門蒸汽機「熱效率低、燃料消耗量大」的問題進行了研究和改進。他根據他發現的「水在沸騰時繼續加熱水溫不再昇高的失熱現象」,在機身外加一個冷凝器,便減少蒸氣潛熱的損失,使效率大為增加。

l   1765年他製成可供實用的有分離冷凝器單作用式蒸汽機﹐肯定了分離冷凝器的優越性。

l   1769年取得了標名為“在火力機中減少蒸汽和燃料消耗的新方法”的專利(但由於鑄造的缸筒內表面粗糙﹐活塞與缸筒之間密封差﹐嚴重漏氣﹐影響了使用。) →為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣﹐瓦特裝設了抽氣泵﹐將汽缸排出的蒸汽引入與汽缸分離的冷凝器內冷卻﹐使汽缸在不必冷卻下繼續由新通入的蒸汽作功。他還在汽缸外壁加裝夾層﹐採用汽缸套使汽缸保溫﹐以減少冷凝損失﹐提高了熱效率。

l   1772年提出「利用進排氣閥使氣缸連續往復運動」的原理﹐投入了雙作用式蒸汽機的研製工作。

l   1774年瓦特去伯明翰﹐繼續研製蒸汽機。

l   1775年﹐J.威爾金森用他製成的炮筒鏜床﹐為瓦特加工缸筒內孔﹐保證了缸筒與活塞的配合要求﹐使瓦特蒸汽機於1776年投入運行。

l   1776年瓦特與M.博爾頓合作製造的兩台蒸汽機開始運轉。

l   1781年他因所發明的「使活塞的往復運動轉變為旋轉運動的曲柄連杆機構」已被J.皮卡德取得專利﹐遂又研製行星齒輪機構予以代替使活塞的往復運動轉換為主軸的旋轉運動

l   1782年他完成了兩項重要發明﹕在活寒工作行程的中途關閉進汽閥﹐使蒸汽膨脹作功以提高熱效率﹔使蒸汽在活塞兩面都作功(雙作用蒸汽機)以提高輸出功率﹐使活塞沿兩個方向的運動都產生動力。這時的活塞既要向下拉動槓桿又要向上推動槓桿﹐扇形平衡槓桿和拉鏈已不再適用﹐瓦特便發明了平行四邊形機構

l   發明了示功儀﹐用以繪出示功圖。→示功圖表示了蒸汽在汽缸中的壓力變化情況﹐據此可算出蒸汽機的功率。示功圖的發明為熱力發動機的研究和發展提供了重要手段。

l   1784年他發明了平行運動連桿機構,解決了雙作用蒸汽機的結構問題。他改進蒸汽機的配氣機構﹐採用帶氣泵的凝汽器和使活塞平行運動的四連杆機構等。

l   1788年瓦特為了解決工業生產中提出的蒸汽機的速度控制問題﹐又發明了能控制進氣閥的開啟程度從而控制蒸汽機速度的離心調速器(把離心式調速器與蒸汽機的閥門連接起來﹐構成蒸汽機轉速調節系統﹐使蒸汽機變為既安全又實用的動力裝置)瓦特的這項發明開創了自動調節裝置的研究和應用。在解決隨之出現的自動調節裝置的穩定性的過程中﹐數學家提出了判定系統穩定性的判據﹐積累了設計和使用自動調節器的經驗。

l   1790年又發明了壓力錶,這就使瓦特蒸汽機配套齊全,切合實用。從而使蒸汽機臻於完善。他將蒸汽機零部件標準化﹐並投入成批生產。

l   1794年皮卡德的專利期滿﹐瓦特將行星齒輪機構改為曲柄連杆機構﹐最後完成了雙作用式蒸汽機的發明。

l   瓦特是功率單位“馬力”的提出者﹐國際單位制中的功率單位“瓦特(Watt)”就是以瓦特﹐J.的姓氏命名的。他還提出了馬力的概念;力的單位瓦特就是以他的名字命名的

l   1804年﹐英國的棉紡織業已普遍採用蒸汽機作為生產動力。

l   1819年秋天,瓦特以83歲的高齡,悄然離開人世

    瓦特的發明和改良,讓蒸氣機通用於各種工業用途,產生穩定、大量而有效率的動力來源,進而帶動整個歐洲的工業革命,改變人類的歷史,讓人類擺脫對於水、風等自然力的依賴。

世人對瓦特蒸氣機有一段讚譽:「它將人類孱弱的手武裝起來……以一種不可限制的力量,完成對事物的控制,並為未來機械力的奇蹟奠定了基石

 

7.    特里維西克

瓦特的發明是真空蒸汽機,因為他反對蒸汽壓力高於大氣壓力,到1800年,有幾位發明家已試圖改造瓦特發明的蒸汽機,但所有的人都因不能應用分離式冷凝器而未獲成功。

19世紀初,分離式冷凝器的使用才向所有的人開放,英格蘭特里維西克美國伊文思幾乎在同時完成了「高壓雙作用式蒸汽機」。而特里維西克除了發展高壓雙作用式蒸汽機,也不斷發展蒸汽機的應用,最重要且改變人類的大發明是發明了第一部『蒸汽機車』。

特里維西克在不同的活動領域中製造了各種蒸汽機,可以運用於各種機械工作當中。

8.    高壓式蒸汽機

1800年以前,許多發明家已經試圖對瓦特用於礦場抽水的槓桿式蒸汽機進行改造,但所有的人都因不能應用分離冷凝器而未獲成功。直到19世紀初,分離冷凝器的使用才向所有的人開放,在應用高壓蒸汽機方面由於特里維西克帶頭,才使複合式蒸汽機明確地作為實際的目標進入人們的視野。

康沃爾的礦主們從1811年開始出版一份關於蒸汽機性能的定期報告,以鼓勵競爭並提高蒸汽機效率。

特里維西克的高壓康沃爾蒸汽機,在不存在激烈競爭的情況下佔領著重型抽水工程領域,直到接近19世紀末期。

對於重型工業來說,例如在工廠和磨坊中驅動機械,「旋轉式槓桿蒸汽機」的設計一直獨領風騷,幾乎還是瓦特留下的形式。唯一重大的改進是1845年由麥克諾特完成的,他增加一台小型的短沖程高壓汽缸,將其複合到蒸汽機中去,小汽缸有它自己的平行四邊形運動,作用到槓桿上處於蒸汽機中心與驅動連桿末端間一半的部位。

9.    直接作用式蒸汽機

l   為了消除過長的槓桿卻保持絞鍊接來引導十字頭,1803 弗里曼特爾申請了「蚱蜢式蒸汽機」的專利。「蚱蜢式蒸汽機」是基於幾何學上的原理,如果一根直的連桿由於連著一根半徑桿,其中點只能沿著一個圓弧運動,如果連桿的一端被強制沿著一條直線路徑移動,則連桿的另依端將延著與第一條相垂直的第二條直線移動。

l   不用連桿的直接式蒸汽機的先驅是塞明頓(1763~1831),但在當時並未引起注意。

l   19世紀的早期,特里維西克伊文思都曾為工業應用建造過直接作用式蒸汽機,但是得到廣泛使用的這類蒸汽機的第一種形式是莫茲利1807年取得專利的「台式蒸汽機」。在這種蒸汽機中,一只垂直的汽缸置至於一個小的鑄鐵平台的中央,其活塞桿帶著有輪子的十字頭在垂直的鐵製導軌間運動,連著十字頭端面的一對連桿驅動著一根曲柄軸在平台下面的軸承上轉動。這種蒸汽機在小工廠中被廣泛使用了至少40年,而其簡化的一種類型一直使用到19世紀末,尤其在工作空間有限的情況下就會考慮使用它。

 

10.  總結

總結1830年左右蒸汽機的實踐情況可以這樣說:

l   在大型工廠中使用的標準原動機是瓦特的噴射冷凝槓桿蒸汽機,所使用的蒸氣壓力比大氣壓力稍高一些。

l   在較小的企業中,通常使用的是「蚱蜢式」和「台式」蒸汽機。

l   在礦山和水利工程中供抽水用的是特里維西克的高壓蒸汽機,通常工作在約70/平方英吋的蒸汽壓強下,在當時沒有任何對手。

l   對於造船工作,推進總是用側桿蒸汽機驅動的,這種發動機是噴射冷凝式,工作壓力約為45/平方英吋。

l   這一時期蒸汽機車的實踐尚處於啟蒙階段。

 

(一)   蒸汽機的歷史意義

1. 蒸汽機可以產生出完全受人控制的動力,又可以移動,不像利用水力、風力等動力要受地理位置的限制,因此可以普遍運用,使現代大工業很快地發展起來。所以馬克思主義的創始人之一恩格斯曾指出,「蒸汽機是第一個真正國際性的發明」,它“把工廠手工業變成了現代的大工業,把資產階級社會的整個基礎革命化了”。

2. 蒸汽機被推廣開來後,提供了強大的動力與各種工具機械的使用,締造了「用機器來製造機器」的生產模式,使生產效率和機械化程度大大提高,也使工廠可以大規模生產,廠商得以快速累積資本,現代經濟的運作雛形也因而形成。

3. 蒸汽機也成就了蒸汽輪船和蒸汽火車的發明,促使近代交通運輸迅速發展。

4. 直到20世紀初,蒸汽機仍然是世界上最重要的原動機,後來才逐漸讓位於內燃機和汽輪機等。

 

5. 心得

    進入蒸汽機的世界花了我好多時間 ,除了閱讀大陸版的技術史」、還上網收集好多的資料和圖片,從幾乎看不懂」到終於能「慢慢理解」;我在整個研究的過程中不斷在想:「台上三分鐘,台下十年功」;雖然上台沒有講多久,卻得要花費那麼多的時間。

 

而從事發明的每一個人,為什麼能在歷史上留名?不也都是因為他們都不斷在他們所熱愛的領域中不斷的努力、鑽研,一次又一次重新思考和改進,才能做出對人類社會有重大影響和貢獻的發明。

 

    無論工程師、科學家、或發明家,只要在他的工作領域用心發現,也許一個小小的實驗,或簡單的改變,就可能創造足以改變人類生活、甚至促進歷史發展的小發明。

 

今天我們在回顧整個人類科技發展史的同時,除了讚嘆前人的智慧,感謝前人留下的心血結晶,也要自省:深為21世紀教育工作者的我們,給了下一代的孩子什麼樣的教育?

 

如果多一點「啟發」,多一點「引導」,多一些「機會」,多一些「鼓勵」,或多一些什麼樣的教育?……或許,我們也能激勵與引導這一代的孩子,創造與發明出什麼足以改變人類歷史,讓人類生活更美好的東西呢!

 

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