Источники энергии - история и современность

Лук был одним из первых изобретений человека разумного. Это оружие создано так давно, что не известна дата изобретения и имя изобретателя. Возможно, идея изобретения возникла при сгибании упругих веток деревьев, но следует отметить, что лук не был изобретением одного человека, а, скорее всего, являлся результатом наблюдений нескольких поколений.

Лук позволял преобразовать потенциальную энергию тетивы в кинетическую энергию стрелы таким образом, что стрела, выпущенная из лука, летела намного дальше, чем стрела, брошенная рукой человека (вообще, стрела появилась раньше лука и применялась как метательное оружие).

Луку было найдено и другое применение. Есть свидетельства, что с его помощью приводился примитивный сверлильный механизм древнего человека; имеется изображение Древнеегипетского токарного станка, в котором обрабатываемая деталь приводилась во вращение посредством лука.

Метательные качества лука зависели от свойств тетивы и самого лука (упругости и прочности). Чем лучше были выше эти свойства, тем лучше был лук. В более позднем времени стали появляться так называемые сложные луки, которые усиливались различными накладками из кости или рога.

Метательных машин античности, использовавших силу упругости волокон, сухожилий и дерева, было создано достаточно много, но ни одно из них не сохранилось в целости и сохранности. Эти машины подразделялись на две разновидности: для метания стрел "прямой наводкой", выглядевшие как луки, снабжённые механизмами для натягивания и спуска тетивы. К ним относились всевозможные конструкции станковых арбалетов и баллист (греч. "балло" - бросаю). Второй разновидностью были машины, метавшие снаряды по навесной траектории - катапульты и камнемёты.

Особого развития метательные машины, а особенно станковые арбалеты, достигли в Древнем Китае. С помощью этого оружия китайцы оборонялись от кочевников и сумели сдержать первый натиск монгольских завоевателей. Именно из этого оружия метались первые начинённые порохом снаряды.

Есть свидетельства, что к созданию первых в истории метательных машин приложил руку сам Архимед.

На рисунках представлена зависимость дальности и высоты полёта стрелы от её массы, упругости тетивы и лука (сопротивление воздуха в этом случае мало и поэтому не учитывается).

1.3 Водяное колесо

В истории человечества водяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков водяные машины были главным источником энергии на производстве. Затем развитие тепловых (а позже - электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однако везде, где имелись дешёвые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других, поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имел сравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIX века была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетика пережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему миру развернулось строительство ГЭС, на которых электрогенераторы получали свой привод от гидротурбин различных конструкций. Об электрогенераторах и гидротурбинах рассказ будет чуть позже, а сейчас будет рассказ о водяном колесе.

Первые водяные колёса появились ещё в древности. По конструкции они делились на два основных вида (см. ниже): нижнебойные (подливные) и верхнебойные (наливные). Нижнебойные водяные колёса были наиболее простым типом водяного двигателя. Они не требовали для себя строительства сложных гидротехнических сооружений, но в то же время имели самый низкий КПД, так как их работа основывалась на достаточно невыгодном принципе: подтекающая под колесо вода ударяла в лопатки, заставляя их вращаться. Работа верхнебойных колёс основывалась на использовании веса падающей воды.

КПД верхнебойного водяного колеса достигал 75%, который был самым высоким из всех созданных тогда двигателей. Этот своеобразный рекорд был побит с появлением гидротурбин различных конструкций.

КПД среднебойного колеса равнялся 65%, нижнебойного - ещё меньше.

Несмотря на относительно высокий КПД, водяные колёса были маломощными двигателями. Обычно их мощность равнялась 5 - 6 лс. Для получения больших мощностей строились колёса огромных размеров, что было связано с новыми трудностями: такая "махина" была тяжела, громоздка, её было трудно запустить.

Нижнебойное и верхнебойное водяные колёса отличались по свойствам: при равной мощности первое имело большую скорость вращения, чем второе.

С появлением такой тепловой машины, как машина Уатта, водяные двигатели стали забываться. Второе возрождение водяного двигателя, но уже в другом виде, началось с изобретением в 1750 году венгром Сегнером, работавшем в Геттингенском университете совершенно нового типа водяного двигателя.

На рисунке слева представлено верхнебойное водяное колесо, справа - нижнебойное.

1.4 Паровая турбина Герона - любопытная игрушка Древнего мира

Изобретение греческого механика и учёного Герона Александрийского (II век до нашей эры). Ёе работа основана на принципе реактивного движения: пар из котла поступал по трубке в шар, укреплённый на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.

К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но сам принцип не был заброшен техникой: в наше время он применяется в устройстве реактивных двигателей.

Весьма оригинальная находка гениального механика!

1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)

"Одну часть угля, одну часть серы и шесть частей селитры мелко растолочь и развести льняным или лавровым маслом, затем положить в трубу и зажечь. Всё летит сейчас же в желаемом направлении и всё уничтожает своим пламенем…" - так писал в 1220 году византийский автор Марк Грек в своём трактате "Книга огней для сжигания врагов". С распространением пороха в Европе связано много имён: это и вышеупомянутый Марк Грек, и монах Роджер Бэкон, и монах Бертольд Шварц. Но порох был изобретён, хотя нет, даже не изобретён, а почти что случайно открыт китайским алхимиком Сунь Сымяо в VII веке н.э., о чём было написано им в трактате "Дань цзин". Изначально порох применялся в качестве зажигательного средства, скорее всего из - за того, что изготовленный из неочищенных компонентов порох не давал сильного взрывного эффекта. Но через некоторое время стали применяться разрывные снаряды, называемые китайцами "Огненный ястреб", "Чёрный дракон" и другие. Секрет изготовления пороха шёл в Европу по длинной цепочке: от китайцев к монголам, потом к арабам, затем к византийцам, а потом уже к европейцам. Именно европейцы научились использовать порох надлежащим образом: из-за появления пороха в Европе переворот произошёл не только в военном деле, но и в устройстве европейского общества: феодальный строй был сменён буржуазным.

Что же позволяло пороху при горении выделять энергию, способную метать пули и ядра, те, в свою очередь, могли пробивать рыцарские латы и стены замков? Для этого придётся сделать небольшое отступление и обратиться к химии: реакция, происходящая при горении пороха, описывается приблизительно следующим уравнением:

2KNO₃+3C+S = K₂S+3CO₂ +N₂,

где K₂S - твёрдый остаток горения, а СО₂ и N₂ - газы. Как видно из уравнения, горение происходило без использования кислорода воздуха, поэтому, однажды начавшись, оно с необыкновенной быстротой начинает распространяться и внутри смеси, и по её поверхности. Образующиеся при горении нагретые быстрорасширяющиеся газы распространяются во все стороны сметают всё на своём пути, поэтому реакция приобретала взрывной характер. Однако и при таком составе в газы обращалось только 40% всей смеси, а остальное составляли твёрдые продукты горения, осаждавшиеся в виде копоти или дыма.

После распространения пороха в Европе он стал изготавливаться в самых отдалённых её уголках и применяться во всех армиях Европейских стран. Несмотря на некоторые недостатки в применении пороха (дым и копоть, а также дороговизна калийной селитры), эта смесь на протяжении 6-ти столетий была единственным взрывчатым веществом, используемым человеком.

Для того, чтобы вещество (или смесь) считалась взрывчатой, оно должно обладать двумя свойствами: оно должно очень быстро сгорать; при горении должно выделятся большое количество газов, имеющих высокую температуру и давление. Именно этими свойствами обладал чёрный порох.

С развитием органической химии в XIX веке появляются новые вещества, которые обладали этими свойствами. Но, как оказалось, они были во много раз мощнее пороха.

В 1846 году были изобретены два мощных взрывчатых вещества: мирный и набожный немецкий бюргер Христиан Шенбейн изобрёл пироксилин (тринитроцеллюлозу), итальянец из Турина Асканил Собреро создал нитроглицерин (сложный эфир глицерина и азотной кислоты). Впервые за тысячу лет человечество получило новые взрывчатые вещества. Но это было только началом пути: и пироксилин, и нитроглицерин были весьма капризными и опасными продуктами. Следовало пройти ещё длинный путь, на котором были и ужасные пожары и взрывы, и гибель людей (среди которых был и брат изобретателя динамита Эмиль Нобель).

Некоторые опасные взрывчатые вещества до того, как стало известно об этом их свойстве, использовались в совершенно мирных целях. Например, тринитрофенол (мощнее тротила!), использовался в качестве жёлтого красителя. О его истинных свойствах узнали тогда, когда в Париже взрывом этой, казалось бы, безобидной "краски" была полностью уничтожена текстильная фабрика.

Участие в изобретении новых взрывчатых веществ, в частности порохов, принял участие и великий русский учёный Д.И. Менделеев. Он также предложил несколько усовершенствований в промышленном производстве пороха, таких, как например, обезвоживание пороха этиловым спиртом взамен сушке. Но… русское правительство предпочло закупать порох в Германии, а с началом Первой мировой войны - в Америке, причём тот же самый менделеевский порох, патент на который был продан.

В целом, значение пороха в истории человечества весьма значительно. Жаль только, что человек применял его чаще всего для уничтожения себе подобных, а не в мирных целях (строительство, добыча полезных ископаемых и другие).

2. От раннего средневековья до ХХ века

2.1 "Perpetuum mobile" - неосуществимая мачта средневековья

2.4.1 Модель Папена

Французский врач Дени Папен, встретившись с крупнейшим учёным того времени - Христианом Гюйгенсом, после долгих и увлекательных бесед с ним был так сильно заинтересован задачами, стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике. Он выбрал для себя самую важную и интересную по тому времени область техники - исследование свойств пара и создание теплового двигателя.

В 1680 году Папен изобрёл паровой котёл. Но, создав котёл, он не сразу нашёл способ его применения, а даже отошёл от использования пара - его поглотила идея создания машины, в которой работали бы атмосферное давление и газ, выделявшийся при сгорании пороха. Эта конструкция и принцип действия показаны на верхнем рисунке. Но этому первому двигателю внутреннего сгорания не суждено было жить - от неё отказался сам изобретатель, убедившись, что полезная работа, совершаемая ею, невелика.

И тогда Папен вернулся к пару. Свою первую паровую машину он построил, используя тот же принцип, только заменил порох на воду. И, казалось бы, изобретатель добился своего - его паровая машина работала. Но представив, сколько возни было бы с ней, а в результате - один рабочий ход в минуту и мощность меньше 1 лс, Папен отказался и от неё.

Не суждено было найти применение машинам Папена, но другое его изобретение - паровой котёл - являлось отправной точкой для других конструкций, более или менее удачных. Папен также был первопроходцем в области конструирования ДВС, что также является его заслугой.

2.4.2 Паровой насос Сэвери

Изобретён английским горным инженером Томасом Сэвери.

Предназначался для откачки воды из шахт. Этот насос имел малую мощность и КПД.

Из-за острой нужды в универсальном двигателе были попытки соединить этот насос и водяное колесо для получения вращательного движения: насос качает воду из нижнего в верхний бак, из которого вода льётся на водяное колесо и возвращается в нижний бак.

Работа насоса происходила так: пар в насосном резервуаре охлаждался впущенной через кран водой, создавая в нём (в резервуаре) давление ниже атмосферного, из-за чего происходило всасывание воды из шахты; после этого в резервуар подавался пар, который и вытеснял всосанную воду; затем описанный цикл повторялся. Клапаны обеспечивали работу насоса: они не допускали попадания пара в шахту, попаданию воды в резервуар тогда, когда этого не было нужно, не допускали обратный сток воды в шахту.

Об этом насосе знал русский царь Пётр I, который хотел применить его при строительстве каналов в Петербурге, но был разочарован его малой мощностью и приказал поставить насос в Летнем саду для обеспечения водой фонтанов.

2.4.3 Паровая машина Ньюкомена

Была создана в 1711 году английским изобретателем - кузнечным мастером Томасом Ньюкоменом.

Принципиальное устройство изображено на рисунке.

Машина управлялась вручную, лишь в 1718 году Бейтон придумал механизм, обеспечивающий машине самостоятельность.

Машина имела КПД, равный 1%, и поэтому нашла применение только на угольных шахтах, где было дешёвое топливо.

Применялась для привода водяного насоса, откачивающего воду из шахт.

Принцип действия машины был несложен: давление пара, впускаемого в цилиндр, поднимало поршень вверх. Когда он достигал определённой точки, в цилиндр подавалась холодная вода, из-за чего пар конденсировался, и давление резко падало - поршень начинал двигаться вниз под действием атмосферного давления.

Исходя из описанного принципа действия, машину Ньюкомена правильнее называть пароатмосферной, так как атмосферное давление играет не меньшую, чем пар, роль.

2.4.4 Паровая машина Ползунова

Паровая машина русского механика И.И. Ползунова была построена за 20 лет до создания Уаттом своей машины, в 1766 году на Алтае. Ползунов был высоко образованным человеком для своего сословия, имел представление об машинах Сэвери и Ньюкомена. Перед конструированием машины механик проделал большую работу - не только расчёты, но и преодоление чиновничьей волокиты. И только посулив большую выгоду от использования своей "огнедействующей" машины, Ползунов смог её построить. Но…тяжёлая болезнь - туберкулёз - погубила не только изобретателя, но и его изобретение. После смерти Ползунова машина проработала 43 суток, не только окупила сама себя, но и принесла большую экономию заводу. Машина встала из-за поломки парового котла, сделанного из меди (для пробы), а не из чугуна. Вскоре она была разобрана "за ненадобностью". Схематическая конструкция машины показана на рисунке. У ней было два цилиндра, поршни которого были соединены таким образом, что, когда один из них опускался, то другой в это время поднимался. С помощью механизмов машина работала самостоятельно, требовалось лишь подбрасывать топливо в топку котла. В машине использовалось не только атмосферное давление, но и давление пара. Конструкция Ползунова являлась машиной непрерывного действия. Механик также знал, как можно преобразовать возвратно-поступательное движение её во вращательное, если это потребуется, хотя 90% механизмов завода, на котором стояла машина, требовали именно возвратно-поступательного привода (воздуходувные меха, насосы и пр.). В целом, машина Ползунова являлась первым в мире универсальным тепловым двигателем. Несмотря на печальную судьбу как машины, так и её изобретателя, мы не должны забывать, кто первым изобрёл этот так необходимый для промышленности того времени двигатель - выдающийся уральский механик, солдатский сын Иван Иванович Ползунов.

2.4.5 Паровая машина Уатта

Более удачливым в конструировании, а также признании универсального двигателя был английский механик Джеймс Уатт.

Уатт был механиком, работавшим в мастерских университета города Глазго. Однажды он получил задание - починить имевшуюся при университете машину Ньюкомена. Уатт выполнил задание, а сам сделал себе модель машины и начал с ней экспериментировать. После нескольких опытов механик выявил её основные недостатки, и решил построить свой тепловой двигатель, который был от них свободен.

Имея не только материальную, но и научную поддержку, Уатт принялся за работу.

Прежде всего, Уатт отказался от конденсации пара в самом цилиндре - на это тратилась дополнительная энергия. Для конденсации он сконструировал отдельный прибор, в котором во время работы машины создавалось разряжение, приводившийся в действие самой машиной.

После нескольких более или менее удачных проектов Уатт сконструировал действительно универсальный тепловой двигатель, устройство которого показано на рисунке (для наглядности опора балансира развёрнута на 180 градусов). Машина имела цилиндр двойного действия: в то время, как в верхней его части происходило расширение пара, пар из нижней части выпускался в конденсатор, и наоборот. Для впуска - выпуска пара то из нижней, то из верхней части цилиндра Уатт применил золотник, являвшийся своеобразным краном и игравший не менее важную роль, чем поршень или цилиндр ("Мал "золотник", да дорог!"). Точная подгонка всех деталей имела очень важное значение, так как без этого машина не стала бы работать, но для промышленно развитой Англии достижение точности не являлось трудным вопросом. Уатт применил в своей машине ещё одно полезное приспособление - регулятор подачи пара, который заставлял работать машину с постоянным числом оборотов вала. Именно Уатт ввёл понятие "лошадиная сила". Двигатель Уатта оказался не только универсальным, но и мощным и компактным, что позволяло его ставить не только на заводы, но и на средства передвижения.

Паровая машина Уатта сыграла значительную роль в истории человечества, т.к. она сумела произвести промышленный переворот, т.е. переход от ручного производства к машинному.

2.4.6 Паровая турбина

История промышленной паровой турбины началась с изобретения шведским инженером Карлом - Густавом - Патриком де Лавалем …сепаратора для молока. Сконструированный аппарат требовал для себя привода с большим числом оборотов. Изобретатель знал, что ни паровая машина, ни ДВС того времени не могли развить нужное число оборотов. Но он также знал о турбине Герона, и применил его изобретение для своего сепаратора: через две изогнутые трубки выходил пар, и они начинали двигаться, вращая всю конструкцию.

Вскоре Лаваль отошёл от реактивного принципа, и построил турбину по активному. Рабочее колесо этой турбины имело по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкало 4 сопла, из которых со скоростью свыше 1 км/с выходил пар, передавая свою кинетическую энергию турбине, заставляя её вращаться с огромной скоростью. Эта турбина имела мощность 5 лс и развивала 30000 оборотов в минуту, что делало её непригодной для привода рабочих машин (станков и пр). Но после упорной работы Лаваль стал строить турбины мощностью 500 лс при 10000 оборотов в минуту; чтобы ещё снизить число оборотов, Лаваль применял редуктор.

Но и после появления этих турбин новый двигатель не мог конкурировать с паровой машиной: одноступенчатая турбина Лаваля с редуктором была дорога, громоздка и имела не очень высокий КПД.

Значительно больших успехов в конструировании паровых турбин добились изобретатели других стран.

Основной ошибкой Лаваля было применение только одной ступени, что и вызывало указанные недостатки. Французский инженер Огюст Рато предложил активную турбину с несколькими ступенями, рассчитанную на 1000 лс. Главным новшеством было то, что Рато заставил пар расширятся постепенно, для чего в перегородках между колёсами турбины были проделаны сопла, причём в первой перегородке сопла менее широкие, чем во второй, а те, в свою очередь, менее широкие, чем в третей и так далее, что позволяло использовать всю кинетическую энергию пара, так как он расширялся и терял давление постепенно, увеличивая свою скорость.

Активную турбину несколько другой конструкции построил американский инженер Чарльз Кертис. Он предложил на одном рабочем колесе помещать несколько рядов лопаток, между которыми конструктор расположил неподвижные, связанные со стенками корпуса турбины направляющие каналы. Таким образом, струя пара встречается с первым рядом лопаток, но не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить свою скорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые направляют пар на второй ряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя пара отдаёт второму и так далее. В результате пар передаёт турбине Кертиса ту же энергию, что и турбине с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения. Эта турбина имеет один недостаток - низкий КПД.

Не был забыт и реактивный принцип. Англичанин Чарльз Парсон вошёл в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа. Свою первую турбину, используя реактивный принцип, Парсон построил в 1884 - 1885 годах. В этой конструкции использовался и активный принцип. Это была многоступенчатая турбина. Пар в этой турбине, проходя между неподвижными лопатками направляющего аппарата, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость. Но, кроме расширения в направляющих аппаратах, Парсон ввёл расширение и в каналах лопаток рабочего колеса, следовательно, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает расширяться. Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце с большей скоростью, чем в начале. Когда пар покидает рабочие лопатки с повышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутых поверхностей, создавая реактивное действие на рабочие лопатки, сообщающее им дополнительную скорость, а, следовательно, и дополнительную энергию.

2.5 Двигатели внутреннего сгорания