10.5.4. Паровой двигатель
Применение такого мощного действующего вещества, как пар, к экипажам на колесах сильно изменит положение человечества.
Вы (также Томас Джефферсон)
Что это
Двигатель, использующий тот факт, что воде требуется больше места в парообразном состоянии, чтобы делать всякие штуки. Это технология столь полезная, что, когда она наконец оказалась изобретена, общество перестроило себя вокруг таких двигателей в процессе, который мы именуем промышленной революцией.
До того как был изобретен
Если вы хотели сделать что-либо, вам приходилось выполнять это самостоятельно, или использовать животных, или платить кому-либо, чтобы он сделал это за вас, но вы определенно не могли вскипятить некоторое количество воды и на этом отстреляться.
Изобретен
100 н. э. (движимые паром игрушки, технически бывшие паровыми турбинами);
1606 н. э. (первые водяные насосы, работающие на пару);
1698 н. э. (первые практичные водяные насосы, работающие на пару);
1765 н. э. (камера сепараторной конденсации, коммерциализирована в 1776-м);
1783 н. э. (пароход);
1804 н. э. (паровоз);
1884 н. э. (переизобретение паровых турбин).
Предпосылки
Железо (для котлов), чугун (для поршневых колец и цилиндров), сталь, сварка.
Как изобрести
Паровой двигатель, вероятно, выглядит немного устаревшим, но даже в наши дни бо?льшая часть электричества в мире производится именно с помощью пара. Единственная реальная разница между старомодными и современными паровыми машинами в том, что вместо дерева мы используем в котлах уголь, газ или даже саму богоподобную силу, скрытую внутри атома. И это правда: получив в распоряжение мощь, способную покончить с цивилизацией, и заточив ее в ядерных реакторах, мы используем ее большей частью для того, чтобы кипятить воду.
Ранние паровые двигатели были изобретены без приложения научной теории, без объяснения того, как они работают, так что даже если вы просто пролистаете этот раздел перед тем, как соорудить двигатель, то вы начнете в лучшей ситуации, чем первые изобретатели. Было сказано, что наука должна больше паровому двигателю, чем паровой двигатель должен науке, и хотя это неправда (наука в натуре никому ничего не должна), эта фраза дает вам представление о том, как много люди смогли узнать, изучая эти двигатели, которые сами и создали, в том числе они узнали и второй закон термодинамики[105].
Паровой двигатель состоит из двух частей:
• котел, который использует некую форму горения, чтобы кипятить воду и производить пар под давлением;
• двигатель, использующий пар, чтобы двигать поршень, турбину или себя самого.
Котел сделать несложно, если у вас есть металл: просто изготовьте герметичные трубы, которые будут проходить через нагреваемую на огне камеру сгорания (это именуется «водотрубным котлом»), или трубы с нагретым на огне газом, который будет проходить через герметичную, частично заполненную водой камеру («газотрубный котел»). Оба производят пар (и риск того, что ваш котел взорвется, так что поглядывайте за этим), но водотрубный котел обычно оказывается дешевле.
Как только у вас есть пар, вы можете прогнать его через вторую камеру сгорания, чтобы нагреть еще сильнее, создав перегретый пар, несущий больше энергии и способный на бо?льшую работу. Перегретый пар можно также слегка охладить без конденсации его в воду, и это отлично, поскольку вам не придется беспокоиться о том, что вода все время будет засорять ваш новенький паровой двигатель.
Создать двигатель, способный использовать энергию пара для выполнения работы, можно за пару дней, и простейший способ – направить пар в поршень. Поршень – это просто масса, свободно двигающаяся внутри цилиндра, и его изготовление требует некоторой степени технической точности: вам понадобится цилиндр[106], одинаково широкий по всей длине, и поршень, чуть более узкий, чтобы мог поместиться в цилиндр. Чтобы обеспечить вашему поршню герметичность, вы можете поместить чугунное кольцо на поршень: снабженный пружиной кусок металла, который создает постоянный контакт с цилиндром.
До изобретения поршневых колец поршни плотно оборачивали пеньковой веревкой у их основания. Пенька плотна, она не изнашивается так быстро при трении и работает почти – но не совсем – так же хорошо, как кольцо. Но вы не беспокойтесь, небольшая утечка пара ни к чему страшному не приведет, ваш двигатель все так же будет работать, хотя и не столь эффективно.
Когда вы забираете пар из котла и отправляете к поршню, пар расширяется и толкает поршень вверх. По мере того как пар остывает, он конденсируется, и это создает давление, вынуждающее поршень опускаться, а затем внешнее давление снова поднимает его. Поскольку в общем и целом вам надо, чтобы охлаждение происходило быстро, впрысните холодной воды в поршень для ускорения процесса.
Вот и весь ваш двигатель (рис. 22).
Движение вверх-вниз, производимое поршнем, может толкать пилу, приводить в движение насос или посредством коленчатого рычага превращаться в круговое движение (смотрите приложение Н).
С подобным паровым двигателем вы попадаете на уровень развития технологии в 1698 н. э., но если вы подозреваете, что нагревание и охлаждение одного и того же поршня приводит к трате кучи энергии впустую, то нацепите на себя охотничий берет[107] и назовите себя Шерлоком Холмсом[108], поскольку именно так дело и обстоит. Вы можете разом перескочить через восемьдесят лет, если измените устройство двигателя так, что его горячая часть будет оставаться горячей, а холодная – холодной.
Рис. 22. Машина, которая будет двигать вашу цивилизацию: паровой двигатель
Сделайте это, установив связь между вашим поршнем и отдельной конденсационной камерой, которая будет открываться при поднимании поршня. Высокое давление среды поршня станет заталкивать пар в конденсационную камеру, которую можно быстро охладить с помощью холодной воды.
Если вы не хотите использовать поршни, то есть другой способ генерировать энергию с помощью пара, и на самом деле именно его люди обнаружили первым около 100 н. э. Подобное устройство именуется эолипил, его можно создать, направляя пар от кипящей воды во вращающуюся сферу, из которой должны торчать изогнутые сопла, расположенные следующим образом (рис. 23).
Рис. 23. Машина, которая могла бы двигать древнегреческую цивилизацию: эолипил
Пар, выходящий из сопл, превращает их в подобия реактивных двигателей и вращает сферу. Это ракетный двигатель на пару, но изобретшие его эллины смотрели на него исключительно как на игрушку. Вы можете утереть им всем нос, превратив ваш эолипил в чертову динамо-машину.
Как вы увидите в разделе 10.6.2, динамо-машины трансформируют механическое вращение в электричество, используя тот факт, что провода, двигающиеся в магнитном поле, порождают проходящий через них электрический ток. Поместив внутри сферы неподвижный магнит и обмотав саму сферу проводами, вы сможете использовать устройство как маленькую электростанцию.
Если же и эолипил вас не привлекает, вы всегда можете направить струи пара на лопасти турбины – почти так же, как вы направляли воду на лопасти турбины Пелтона, – чтобы получить то же вращательное движение (и электричество, если захотите) уже этим способом[109].
Ну а теперь плохие новости: все паровые двигатели, с поршнями ли, с соплами или другие, по большому счету неэффективны. Не важно, что вы делаете, крупные объемы энергии будут рассеиваться с теплом, и даже с паром под высоким давлением, дополнительными конденсаторными камерами и паровыми машинами многократного расширения (двигатель, использующий пар для того, чтобы двинуть поршень больше одного раза) вы не добьетесь эффективности намного больше 20 %.
Даже самые продвинутые паровые двигатели нашего времени имеют эффективность от 40 до 50 %, и все же они движут наш мир, так что не переживайте, ваш мир тоже придет в движение.
Другой большой проблемой для паровых двигателей является их соотношение энергии к весу. Все металлические детали, да и вода, весят достаточно много, и да, они отлично работают в зданиях или в колоссальных средствах транспорта, где их вес не имеет особого значения (вспомним паровозы и пароходы), но в небольших конструкциях вроде самолетов или автомобилей их использовать трудно.
Для последних вам придется изобрести более легкий двигатель внутреннего сгорания.
Паровой двигатель пользуется внешним сгоранием: вы сжигаете нечто за пределами двигателя для того, чтобы получить пар, и тот уже направляете к двигателю. Внутреннее сгорание убирает потребность в транспортировке пара, вы просто взрываете что-то внутри поршня, чтобы он двигался. Летучее топливо смешивается с воздухом, так что оно легко загорается, потом впрыскивается в цилиндр поршня и резко сжимается. Электрическая искра производит воспламенение, выталкивает поршень, и когда тот отодвигается, то выхлоп выходит наружу[110].
Каждый поршень проходит через четыре такта: втягивание, сжатие, горение, выхлоп, и когда один из поршней вспыхивает, то второй как раз возвращается в исходное положение. Подобный двигатель определенно немного сложнее, чем паровой (здесь вы полагаетесь на контролируемую серию взрывов, а вовсе не на старый добрый кипяток), но проблемы, связанные с их созданием, не выглядят непреодолимыми.
Четыре поршня можно расположить так, что они будут попарно работать в противофазе, и это даст вам более постоянную тягу, и прикрепить их эксцентриками к общему валу. Подобное расположение позволяет контролировать вентили для поступления топлива и удаления выхлопа. Второй вал можно изогнуть и присоединить к пистонам, чтобы скоординировать их толчки, и на этот вал повесить маховое колесо, которое делает равномерным получаемое движение (рис. 24).
Рис. 24. Двигатель внутреннего сгорания: поршень 1 сжигает топливо, поршень 2 избавляется от выхлопа, поршень 3 впрыскивает топливо, и поршень 4 сжимает топливо, готовясь поджечь его.
Вот и все!
Но прежде чем вы броситесь изобретать двигатель внутреннего сгорания, запомните: их труднее сконструировать, дороже эксплуатировать, и они требуют более качественного топлива. В эпоху, когда вам приходится изобретать все с нуля, штука вроде парового двигателя, который работает на воде и не требует ничего, кроме буквально любого горючего материала, будет просто незаменимой.