История развития теплоэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

• РЕФЕРАТ

Ключевые слова: теплоэнергетика, кризис водяного колеса, социальный заказ, энергетическая техника, универсальный тепловой двигатель, паровые машины, паровые котлы, поровые и газовые турбины, исследования свойств рабочих тел, промышленный переворот.

Подробно рассмотрены вопросы возникновения потребности общества в теплоэнергетике и наличия возможностей удовлетворить возникавшую потребность на различных этапах развития человечества. Описаны предпосылки возникновения теплоэнергетики. Определены требования к «новой» энергетике, которая должна была придти на замену гидроэнергетике. Рассмотрено развитие энергетической техники до возникновения теплоэнергетики. Описано развитие универсального теплового двигателя как начального этапа в развитии теплоэнергетики. Подробно рассмотрено становление энергетической техники и развитие теоретических основ теплоэнергетики в ХIХ веке. Представлено краткое описание развития отечественной теплоэнергетики в ХХ веке.

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Развитие энергетической техники до XVIII века
• 1.1 Период биологической энергетики
• 1.2 Развитие техники при рабовладельческом строе
• 1.3 Развитие техники в период феодализма
• 2. Универсальный тепловой двигатель
• 2.1 Развитие универсального двигателя
• 2.2 Развитие энергетической техники в период господства универсального теплового двигателя
• 3. Развитие теплоэнергетики после промышленного переворота
• 3.1 Развитие паровых котлов
• 3.2 Развитие паровых машин
• 3.3 Разработка теоретических основ теплоэнергетики и исследования свойств рабочих тел
• 3.4 Развитие паровых котлов во второй половине XIX века
• 3.5 Паровые турбины
• 3.6 Газовые турбины
• 4. Развитие теплоэнергетики в СССР
• Заключение
• Приложение
• Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

• В современном обществе наука играет особую роль. Прогресс в науке и технике XIX - XX веков, научно-техническая революция XX века создали новое качество жизни. Наука не только революционизирует сферу производства, но и оказывает влияние на все сферы человеческой деятельности, начиная регулировать и перестраивать их средства и методы.
• Наука оказывает огромное влияние на формирование личности. Через систему образования, которое направлено, прежде всего, на усвоение научных знаний, она создает особый тип человеческого сознания. Образцы научного рассуждения активно влияют на логику человеческого мышления, утверждая особый тип аргументации и обоснования знаний.
• Чтобы выявить общие закономерности развития научного познания, философия науки должна опираться на материал истории различных, конкретных наук, но вместе с тем она ориентирована на сравнение этих дисциплин, на выявление общих закономерностей их развития.
• Научное познание, каким бы ни был его объект, обязательно ориентировано на объективность в изучении предмета, на поиск законов и закономерностей его развития. Нельзя отождествлять науку с иными, хотя и близко соприкасающимися с ней формами человеческого творчества.
• Человечество, наука и техника, социальные системы - все это входит составной частью в единую планетную систему, объединяющую цивилизацию и природную среду, в которой она активно проявляется.

Приведем определения техники и энергетической техники:

Ш техника - есть совокупность средств труда, создаваемых человеком на основе использования познаваемых им законов природы, для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества;

Ш энергетическая техника - это область техники, направленная на получение энергии от природных источников, ее целесообразное преобразование, транспортировку и доведение до потребителей [4, стр.9].

Теплоэнергетику же можно определить как науку о тепловой энергии топлива и законах ее превращения.

Возникновение теплоэнергетики, как и возникновение любой другой области техники, явилось ответом на возникший перед обществом, на определенном этапе его развития, вопрос, решением вставшей перед ним задачи. При расследовании различных явлений жизни общества, в качестве основного, можно принять, сформулированное К. Марксом, следующее положение: «Человечество ставит себе всегда только такие задачи, которые оно может разрешить, так как при ближайшем рассмотрении всегда оказывается, что сама задача возникает лишь тогда, когда материальные условия ее решения уже существуют или, по крайней мере, находятся в процессе становления» [6, стр. 4].

Основываясь на вышеизложенном положении, рассмотрим две основные составляющие вопроса возникновения теплоэнергетики как науки:

1) постановка задачи, то есть возникновение потребности общества в теплоэнергетике как материальном благе (социальный заказ), которое можно считать движущей силой развития;

2) наличие возможностей удовлетворить возникшую потребность, наличие уже существующих или находящихся в процессе становления материальных условий для решения поставленной задачи.

Потребность в новом источнике энергии явилась следствием кризиса гидроэнергетики, а точнее - кризиса энергетики водяного колеса, который уже к XVIII веку не позволял удовлетворить потребность производства.

Кризис энергетики водяного колеса начал проявляться не в приводе зерновых мельниц натурального и мелкотоварного производства, а в металлургии и рудном деле (именно в этих областях он, кризис водяного колеса, сказался наиболее остро): энергетика водяного колеса не обеспечивала производство необходимым количеством руды и топлива; шахты и рудники, расположенные вдали от водных источников и, следовательно, лишенные такого двигателя, как водяное колесо, заливались грунтовыми водами.

Очевидно, что природа редко сосредотачивает в одном географическом пункте ресурсы руды, топлива и водной энергии (необходимых элементов горнорудного производства). Если отсутствие в одном месте руды и леса приводило лишь к удорожанию продукции или к экономической нецелесообразности производства металла, то отсутствие в одном месте руды и источника энергии приводило к невозможности осуществления производства (так как транспортировать водную энергию невозможно). Это происходило потому, что, истощив запасы поверхностных болотных руд, человек вынужден был все глубже и глубже проникать в недра Земли. Вместе с углублением рудников возрастало энергопотребление на процесс откачивания воды из них. Это возрастание шло как за счет увеличения количества воды, так и за счет увеличения высоты ее подъема на поверхность (откачки) [6, стр. 8].

Еще одной предпосылкой возникновения потребности в новом источнике энергии стал производственный рост членов общества (в связи с чем росли, в частности, потребности в орудиях труда и, следовательно, в материалах для их изготовления, главным образом в - в железе).

Тот факт, что «в отличие от живых существ, технические объекты отмирают в момент своего наивысшего рассвета» [4, стр. 52] также говорит в пользу возникновения потребности в новой энергетической безе. Действительно, в тот период времени уже в полной мере использовались водяные колеса с вертикальным валом (что позволяло обходиться без сложных механических передач между валами, расположенными под прямым углом друг к другу) и ковшеобразными лопатками (рис. П.1), ставшие прототипом современных активных гидравлических турбин, и верхненаливные водяные колеса (рис. П.2,а), которые были явно эффективнее средненаливных (рис. П.2, б) и, в отличие от вышеупомянутых водяных колес с вертикальным валом и ковшеобразными лопатками, использовали «не только скоростной элемент располагаемой энергии потока, но и энергию положения» [4, стр. 105], то есть и кинетическую и потенциальную (полную) энергию потока воды. Таким образом, на тот момент времени границы роста размеров производственных агрегатов (пестов, домен, молотов) определялись только мощностью водных потоков. «Так энергетика водяного колеса начинала приходить в конфликт с вызванными ею же новыми производственными возможностями» [4, стр. 109].

Теперь рассмотрим следующий вопрос, каков же был характер требований к новой энергетике, то есть к теплоэнергетике? Характер требований к новой энергетике определялся недостатками ранней гидроэнергетики. Главный ее недостаток заключался в том, что она имела чисто локальный характер (природные местные условия диктовали потребную и предельную мощность установки), а также энергия водных потоков иногда истощалась в связи с рядом явлений природы, контроль и управление которыми находились вне власти человека. Таким образом новая энергетика не должна была иметь сколь либо значительных ограничений, зависящих от местных условий, и должна была гарантировать потребную мощность вне зависимости от природных явлений.

Характер требований к новой энергетике, таким образом, всецело относился к источнику энергии, и никоим образом не определял и не предусматривал конструктивных форм двигателя новой энергетики. Это можно объяснить тем, что кризис энергетики водяного колеса был вызван исключительно недостатками источника энергии - водного потока, определявшего место установки двигателя, и ни в какой степени не вызывался недостатками самого водяного колеса, как двигателя.

Универсальным двигателем промышленности и транспорта является двигатель, сравнительно мало зависящий от локальных условий (что определяется характером источника энергии), и универсальный по своему техническому применению (что определяется конструктивными формами двигателя). Очевидно, что водяное колесо не могло быть таковым, поскольку оно по характеру источника энергии зависело от локальных условий. Но, по своей конструктивной форме, водяное колесо, которое отдает потребителю работу в форме непрерывного и равномерного однонаправленного вращательного движения, является двигателем, универсальным по техническому применению.

Итак, первые требования к новой энергетике, вызванные кризисом гидроэнергетики (прежде всего в области водоподъема), направляли людей к поиску нового источника энергии, не зависящего, в первую очередь, от местных условий. Вопрос об универсальности по техническому применению нового двигателя пока еще не ставился.

Рассмотрим вторую составляющую вопроса возникновения теплоэнергетики, приведенную выше.

Поиски нового источника энергии требовали известных познаний закономерностей природы, без которых нельзя привлекать ее на службу обществу. В числе таких познаний, в первую очередь, следует указать открытие и изучение атмосферного давления. Впервые величина атмосферного давления была установлена итальянским ученым Торричели в 1643 году. А в 1672 году в Магдебурге опыты Отто фон Герике, когда восьмерка лошадей не смогла разъединить медные полушария, из которых был откачен воздух («это было сделано с помощью конденсации пара» [13, стр.8]), обратили внимание ученых и изобретателей на «громадную силу» атмосферного давления (по сравнению с граммами или десятками граммов усилий, приходящихся на 1 см² ветровых или водяных колес, 1 кг на 1 см² являлся «громадной силой»). «Сила» эта была всегда и везде и, следовательно, обещала освобождение энергетики от локальной зависимости. Задача состояла только в создании вакуума для образования разности энергетических потенциалов давления, дающего возможность получать работу. Но, очевидно, для создания вакуума требовалась затрата энергии, следовательно необходимо было найти такой источник энергии, который был бы в состоянии решить эту задачу без затраты механической работы (так как потребление работы отсасывающим насосом, применяемым Герике, равно ее количеству, получаемому от двигателя). Сведения об этом источнике вытекали из познания закономерностей природы, относящихся к свойствам теплоты [6, стр.10-11].

Таким образом, мы подошли к рассмотрению второй теоретической предпосылки возникновения теплоэнергетики, связанной с исследованием теплового расширения газов.

Тепловое расширение твердых тел давно уже известно человеку, а в XVII веке стало, также, известным тепловое расширение жидких тел и газов. Проводимые в то время опыты (например нагревание и охлаждение бычьего пузыря с воздухом) давали совершенно конкретное указание на возможность изменения объема газа путем нагрева и охлаждения - «возможность управлять по своему желанию упругой силой воздуха, если иметь в своем распоряжении огонь для его нагрева и холодную воду для его охлаждения» [6, стр.12]. Так еще в XVII веке человек, не зная термодинамики, знал о возможности использования тех явлений, которыми пользуется современная теплоэнергетика: горением топлива, охлаждением водой.

Правда познания, полученные в результате этих опытов, не отличались глубиной и точностью, но имели существенное значение, так как, во-первых, они давали возможность приступить к попыткам построения первых двигателей, во-вторых, эти попытки (опыты) приводили к более точному познанию законов природы.

Наконец, третей теоретической предпосылкой являлось изучение свойств водяного пара.

Практическая деятельность людей ещё до нашей эры указала на упругость водяного пара, получаемого путём кипячения воды в закрытом объеме. В начале XVI века Леонардо да Винчи сделал набросок паровой пушки (рис.П3), указав на то, что она была изобретена Архимедом (III век до н.э.).

В середине XVI века в работах Кардано указывается на свойство пара конденсироваться (правда, знания о свойствах водяного пара, как уже отмечалось ранее, в те времена не отличались точностью).

Некоторые ученые еще в XVIII веке считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании - они полагали, что вода содержит в себе большое количество растворенного воздуха и не знали о том, что температура парообразования зависит от давления и о том, что в глубоком вакууме вода может испариться при температуре порядка 40^оС. Тем не менее, имеющихся знаний было достаточно для изобретательской деятельности, направленной на решение наиболее актуальной технической задачи того времени - задачи о водоподъеме. Более того, перечисленные скромные познания намечали отдельные пути исследований. Один из которых предусматривал применение упругости пара избыточного давления, например для вытеснения воды паром из камер на высоту, определяемую величиной давления самого пара. Другой путь предусматривал использование способности пара легко конденсироваться и создавать глубокий вакуум, позволявший использовать давление атмосферного воздуха для получения рабочего усилия на поршне двигателя.

Итак, познания явлений природы, соответствовавшие уровню естествознания XVII-XVIII веков направляли поиски искателей новой энергии, способной преодолеть ограниченность гидроэнергетики водяного колеса, по путям, представлявшимся этим искателям различными:

· по пути использования силы атмосферы;

· по пути использования упругой силы воздуха;

· по пути использования упругой силы водяного пара.

Очевидно, что все эти пути, казавшиеся различными, могли быть успешно реализованы только при использовании тепловой энергии или, как стали говорить, движущей силы огня [6, стр.13].

Так начиналось становление теплоэнергетики, базировавшееся на познании ряда закономерностей, объективно существующих в природе (атмосферное давление, расширение газов от нагревания, упругость водяного пара, получаемого путем кипячения воды, конденсация пара путем его охлаждения). Но все эти сведения не были ещё уточнены, не были систематизированы, не сложились в целостную теорию. Они дали толчок практике, а практика, в свою очередь, откорректировав имевшиеся познания, создала предпосылки к систематизации отобранных и проверенных опытом знаний в теорию.

Так, в процессе развития познания, практика (как критерий познания) способствовала уточнению, углублению и систематизации знаний. Это одна из общих закономерностей развития.

теплоэнергетика двигатель техника

1. Развитие энергетической техники до XVIII века

• Прежде чем перейти к рассмотрению основного вопроса сделаем отступление, ответив на вопрос: а как же развивалась энергетическая техника до возникновения теплоэнергетики?
• Ведь и гидроэнергетика возникла в свое время из определенных потребностей, явилась ответом на поставленную перед обществом задачу. А что была за задача? Она «состояла в постепенной замене в энергоемких производственных процессах человека, выполнявшего функцию двигателя, механическим двигателем» [6, стр.5].
• Самые ранние машины были созданы для подъема и перемещения тяжестей. Сначала они только помогали человеку в выполнении транспортных функций, а затем и заменили его. Освобождение человека от функции двигателя началось при помощи первой повозки, движимой прирученными животными.
• Применявшиеся простые и даже сложные орудия первоначально приводились в действие одним двигателем - руками человека. Однако следующий шаг - приведение этих инструментов в действие силами природы - уже означает возникновение одной из форм замены человека машиной, характеризующейся передачей энергетических функций от человека к машине.
• Этот процесс прежде осуществлялся там, «где от исполнителя не требовалось ни мышления, ни навыков, ни познаний - ничего кроме механической энергии, отдаваемой, например, рукоятке ворота или мельничного жернова в форме однообразного циклического движения» [4, стр.61].
• 1.1 Период биологической энергетики

В начальный и очень длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов, орудий и простейших технологических и транспортных машин. Позднее, в тех случаях, когда это представлялось осуществимым, о характеру производственного процесса, и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены на животных.

Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием так называемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это первая ступень развития энергетики - период биологической энергетики, или биоэнергетики [4, стр.56].

В первобытном обществе потребность в механической энергии покрывалась исключительно затратой биологической энергии. Самым крупным достижением техники первобытного периода явилось возникновение теплотехники в форме получения и использования огня. Использование огня сразу начало находить себе применение как в быту, так и в производственной деятельности людей. Согревание у пламени костра, варка пищи, лучше усваиваемой организмом, защита от диких зверей обеспечили сохранение и развитие человека. Однако перечисленные виды раннего бытового использования тепла еще не определили всего значения для людей этого первого заимствования человеком энергии природы.

1.2 Развитие техники при рабовладельческом строе

Производство рабовладельческого периода оставалось ручным. Развитие орудий труда протекало в противоречивых условиях - производитель материальных ценностей (раб) совершенно не был заинтересован в повышении производительности своего труда, поскольку повышение это повышение не могло принести ему никаких благ или облегчения его положения. Наибольшее развитие получили транспортно-подъемные машины, так как постройка укреплений, общественных зданий, дворцов, гробниц, дорог требовала перемещений большого количества строительных материалов и подъема значительных тяжестей.

Применение рычагов и катков для транспорта тяжелых объектов способствовало созданию колеса, явившегося ценным вкладом в технику, а также возникновению комбинированных и усложненных применений принципа рычага в системах с вращательным движением: воротах, блоках, полиспастах. Из комбинации рычага с колесом позднее возникли зубчатые колеса.

Возникновение и рост городов вызвали задачу водоснабжения. Эта задача решалась обычно путем перемещения воды самотеком (акведуки) от высоколежащих водоемов. Поскольку в природе такие возможности довольно редки, то для целей городского и сельскохозяйственного (полив посевов) водоснабжения нужно было поднимать воду в больших количествах. Эта задача, крайне обострявшаяся в отдельные периоды, в значительной степени способствовала техническому прогрессу. Особенность водоподъема состоит в большой его энергоемкости, а поэтому нужно было разработать не только транспортирующую часть водоподъемной установки (транспортную машину), но и энергетическую машину (двигатель) для привода в движение первой. В течении длительного времени энергетическая часть задачи решалась применением биологической энергии рабов.

Водоподъемная машина, потребляющая энергию, могла быть легко использована в обратном направлении, путем превращения в машину энергетическую. Действительно, в рабовладельческий период была известна возможность применения водяных колес для привода зерновых мельниц, но строились они исключительно редко, поскольку использование биологической энергии рабов обходилось дешевле, чем постройка и эксплуатация гидроустановок [4, стр. 85].

Водяные колеса использовались на Ниле, Евфрате, Янцзы для подъема воды и, как указано ранее, вращались рабами. «Затем древние греки и римляне использовали водяные колеса в качестве двигателя для привода насосов и мельниц, для выжимания масла. Позднее водяные колеса стали использоваться в ремесле, затем в промышленности. Римский писатель Марк Ветрувий Полион в I веке до н.э впервые описал водяное колесо» [13, стр.6].

Устройства, показанные на рисунке П.4, являются первыми обратимыми машинами, развившимися в наши дни в пропеллерные (винтовые) агрегаты, которые, не отличаясь друг от друга по принципу их конструктивного оформления, могут выполнять две взаимно обратные функции - давать механическую работу за счет падения воды (гидротурбина) или поднимать воду за счет затраты механической работы (турбонасос).

Энергетических машин рабовладельческое общество не создавало, поскольку в условиях дешевого рабского труда не было стимула к использованию энергии неорганической природы.

1.3 Развитие техники в период феодализма

Развитие технологических и подъемных машин сделало совершенно необходимым обращение к неорганическим источникам энергии, поскольку живые двигатели оказались не в состоянии справляться с все возраставшей потребностью в механической энергии. Вследствие чего в период феодализма функция двигателя была передана водяному и ветровому колесам.

Наиболее характерными энергоемкими производственными процессами являлись: подъем воды и для орошения полей и размол зерна.

На протяжении примерно 14 веков (с VI по XVIII века) «водяное колесо являлось основной энергетической базой производства» [6, стр. 6]. На территориях, не располагавшими гидравлическими ресурсами, утилизировалась энергия воздушных потоков при помощи ветровых двигателей, преимущественно для привода мельничных жерновов. В Голландии, являвшейся классической страной ветродвигателей в силу ее равнинного положения, эти двигатели широко применялись на водоотливных работах во многовековой борьбе голландского народа по захвату суши у моря.

Ветровую мельницу с крыльями персы изобрели только в VII веке н.э., не смотря на то, что еще в III тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для движения лодок [13, стр.6].

С заменой живого двигателя водяным колесом стало возможным увеличить размеры агрегата, которые ранее определялись мощностью человека-двигателя. Так, например, «домница» выросла в домну, ручной молот - в громадный молот, поднимаемый энергией водного потока, и т.п. Так возникла потребность в новой энергетике, особенно остро проявившаяся в рудничном водоподъеме (это есть те «новые производственные возможности», о которых говорилось во введении). Так как «техника, создавая возможность удовлетворить одни требования, сама вызывает новые и новые» [4, стр. 31].

Во второй половине XIX гидроэнергетика утратила свое качественно ведущее значение, уступив его теплоэнергетике. В результате, десятки изобретателей вложили свой труд в изобретение парового двигателя. А в XIX веке возник кризис существовавшего механического способа передачи энергии от ее источников к потребителям. Он направил творчество изобретателей на разработку различных методов передачи энергии, среди которых наилучшие результаты дал электрический. В связи с чем наметился (в самом конце XIX века) новый подъем гидроэнергетики, ее переход на новую качественную ступень. «Но и водяное колесо, потеряв в XVIII веке свое значение как основы энергетики, сравнительно медленно уступало свои позиции. Так, например, к 1917 году в России было установлено 46 тысяч водяных колес, их суммарная мощность достигала 40% всей установленной в стране мощности (за исключение транспорта)» [6, стр.6].

2. Универсальный тепловой двигатель

• На мой взгляд, в отличие от утверждения, приведенного в (4;стр.88),первым «энергетическим «изобретением явилась простейшая паровая турбина - эолипил Герона (рис.П.5), изобретенная в Александрии еще в 70-е годы н.э. Героном. Это устройство «представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны.Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера вращалась» (9,стр.30). Но это изобретение не получило никакого дальнейшего развития, потому как в то время ещё не было так называемого социального заказа (как движущей силы развития), о котором говорилось во введении. Можно привести ещё множество примеров, подобных этому, одним из которых является изобретение Леонардо да Винчи станка для насечки напильников, который не получил распространения в силу того же социального заказа.
• Таким образом, теплоэнергетика начала развиваться только лишь после появления острой необходимости в ней (как уже отмечалось выше, эта необходимость была обусловлена кризисом водяного колеса).
• 2.1 Развитие универсального двигателя
• Универсальный тепловой двигатель, потребность в котором « в значительной степени явилась следствием развития мануфактурного производства» (4, стр.118), можно рассматривать как начальный этап в развитии электроэнергетики. В развитии универсального двигателя, в свою очередь, можно выделить три этапа:
• - Двигатель неотделим от исполнительного механизма (или рабочей машины). Устройством такого рода, в котором двигатель конструктивно слит с потребителем энергии, является паровой водоприёмник англичанина Томаса Сэветри (1650-1715);
• - Двигатель конструктивно обособлен от рабочей машины - потребителя энергии, но ещё не становится вполне самостоятельным;
• - Двигатель становится самостоятельным универсальным двигателем.
• В качестве примера третьего этапа в развитии универсального двигателя можно привести усовершенствованный Томасом Ньюкоменом (1663-1729) паровой насос. Следует отметить, что паро атмосферные машины и Сэвери и Ньюкомена «были громоздки и имели малый коэффициент полезного действия (около 0,3%)» (13,стр.9). Помимо этого, тепловой двигатель частного назначения, отдававший работу непрерывно, был непригоден для привода разнообразных новых рабочих машин, ведь главными требованиями к универсальному двигателю в то время ставились: возможность отдавать работу непрерывно (для чего необходим был передаточный механизм, который непрерывно воспринимает механическую работу от рабочего тела двигателя) и возможность принимать конкретные, частные формы, в зависимости от потребностей производства.
• Возможностями решения главной из перечисленных задач - получения непрерывной отдачи работы потребителю-были применение: роторного двигателя, потенциального и кинематического механического аккумулирования, двигателя двойного действия (в цилиндре которого имеются две рабочие полости, разделенные движущимся поршнем) и многоцилиндрового двигателя.
• В роторном (турбинном) двигателе периодичность отдачи работы от рабочего тела не вызывает периодичности в работе двигателя. Это достигается тем, что рабочее тело, отдавая механическую работу деталям двигателя, само движется так, что его состояние в каждой точке двигателя остаётся неизменным. В поршневом двигателе цикл рабочего тела совпадает с циклом движения рабочих частей двигателя. В турбинном двигателе рабочее тело (пар) меняет свое состояние, проходя через турбину, но в каждой её точке имеет одно и то же состояние, поэтому термодинамический цикл рабочего тела не вызывает цикличности работы двигателя.
• Однако турбинный двигатель был совершенно неприемлем в XVIII веке, поскольку паровая турбина - двигатель весьма быстроходный. Освоение этой быстроходности было не под силу технике того времени, и, кроме того, не было создано материальных условий для решения задачи о паровой или газовой турбине.
• Многоцилиндровый двигатель (с числом цилиндров не менее двух) даёт возможность суммировать развиваемую в отдельных цилиндрах работу на общем валу таким образом, чтобы период отдачи работы одним из цилиндров совпадал по времени с периодом потребления её другим. Метод суммирования работы двух цилиндров был впервые предложен и детально разработан И.И.Ползуновым (1728-1766), поставившим задачей создание «двигателя, способного заменить гидравлические колеса для различных производственных целей» (2,стр.72).
• Двигатель, предложенный в 1763 году Ползуновым (рис.П.6), мог приводить в действие орудия, непрерывно потребляющие энергию, поскольку в нем имелись две цепи, передающие работу непрерывно в двух направлениях; он не ограничивал выбор направления движения орудия, так как не использовал силу тяжести; а также позволял изменять размах и усилие путем подбора необходимых диаметров передающих шкивов. Кроме того, впервые в конструкции Ползунова тепловой двигатель был в состоянии осуществить групповой привод. Но надо отметить низкую экономичность этого двигателя, его «коэффициент полезного действия около 1%, а расход дров достигал 25 кг/л.с. в час» (15,стр.42).
• «Однако в феодально-крепостнической России не было экономической базы для внедрения паровых двигателей. Поэтому после героического труда Ползунова строительство паровых машин в России не велось более полстолетия» (4,стр.129-130).
• 2.2 Развитие энергетической техники в период господства универсального теплового двигателя.

Промышленный переворот - это переход от ручного ремесленного и мануфактурного производства к машинному и фабрично-заводскому. Процесс этого перехода в различных странах происходил не одновременно. Наиболее ранним промышленный переворот начался в Англии, где сложились наиболее благоприятные условия для его возникновения, а «с момента появления первого парового котла, построенного инженером Папеном Дени (1647-1712) в 1680 году, промышленная революция в Англии получила значительное ускорение» (16,стр.38).

Достаточно быстро промышленный переворот развился и в странах Западной Европы. В России же, где царило крепостное право, промышленный переворот начался позднее и сыграл значительную роль в ускорении распада феодальных отношений.

В рассматриваемый период во всем мире было произведено множество научных исследований в данном направлении, результатом которых (укрупненно) стали: изобретение универсального двигателя Томпсоном, в котором он скомбинировал суммирование работы двух цилиндров пароатмосферного двигателя с кинематическим аккумулированием; успешное использование в Англии в 70-х годах XVIII века для привода шахтных вентиляторов комбинированного (потенциального и кинетического) аккумулирования; двигатель Картрайта, в котором было применено «чисто» кинематическое аккумулирование; двигатель Фалька, в котором было осуществлено суммирование работы двух цилиндров (по аналогии с двигателем Ползунова).

Немного подробнее остановимся на шотландском ученом и изобретателе Джеймсе Уатте(1736-1819), много занимавшемся исследованиями воды и водяного пара, и который в 1765 году построил первый выносной конденсатор, изобрел центробежный регулятор, золотниковое распределение, а в 1769 году «запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором» (1,стр.55) общий КПД (коэффициент полезного действия) этой машины составил 8% (13,стр.12).

Уатт «по праву считается отцом паровой машины: в 1774 году им была создана паровая машина простого действия, а в 1784 - универсальная паровая машина - основа промышленного прогресса в промышленности» (16,стр.38).

И как раз в честь Джеймса Уатта единица мощности была названа «Ватт». На рубеже XVIII-XIX веков «двигатели Уатта начали решительно вытеснять водяное колесо» (1,стр.56).

Таким образом, к концу XVIII века конструкция парового двигателя содержала уже все основные элементы: паровой котел, цилиндр, конденсатор (рис.П.7).

3. Развитие теплоэнергетики после промышленного переворота

Развитие промышленного производства в течение XIX века сопровождалось укрупнением заводов и фабрик и быстрым ростом энергопотребления. Это вызывало существенное изменение единичной мощности и экономичности теплосиловых установок. Единичная мощность теплосиловых установок возросла с 10…20 до 10 000…15 000 л.с.; КПД вырос от среднего значения порядка 5% до 15%. «Рост установленной мощности паровых двигателей выразился громадным числом: 20 000 раз

(с 6 000 л.с. в 1800 году до 120 000 000 л.с. в 1900 году)» (4,стр.161).

a. Развитие паровых котлов.

В начальный период развития паровых котлов применялся пар атмосферного давления, вследствие чего проблемы их прочности незначительно отражались на процессе развития котельных конструкций.

Рост мощности паро-атмосферных двигателей неизбежно привел к необходимости увеличения производительности пара, что можно было достичь путем увеличения активной поверхности нагрева котлов, организуя обмуровку таким образом, чтобы газы омывали не только дно, но и боковые стенки котла. Уатт сконструировал котел, имевший дымоходы, которые создавали довольно развитую систему нагрева. Применение в установках Уатта давления, не превосходившего 0,25 атм., позволило получать достаточную прочность за счет слегка вогнутых днища и боковых стенок котла.

Увеличение КПД, которое нельзя было достигнуть без повышения давления пара, приводило к конструированию более прочных котлов. Но требование повышения давления вошло в противоречие с требованием роста паро - производительности. Шар - наилучшая геометрическая форма сосуда, подвергающегося большому внутреннему давлению, - дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности необходима развитая поверхность. Разрешением этого противоречия явилось использование цилиндра - следующей за шаром геометрической формой в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. Так возник цилиндрический котел. В 1801 году О.Эванс в США построил паросиловую установку с чрезвычайно высоким для того времени давлением - 8…10 атм. Котел Эванса имел цилиндрическую форму с цилиндрической же внутренней топкой. В 1824 году С.В.Литвинов в Барнауле разработал оригинальную паросиловую установку высокого давления с прямоугольным котловым агрегатом, состоявшим из оребрённых труб (,стр.165). К сожалению, установка Литвинова не была осуществлена, так как рецензент признал её непригодной, исходя из того, что таких конструкций нет в Англии.

С ростом котельного давления и паропроизводительности необходимо было уменьшать размер цилиндра (прочность) и увеличивать его длину (производительность) - котел превращался в трубу. «Эти тенденции проявлялись в форме дробления котло-агрегатов по двум возможным направлениям: дробились или газовый тракт котла, или водяное пространство. Таким образом, определились два основных типа котлов: жаротрубные и водотрубные» (4, стр.166).

3.2 Развитие паровых машин

Повысить единичную мощность паросиловых установок можно не только путем применения более высокого давления, но также и увеличением числа оборотов, что давало также снижение металлоемкости конструкции и некоторое повышение КПД. Это происходило т вследствие резкого снижения потерь пара от конденсации на стенках цилиндра.

Большое значение для повышения КПД имело введение многократного расширения пара последовательно от двух, трех, и - реже - четырех цилиндрах. В 1804 году А.Вульф предложил паровой двигатель с отдельным конденсатором и двойным расширением пара последовательно в двух цилиндрах: высокого и низкого давлений.

«Разбивка мощности на ряд цилиндров повлекла за собой повышение КПД за счет использования высокого перепада давлений и уменьшения теплообмена между паром и стенками цилиндров. Эта мера была полезна также для улучшения динамики двигателя, уравновешивания движущихся масс и способствовала дальнейшему увеличению числа оборотов валов двигателей» [4,стр.171-172].

Также на повышение КПД паровых двигателей повлияло использование с середины XIX века перегрева пара, на эффект которого еще в 30-х годах указывал французский ученый Г.А. Гирн, был применен немецким инженером В.Шмидтом в его конструкции в 1892 году.

В результате, за вторую половину XIX века сложились в основном все конструктивные формы паровых поршневых двигателей, за исключением прямоточного, предложенного немецким профессором Штумпфом в 1908 году. Были разработаны конструкции смесительных и поверхностных конденсаторов; сконструированы три принципиально различные системы парораспределительных органов: золотники, краны, клапаны.

Разработка конструкций кривошипно-шатунного механизма, уплотнений, смазочных и охлаждающих систем, регулирования, использующего центробежные и инерционные усилия и т. п. имела громадное значение не только для развития паровых двигателей. Она явилась подготовкой расчетного, конструктивного и технологического материала для освоения в будущем новых типов тепловых двигателей: паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания.[4,стр.173]

3.3 Разработка теоретических основ теплоэнергетики и исследования свойств рабочих тел.

«Первые паровые устройства и машины имели низкий КПД, так как не было теоретических знаний о теплоте, давлении пара и другие»[13,стр.11]. Поэтому исследования водяного пара, выполнявшиеся раньше вне связи с потребностями практики (Д.Папен, определивший в 1691 году зависимость температуры парообразования от давления; Циглер, в 1759 году уточнивший данные Папена), перестали быть единичными. Это побудило Уатта совместно с Д.Блеком провести работу, в результате которой было найдено отношение объема насыщенного пара к объему воды при 1 атм (в 1800г.) и построены достаточно точные кривые зависимости между давлением и температурой водяного пара от0⁰С до 100⁰С при ата. Бетанкур(1792 год), Прони(1796 год), Робисон(1822 год), Тредгольд(1838 год) и другие ученые исследуют и уточняют сведения о свойствах водяного пара с определенной целью: лучшего понимания процессов, происходящих в паросиловых установках.

Первая четверть XIX века характеризуется значительным расширением познаний о свойствах рабочих тел и, главным образом, водяного пара. Ряд физиков (Дж. Дальтон, Л.Ж. Гей-Люсак, П.Л. Дюлонг, А.Т. Пти, Ф.Д. Арго) проводят достаточно точные измерения, далеко выходя за пределы параметров, применявшихся в практике (от 1/561 до 24 ата). Исследования свойств пара были дополнены исследованиями газов, причем ряд ученых пришел к широким научным обобщениям: Гей-Люсак определил коэффициент расширения газов, Дальтон открыл закон газовых смесей, Авагадро в 1811 году разработал гипотезу о равном числе молекул в равных объемах газа при равных условиях.

В 40-х годах Х1Х века французский физик А.В. Реньо проводит обширные опыты по определению ряда величин, используемых при тепловых расчетах. «Работы Реньо составили три больших тома, в которых были изложены результаты исследований по термометрии, по отклонению свойств реальных газов от законов Бойля-Мариотта и Гей-Люсака, по теплоемкости газов. Но основное содержание работ относилось к исследованию свойств водяного пара, для которого были найдены плотность жидкости при различных температурах, давление и плотность насыщенного пара, теплота жидкости и теплота парообразования, а также ( в небольшом интервале) свойства перегретого пара»[4,стр.195].

Гирн, в свою очередь, ввел понятие о паросодержании или степени сухости водяного пара. А немецкий ученый Р.Клаузиус, исходя из рассмотрения полного процесса парообразования, вывел уравнение, связывающее изменение удельного объема при парообразовании с величиной скрытой теплоты.

Немецкий ученый Г.А. Цейнер разработал полную и систематическую теорию насыщенного водяного пара с выводом всех необходимых формул и соотношений, а позднее - и теорию перегретого пара; составил обширные таблицы свойств водяного пара; разработал уравнение истечения пара.

Р. Клаузиус и английский ученый В. Ренкин, которым принадлежат первые труды по созданию теории паровых двигателей, разработали теоретический «идеальный» цикл парового двигателя, используемый и в настоящее время как эталон. Несколько позднее, в своей теории паровой машины, Цейнер развил труды Ренкина, глубоко исследовав характер потерь, вызываемых неполным расширением пара и наличием вредного пространства.

Сложность процессов, происходящих в полостях цилиндров реальных паровых двигателей, приводила к значительному разрыву между данными теории и результатами опытов. В связи с этим начало развиваться экспериментальное направление в исследовании принципов работы паровых двигателей. Начало этому направлению положил Г.А. Гирн во Франции, Ю.Кларк в Англии, Ишервуд в США.

Изучение процесса теплообмена и его зависимости от ряда факторов стали основой экспериментальных исследований, позволивших сблизить теорию с практикой и установивших влияние на эффективность работы паровых двигателей ряда существенных факторов: перегрева пара, паровой рубашки, многократного расширения пара и т. д. Оценка этих факторов, на основе данных многочисленных опытов, дала возможность производить расчеты паровых двигателей с достаточной для практики степенью точности и, благодаря этому, значительно увеличить КПД, приблизить реальный цикл к теоретическому.

Развитие практической теплоэнергетики нашло свое отражение и в работах ряяда отечественных ученых. В 60-80-х годах Х1Х века в России вышел ряд книг и статей по теории тепловых двигателей: А.В. Гадолина, И.А. Вышнеградского, Ф.Ф. Петрушевского, И.П. Алымова. Профессор Петербурского университета М.Ф. Окатов разработал вывод аналитического выражения второго закона термодинамики.

«В исследованиях свойств рабочих тел большое значение имели труды великого ученого Д.И. Менделеева, который вывел общее уравнение состояния для идеального газа, в 1861 году открыл явление критического состояния вещества и определил температуру этого состояния, назвав ее «абсолютной температурой кипения»[4,стр.196].

Ж.Б. Фурье в работе «Аналитическая теория тепла», вышедшей в 1822 году, установил общие законы теплопроводности, применив специальные математические методы (ряды и интеграл Фурье).

Сади Карно в своей теоретической работе «Размышления о движущей силе огня», изданной в 1824 году, поставив чисто практическую задачу исследовать причины высокого расхода топлива в паровых машинах, пришел к исключительно глубоким выводам: «…недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезна», и далее «повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы» [4,стр.197].

Приведенные положения, дополненные выводом о принципиально-цикличной работе тепловых двигателей, показывают, что Карно впервые сформулировал положение второго закона термодинамики.

Кроме того, С. Карно разработал понятие о круговом замкнутом процессе, о принципиальной периодичности работы тепловых двигателей. Он нашел такой круговой замкнутый процесс (цикл Карно, представляющий собой «термодинамический цикл, состоящий из четырех последовательных процессов» [11,стр.16], приведенный на рис.П.8),при котором между двумя температурными уровнями можно получить максимум работы. Но приведенные Карно «рассуждения не сопровождались ни расчетами, ни графиками…Лишь через десять лет, 1834 году, другой француз, Эмиль Клапейрон, придал термодинамике Карно канонический вид» [14,стр.37].

Одним из важнейших научных обобщений рассматриваемого периода также является открытие закона сохранения и превращения энергии. Естественнонаучное обоснование неразрывности материи и движения впервые было дано М.И.Ломоносовым3.4. Развитие паровых котлов во второй половине Х1Х века. в 1744 году. А в 1756 году он экспериментально подтвердил принцип сохранения материи в форме закона сохранения массы вещества.

3.4 Развитие паровых котлов во второй половине Х1Х века

Во второй половине Х1Х века существующая тенденция на повышение давления пара и производительности котлов привела к единственной рациональной принципиальной основе конструирования парового котла в виде той или иной комбинации стальных тонкостенных труб небольшого диаметра: горизонтальный водотрубный котел, появившийся в в середине Х1Х века (рис.П.9).

Проблемой надежной циркуляции воды в паровых котлах успешно занимался строитель многих судовых котлов и паровых машин В.И. Калашников (1849-1908). Им был получен патент на вертикальный водотрубный котел с « полной циркуляцией», которая означала участие в циркуляционном движении всей проходящей через котел воды за счет одной естественной циркуляции.

К прогрессивной идее прямоточного котла с принудительной циркуляцией под действием питательных насосов в 1893 году пришли изобретатели П.Д. Кузьминский и Н.Ф. Пашинин.

В 1897 году А. Погодин на специальных моделях наглядно продемонстрировал исследованный им механизм циркуляции пароводяной смеси. В результате своей работы он вывел уравнение подъемной силы парового пузыря и сопротивления среды его движению и составил общее уравнение полезного напора в циркуляционном контуре.

Д.И. Артемьев в одновитковом прямоточном котле судового назначения применил экранный принцип (рис.П.10), ограничив топочный объем с вертикальным факелом горения нефти сплошной одновитковой спиралью - экраном.

Значительное развитие общей теории паровых котлов было дано в многочисленных работах профессора Г.Ф. Деппа. А разработанный профессором В.И. Гриневецким графический метод теплового расчета паровых котлов значительно облегчил проектирование паровых котлов.

3.5 Паровые турбины

Потребность в паровой турбине возникла в промышленности в связи с начавшимся применением рабочих машин, обладающих высокой скоростью вращения. Ряд попыток построения паровых турбин, основанных на реактивном принципе, показанном еще Героном в его эолипиле, начался в 1791 году (Садлер) и продолжался до 1837 года (Жакме). «Опыты Сен-Венана и Вантцеля над истечением пара показали, что имелись большие трудности в осуществлении паровой турбины, связанные с высокими скоростями движущейся среды и воспринимающей работу лопатки показало, что паровая турбина может эффективно работать только при очень больших числах оборотов»[4,стр.386].

Таким образом, перед изобретателями паровых турбин намечались два возможных пути: поиск способов снижения числа оборотов паровых турбин без потери КПД или разработка конструкций, способных работать с большим (несколько тысяч в минуту) числом оборотов.

Первое направление было намечено Леруа еще в 1840 году. Оно заключалось в применении многоступенчатой турбины. Также впоследствии многоступенчатый принцип был предложен рядом изобретателей: Турнер (1853 год), Жирар (1855 год), Перриго и Фарко (1864 год), Эдвардс(1871 год) и другие.

До 80-90-х годов Х1Х века применение паровых турбин носило единичный характер. Подлинный стимул к их развитию возник с началом электроэнергетики, хотя ряд принципиальных вопросов турбостроения был поставлен и в частной форме разрешен еще ранее в трудах шведского инженера Густава Патрика Лавали. Стремясь повысить КПД турбины, «Лаваль в 1889 году изобрел расширяющееся сопло, носящее и поныне его имя и позволяющее понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость» [4,стр.388]. Сопло Лаваля предоставило возможность повышать начальное давление пара.

Своим изобретение Г.П. Лаваль осуществил активную одновенечную турбину, срабатывавшую скоростную энергию пара на одном рабочем колесе, которое вращалось со скоростью порядка 30 000 оборотов в минуту. В этой конструкции им был решен ряд сложнейших проблем: расширяющиеся сопла; гибкий вал; турбинное колесо; подшипники гибкого вала, получившие шаровую опору; специальные материалы (им впервые применена была никелевая сталь для лопаток дисков) и др. Однако Лаваль дал лишь частные ответы на возникшие перед ним вопросы.

Очевидно, что многие ученые искали теоретические решения перечисленных проблем. «Теория расширяющегося сопла была дана Г.А. Цейнером (1899 год), однако, получила широкое признание значительно позднее, после публикации работ ряда ученых, особенно чешского профессора А. Стодола. Теория гибкого вала сложилась в 1894-1895 годах в результате трудов Феппля и Дж. Дунверлея; позднее большое количество работ по этому вопросу было систематизировано и самостоятельно переработано А.Стодола. В 1897 году Грюблер установил общую теорию прочности быстро вращающегося диска, после которой разрабатывался ряд методов практического расчета турбинных дисков, значительно развитых и систематизированных тем же А.Стодола, который создал подлинную энциклопедию паровых турбин» [4,стр. 390].

Отличительной чертой быстроходных паровых турбин, не имеющих частей, совершающих возвратно-поступательное движение, является возможность концентрации большой мощности в одном агрегате. Это свойство турбины могло быть полезным при ее объединении с генератором электрического тока, особенно в связи с увеличением потребляемой мощности.

В этом направлении начал свои работы английский инженер Ч.А. Парсонс. В 1884 году он «сконструировал многоступенчатую реактивную паровую турбину на 4000 об/мин, мощностью 300 кВт» [16,38], «с особыми группами лопаток - подвижными и неподвижными. Такая конструкция была более удачной и получила дальнейшее развитие в работах конструкторов многих стран» [13,16].

В течение почти 15 лет, с 1885 по 1899 года, Парсонс строил паровые турбины самых разнообразных конструкций, постепенно вводя новые и новые улучшения. Однако, на Европейском континенте паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенераторов только с 1899 года (в этом году в немецком Эльберфельде на электростанции для привода генераторов трехфазного переменного тока впервые были применены турбины Парсонса мощностью 1000 кВт)

Большую роль в снижении удельных расходов пара сыграло примененное впервые в турбинах завода Парсонса углубление вакуума посредством «струйных элементов», явившихся предшественниками современных пароструйных эжекторов.

Паровые турбины начинают развиваться во всех передовых в техническом отношении странах. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже французским профессором Огюстом Рато были представлены чертежи и детали паровой турбины мощностью 1000 л.с., сконструированной по принципу разбивки общего перепада давлений на отдельные активные ступени, в каждой из которых срабатывался определенный перепад давлений (рис.П.11). А в 1903 году инженер завода Эшер-Висс в Швейцарии Генрих Целли коренным образом усовершенствовал турбину Рато, уменьшив число активных ступеней давления с 16-20 до 7-10, что в значительной степени упрощало и удешевляло турбину.