化工史话6：水流不息——流体输送设备发展史

上回说铅室法的时候谈到如何给铅室内连续加水是一个相当棘手的问题，从这一点我们引申开来讲一讲流体输送尤其是液体输送的例子，说一说水泵是如何诞生和演变的。泵的诞生可以说是化工领域革命性的发展，因为有了泵，连续地输送物料成为了可能，因此才能出现连续工艺，化工生产的产能才能成倍提高。做过化工设计的人都知道，一个工厂设计，可以没有反应釜，可以没有精馏塔，但不能没有泵和配管。

而泵的出现，最早还是为给水系统服务的。水可以说是生命之源，是人类最重要的资源之一，但是在相当长的一段时间内，人类的给水方式是相当原始的，城市供水系统是根本不存在的。古代人类都是依水而居的，所有文明的发源地都在大江大河边上。古代的四大文明古国更是各有各的母亲河，甚至今天的城市布局都受这一历史惯性的影响。总归到底还是因为古人的流体输送技术在很长的一段时间内没有任何进步，无法长距离的输送水，对水的获取更多地依赖人工或牲畜搬运。

但是要是说人类在给水的问题上一点功夫都没下，那也不尽然，随着城市的发展，城邦的规模逐渐扩大，古代还是出现了市政供水系统。在这一点上古罗马人做的最好，现在发现的古罗马给水系统可以追溯到公元前300多年，也就是我们的春秋战国时代。那时候的供水主要还是依靠水渠系统，依靠重力差来进行输送的，找一个位置较高的河或者湖，然后依靠地形挖水渠将水引入城里。当然在这一点上，我国也不甘落后，几乎每个朝代都有可以吹一波的水利工程，就在同一时期，我们有郑国渠，灵渠等类似的工程。就连被视为文明荒漠的南美也有类似供水设施。可见，水对人类来说才是真正的刚需。

南美高原的纳斯卡线条，在广袤的高原上雕刻着巨大图案，必须借助飞机才能观看整体形状，一度被人猜测是外星文明的产物，而现在一般认为是古代南美文明的供水系统。

依靠重力输水虽然是个省事的方法，但是却不能解决所有问题。这种方法的实现必须依靠地形，因此应用受到的很大局限。相应地，这些遗址也只是零星地被发现，而非普遍存在，因为只有大型城市才有必要，有能力建造这样的系统。此外，对于一些地势较高的居住点，人工提水还是必要的。为此，古代人名发明出了各种输水工具。有记载比较早的是公元前300年，由阿基米德发明的阿基米德抽水机，据说是阿基米德在埃及期间方明的。

阿基米德抽水机，结构类似今天的螺杆泵，抽水机一端插入水中，用人力转动另一端的手柄，带动螺杆转动将水抽出。

而古代中国，也出现了筒车等设备，这些设备至今都可以在一些古镇和景点里看到，甚至相当一部分设施我小时候都见过，毕竟大面积普及自来水也就是这几年的事情。同时，中国还有一项技术也可以说是领先世界，那就是输水管道。要知道古代炼铁技术发展有限，相当长一段时间金属管道都是奢侈品，各地最早的给水管道都是木头的，而当西方人费尽心机地把树木做成管子的时候，我们却拥有天然可以作为木质管道的植物，那就是竹子，这种植物可以说是亚太地区特有。

中通国古代的给水工具，筒车，筒车的历史可以追溯到南宋期间，这种设备最大的创举就是能量利用方面，早先的提水设备都是人力或者骡马拉动的，而筒车实现了以水利驱动提水的进步，这样一来就大量节约了劳动力。

随后，流体输送设备不断发展，泵的技术也在不断改革，但是无论如何改革都无法有效地解决动力问题。实际上我们熟悉的离心泵，齿轮泵，旋片泵等概念大都是在中世纪也就是我国明代的时候就出现了。据说，达芬奇就曾经绘制过离心泵的草图，但是和他的大多数发明一样，由于当时的机械和动力条件限制这些构想没有可行性。

虽然工程技术上没什么发展，但是关于泵的理论进步却一点都没有停止。我觉得，这一点外国人思维确实和我们不一样，我们更实用一点，没有应用价值的东西就不去研究。而欧洲人在这一点上做得不错，大量的基础研究虽然短期看来没什么用，长期看来确实一种非常有益的技术储备，随着关键技术的进步，这些几百年前的构想会爆发性的变为现实，最终变为强大的技术优势。所以说不要把我们现在大学里的科学研究批判一遍，说什么假大空啊，脱离实际一类的话，谁知道以后没有有用呢。

在泵理论发展史上有两件事情可以说是里程碑的，首先是伯努利方程的提出，这个方程的提出大概是在乾隆初年。伯努利方程归根到底是能量守恒方程，体现了压力能，重力势能与水的动能存在的能量守恒的关系。这个在今天看来很简单，但是在那个年代，对能量守恒的概念还没有建立，非常多的工程师还在研究第一类永动机呢，能有这样的观点是非常不容易的。第二件事情就是欧拉方程，欧拉首次提出了流体力学中非常重要的欧拉方程，这为后来的各种泵的设计提供了坚实的理论基础。

伯努利家族在科学史上可以说是全家极品，我们所说的流体力学里的伯努利方程是丹尼尔-伯努利提出的。在微积分领域，还有一个伯努利微分方程，这个是由雅各布I-伯努利提出的。约翰I-伯努利是最速降线问题的提出者，这个问题的提出最终导致了泛函理论的诞生，今天数学系里所说的学了泛函心泛寒还要感谢他

强大的理论储备加上工程师们超越时代的设计，终于等来了关键技术的爆发，那就是蒸汽机。蒸汽机的出现进一步解决了能量来源问题。到了1849年，美国人亨利沃辛顿首次发明了具有蒸汽驱动的活塞泵，至此蒸汽动力泵登上历史舞台，而此时距离蒸汽机的发明已经过去了40多年了。

我们知道，泵主要分为两种类型，所谓旋转泵和容积式泵，早期投入使用的都是容积式泵，容积泵的特点就是可以达到很高的出口压力，但是泵流量不大。而另一种旋转泵，可以达到很大的输送量。遗憾的是旋转泵投入使用一直要等到20世纪了，在早期虽然有人设计旋转泵，但是这种泵一直没有使用，其原因主要是两点：1，蒸汽动力难以获得高转速，旋转泵要求有高转速，转速越高泵的流量和扬程越高。现在的离心泵转速分为两档2900转与1450转，这在当时以蒸汽动力难以做到，而电动机的发明要等到19世纪80年代，这个时代孙中山才刚刚开始干革命。2，比高速电机难度更大的是轴密封问题。我们知道高速旋转的泵叶片必然由一根轴带动，这根轴的密封和润滑是当时的一个大问题，而端面机械密封要到1900年才出现。

终于现代泵需要所有技术条件都已成熟，一系列之前停留在图纸上的构想终于有了实现的机会。20世纪30年代，现代螺杆泵，计量泵相继出现。在今后的几十年发展中终于形成了我们现有的产品系列。

首台计量泵在1936年由米顿罗公司发明，值得一提的是现在这个公司还存在，依旧是计量泵的主要供应商之一，可谓是百年老店。

泵的故事就说道这里，这两期内容我们始终绕不开一点那就是蒸汽机以及与之相关的第一次产业革命，那么从下一期开始我们来说说蒸汽与热力学的故事。

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：知乎用户（登录查看详情）

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