В XVII — XVIII веках в результате бурного развития металлургической промышленности, горного дела возникла острая энергетическая проблема.
Необходимо было найти универсальный источник энергии.
Итальянский физик Эванджелиста Торричелли открыл наличие атмосферного давления в воздухе. Большой эффект произвели известные опыты Отто фон Герика с Магдебургскими полушариями. Казалось бы, к решению задачи получения универсального двигателя приблизились вплотную – ведь воздух, а следовательно, и атмосферное давление есть повсюду! Да, давление воздуха есть повсюду. Но чтобы заставить его “работать”, необходимо предварительно получить вакуум. Иначе атмосферное давление, действуя на тела с равными, но противоположно направленными силами, не сможет заставить их перемещаться.
Над этой задачей билось много изобретателей. Независимо друг от друга они пришли к правильному решению: вакуум можно получить путем конденсации водяного пара при охлаждении его в замкнутом пространстве. Охлажденный пар превращается в воду, которая занимает значительно меньший объем, образуя вакуум.
Как только принципиальная возможность получения Вакуума была найдена, возникли предпосылки для осуществления цикла парового двигателя, описанного впервые Д. Папеном в 1690 г. Однако многие попытки сделать такой двигатель оставались безуспешными. Это было связано с тем, что четыре главных конструктивных элемента паровой энергетической установки: парогенератор
(котел), двигатель, конденсатор и насос -пытались объединить в одной конструкции — паровом цилиндре. У некоторых исследователей возникало решение отделить парогенератор от двигателя, но они, как правило, занимались другими проблемами. Опираясь на опыт предшественников, Томас Севери в 1698 г. впервые применил паровую установку для откачивания воды из шахт и рудников. В этом первом тепловом двигателе рабочая камера и насос представляют единое целое.
Пар генерировался в котле и подавался в рабочую камеру, из которой он через клапаны вытеснял воду в верхний резервуар. Когда вода полностью вытеснялась, камеру снаружи охлаждали холодной водой. Пар в ней конденсировался и образовывался вакуум. Затем рабочая камера вновь заполнялась водой, но теперь уже через клапаны нижнего резервуара. Цикл повторялся.
Эту машину можно было использовать только для поднятия воды, однако в патенте
Севери указывал на то, что его насос может заменить ветряное колесо и гидравлический двигатель в “производстве движущей силы для фабрик всех видов”.
Таким образом, Севери запатентовал не просто конкретную конструкцию, а получил монополию на тепловую энергетику. Срок этой монополии был немалым – 14 лет, а когда этот срок истек, парламент продлил патент еще на 25 лет, закрепив это в специальном акте.
Именно Северн предложил объединить вместе положительные качества водяного колеса и парового насоса. В его конструкции паровой насос /, питаемый паром от котла 2, перекачивал воду из емкости 3 в емкость 5. Вода сливалась на колесо 4, приводя его во вращение. Главный недостаток этой установки -низкая экономичность. Так, при подъеме воды из шахт и рудников насос мог работать с
КПД до 0,6 %, общий же КПД комбинированной установки был равен всего 0,1 %.
Только тысячная доля энергии, заключенной в топливе, использовалась на полезную работу! Поэтому к концу XVIII века гидравлический двигатель с КПД, в среднем в 50 раз превосходящим КПД паровых установок того времени и работающий на “даровой” энергии, все еще оставался монополистом энергетики.
Низкая экономичность была не единственным недостатком насоса Севери. Он имел ограничение в высоте подъема воды (до 30 м) и очень невысокую производительность; периодические охлаждения и нагревания камеры насоса приводили не только к большому расходу пара, но и к медленной смене процессов.
Несовершенство конденсации позволяло всасывать воду на высоту не более 5—6 м.
Однако установка таких насосов в большинстве случаев диктовалась не экономикой, а тем, что они, хотя и с большей затратой средств и труда, могли выполнять работу, которую ни лошади, ни водяное колесо не могли выполнить.
Началось применение тепловой энергии с циклической сменой состояния рабочего тела.