16世纪以前,燃烧木柴和木炭是人类获取能量的主要途径。由于那时人们对于能量的需求主要集中于生活中的做饭取暖,因此面积广大的森林足以满足人类的需求。16世纪,随着英国经济的不断增长,燃料木材的产量已经难以满足人们的生活需求,尤其是工业生产的需求。16世纪中期,伦敦对燃料的巨大需求极大地促进了英国采煤业的发展。这主要得益于英国富丰的煤炭储量使得煤炭价格低廉。相关资料显示,1550年伦敦市场上的燃料木材价格与煤炭价格已经没有太大差别。在此之后,木材价格更是一路飙涨,1600年木材价格已经超过煤炭价格的2倍。在这种情况下,英国理所当然地更愿意使用煤炭作为燃料。
随着煤炭需求的不断增加,仅有的露天煤矿难以满足需求,开采地下煤矿逐渐成为主要形式。而随着矿井深度的增加,排水就成了一件不可避免的事情。要知道就算是在今天,矿井透水都是最严重的事故之一。2010年,山西王家岭煤矿透水事故就曾造成了38名矿工遇难。早期人们使用水车或者马匹拉动抽水机排水。但这种排水方式具有很大的局限性,也难以保证排水效果。
为了解决煤矿排水问题,英国人托马斯·纽卡门发明了第一台可广泛应用的蒸汽机,并于1712年投入使用。这种蒸汽机通过将气缸中的蒸汽迅速冷凝成液态水以造成气缸真空,形成内外压强差,大气压力将气缸活塞推至气缸底部形成动力带动抽水机。图3-1是纽卡门蒸汽机原理示意图。
图3-1是纽卡门蒸汽机原理示意图
纽卡门蒸汽机具有天生的缺陷,其对燃料的消耗量太大。因此,只有煤炭价格极为便宜的地方才有可能使用这种蒸汽机。好在大多数煤矿中都有很多劣质煤炭,这些煤炭往往卖不出去,被丢弃在煤矿周围。而纽卡门蒸汽机可以使用这种煤炭作为燃料。因此几乎免费的劣质煤炭使得能耗极高的纽卡门蒸汽机有了应用的空间。1733年,英国煤炭行业中运行的纽卡门蒸汽机已经达到100台,并且数量持续增加,1800年时数量已超过2500台。英国规模巨大的煤炭工业使得纽卡门蒸汽机得到了大规模的应用。除了煤矿之外,铜矿和锡矿等矿井同样有排水的需求。但铜矿和锡矿却无法提供几乎零成本的燃料。因此对于改良蒸汽机的迫切需求越来越强烈。
谈到改良蒸汽机,有一个人是永远也避不开的,他就是詹姆斯·瓦特。早在18世纪60年代,瓦特就已经开始研究蒸汽机并进行反复的试验。当瓦特在维修一台纽卡门蒸汽机时,他发现低温冷却水喷进气缸时在冷却蒸