Виды энергии и развитие человеческого общества

А.К. Соловьев

ИСТОРИЯ ТЕХНИКИ И

ТЕХНОЛОГИИ

 

конспект лекций для студентов обучающихся

по направлению подготовки

13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника

(профиль подготовки – Промышленная теплоэнергетика)

 

Новокузнецк

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕМА 1. Введение…………………………........................................................................
Энергия и энергетика………...............................................................................
Виды энергии и развитие человеческого общества..........................................
Количественные показатели энергетики...........................................................
Естественные ресурсы……….............................................................................
ТЕМА 2. Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития энергетики.........
Предпосылки развития гидроэнергетики…………………...............................
Водяные колеса…………………………………………………………………
Гидравлический двигатель……………………………………………………..
Гидроэнергетика и теплоэнергетика…………………………………………..
ТЕМА 3. История теплоэнергетики....................................................................................
Предпосылки возникновения теплоэнергетики................................................
Начальный период развития теплового двигателя...........................................
Появление универсального парового двигателя…….......................................
Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие паровых машин……………………………………………………………………………
Паровой котел……………………………………………………………………
Возникновение парового транспорта…………………………………………..
Двигатели внутреннего сгорания……………………………………………….
Паровая турбина…………………………………………………………………
Газовая турбина………………………………………………………………….
Тепловые машины и их влияние на окружающую среду……………………..
ТЕМА 4. Развитие электротехники и электромеханики...................................................
Этапы развития электротехники.........................................................................
Первый генератор электрического тока.............................................................
Электродинамика, основные законы электрической цепи...............................
Развитие электрических машин постоянного тока……………………………
ТЕМА 5. Переход энергетической техники на качественно новый уровень……..........
Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики..............
Развитие кабельной и изоляционной техники…………………………………
Развитие генераторов и двигателей однофазного тока……………………….
Развитие однофазных трансформаторов……………………………………….
Первые экспериментальные и теоретические исследования в области передачи электрической энергии постоянным током……………………………....
Электростанции постоянного и однофазного переменного тока…………….
Возникновение многофазных систем…………………………………………..
Трехфазная система……………………………………………………………..
Трехфазный трансформатор…………………………………………………….
Первая трехфазная линия электропередачи…………………………………...
ТЕМА 6. Развитие первичной энергетики в связи с электрификацией...........................
Развитие котлостроения…………......................................................................
Развитие паровых турбин……………………………………………………….
Развитие гидравлических турбин………………………………………………
ТЕМА 7. Развитие электростанций……………………………….....................................
Развитие тепловых электростанций...................................................................
Развитие гидроэлектростанций...........................................................................
ТЕМА 8.. Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния...........
Передача энергии постоянным током…………………....................................
Передача энергии переменным током................................................................
Развитие кабельных и воздушных линий..........................................................

Вводная лекция по дисциплине

«История энергетики»

 

По истории и прогнозированию развития энергетики опубликовано множество работ отечественных и зарубежных авторов, в которых рассматриваются общие закономерности развития энергетики, раскрывается исторический процесс развития тепло-, гидро- и электроэнергетики, описываются основные варианты применения электроэнергии: средства управления и автоматики.

Особенностью данного курса является описание исторического процесса развития энергетики с глубины веков и до настоящего времени, а также повышенное внимание к влиянию энергетического оборудования на среду обитания человека. К сожалению, это влияние, как правило, негативное.

 

Цели и задачи учебной дисциплины

Дисциплина "История энергетики" изучается студентами специальности "Промышленная теплоэнергетика".

Целью введения дисциплины является раскрытие исторического процесса развития энергетики во взаимосвязи с достижениями и последствиями этого развития в окружающей среде; на этой основе обращение внимания студентов на необходимость комплексного подхода при решении профессиональных технических задач в процессе проектирования и эксплуатации энергетического оборудования.

Задачей учебной дисциплины является:

• охват максимального числа факторов при поиске оптимального проектного решения и учет основных связей, которым будет подчинен процесс существования и эксплуатации проектируемого объекта;

• определение экономической целесообразности создания объекта, путем сопоставления затрат на создание и убытки при эксплуатации этого объекта;

• прием во внимание исторического опыта развития необходимой области энергетики в профессиональной деятельности.

Общие методические указания

Дисциплина "История энергетики" является важной ступенью учебного процесса. Изучение данной дисциплины начинается в первых семестрах и служит психологической основой необходимости овладения знаниями всех остальных дисциплин учебного плана подготовки инженеров-теплотехников.

Содержание рабочей программы построено на материале различных литературных источников, приведенных ниже.

При самостоятельном изучении материала, по всем возникающим неясным вопросам необходимо обращаться за консультацией на кафедру. Для самопроверки усвоения материала рекомендуется ответить на приведенные вопросы к разделам рабочей программы, а также протестироваться.

По дисциплине «История энергетики» предусмотрено написание реферата по одному из разделов курса. Темы для написания реферата необходимо взять у преподавателя.

При изучении дисциплины рекомендуется руководствоваться программой курса и самостоятельно овладеть теорией по учебникам. Рекомендуется прослушать обзорные лекции по основным разделам курса, которые читаются в период экзаменационных сессий.

В конце курса предусмотрен зачет по дисциплине. Требования, предъявляемые на зачете - знание теории и понимание физической сущности рассматриваемых в курсе вопросов, а также по каждому разделу знание фамилий - основоположников той или иной науки и их основного вклада в энергетику.

 

Основная литература

1. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Энергетическая техника и ее развитие.-М.: Высшая школа, 1976.-304с.

2. Давыдова Л.Г., Буряк А.А. Энергетика: пути развития и перспективы.-М.: Наука, 1981.-120с.

3. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020г./ Перевод с англ. Под редакцией Ю.Н. Старшинова.-М.: Энергия, 1980.-256с.

4. Воробьев В.Е., Рябуха В.И., Томов А.А. История энергетики и среда обитания человека., Спб., 2004.-76с.

 

Дополнительная литература

1. Беляев Л. С. Комплексные проблемы развития энергетики СССР / Л. С. Беляев; Ю. Д. Кононов; А. А. Кошелев; д. и. - Новосибирск: Б. и., 1988. - 284с.

2. Веселовский О. Н. Энергетическая техника и ее развитие / О. Н. Веселовский. - М.: Наука, 1976. - 304с.

3. Григорова Л. Ф. От тепла к атому / Л. Ф. Григорова. - Ереван: Б. и., 1976. - 156с.

4. Гуриков В. А. Из истории развития передачи электрической энергии / В. А. Гуриков. //Электро. - 2000. - N1. -С. 50-52.

5. Карцев В. П. Тысячелетия энергетики / В. П. Карцев; П. М. Хазановский. - М.: Знание, 1984. - 224с.

6. Лебедев Б. П. Электроэнергетика мира в 1993 г. / Б. П. Лебедев. //Электрические станции. - 1996. -N6. -С. 63-68.

7. Мелентьев Л. А. Очерки истории отечественной энергетики: Развитие науч. -техн. мысли / Л. А. Мелентьев. - М.: Наука, 1987. - 278с.

8. Савин В. И. Развитие электроэнергетики в России в период до 2010 г. / В. И. Савин //Промышленная энергетика. - 1995. -N4. -С. 2-5.

9. Соколов Е. Я. Развитие теплофикации в России / Е. Я. Соколов. //Горное хозяйство и экология: Изв. Жил. -коммун. акад. - 1994. -N3. -С. 70-78.

10.Ястржембский А. С. Термодинамика: история ее развития / А. С. Ястржембский. - М. -Л.: Б. и., 1966. - 667с.

 

 

ТЕМА 1

Введение

Энергия и энергетика

В процессе своего становления энергетика претерпела много изменений, но из покон веков основной ее элемент- энергия был неизменен. Слово "энергеа" при переводе с греческого означает "деятельность".

Ученые первоначально называли энергией способность различных предметов совершать работу: например, молот, падая, плющит металл.

После того как было непреложно доказано, что движение материи может превращать один вид энергии в другой (движение поднятого молота превращается при ударе о металл в тепло, при этом сам молот и обрабатываемый металл претерпевают механические изменения), можно сказать - энергия выражает общую меру различных форм движения материи: и крупных тел, и атомов, и электромагнитных волн, и всякого рода физических полей.

Стало возможным измерять различные по внешним признакам движения - одним общим "масштабом". Нашли точные соотношения, по которым одни виды движения (виды энергии, как говорят для удобства) переходят в другие - закон сохранения и превращения энергии.

Иначе говоря, окружающий нас мир есть "вечно" движущаяся и развивающаяся материя. Всеобщей мерой движения материи во всех ее формах является энергия, а неуничтожимость движения материи выражается в науке законом сохранения энергии.

Наиболее общие формы движения материи называются физическими. К ним относятся: механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная и внутриядерная формы движения материи [1]. Современная физика изучает различные формы движения материи, их взаимные превращения, а также свойства вещества и поля. Подобно тому, как из семи нот образуется все многообразие музыки, так из различных форм энергии движения образуется все многообразие процессов во Вселенной.

Однако, чтобы эта энергия стала нужной человеку, он должен был научиться "обращаться" с ней - преобразовать одни виды энергии в другие.

Преобразование любых энергий (тепловой, механической, молекулярной, ядерной и т.д.) в электрическую энергию и обратно -называется энергетикой.

Овладеть энергией можно только с помощью каких-либо устройств и машин. Поэтому вся история технического прогресса - это история изобретения и создания этих устройств и машин. Слово "техника" с греческого переводится как "мастерство", можно сказать, что это умение создавать (мастерить) машины (устройства). Достижения техники являются результатом использования для нужд людей фундаментальных открытий науки во все времена.

Под энергетической техникой понимают совокупность средств производства, преобразования, передачи и распределения между потребителями различных форм энергии.

Фундаментальной теоретической основой энергетической техники является закон сохранения и преобразования энергии.

Естественные ресурсы

Человечество для жизни стремилось и стремится использовать всю окружающую природу: энергию Солнца и недр Земли, воду и воздух, растительность и животный мир, уже известные их запасы и то, что еще предстоит открыть. На практике же люди используют не все многообразие богатств природы, а только то, что соответствует их потребностям и возможностям на данном уровне развития общества [4].

Первобытных людей было сравнительно мало на Земле, да и жили они среди нетронутой природы. Но, несмотря на это, доступных им ресурсов было немного: примитивными орудиями труда и охотой они могли добывать для себя лишь готовую пищу. Съедая ее, люди поддерживали мускульную энергию, которую они могли использовать. А каменный уголь, например, был для них бесполезным блестящим камнем, менее ценным, чем твердый кремень, пригодный для изготовления примитивных орудий.

Как распределяется и изменяется набор естественных ресурсов наглядно видно на примере "топлива".

Тысячелетиями человек сжигал лишь растения. За счет их тепла он обогревал жилье, готовил пищу, а потом стал плавить и закаливать металл. До начала XIX века вся металлургия работала на древесном угле.

Развитие металлургии и появление паровых машин потребовало новых источников топлива. Люди научились использовать каменный уголь, что спасло леса от полного истребления [4]. Да и каменный уголь стремятся все меньше использовать как топливо - тепловые электростанции переводят на низкие сорта мазута.

Еще в начале нашей эры люди были знакомы с маслянистой жидкостью - нефтью, использовали ее в лечебных целях, а также жгли в светильниках. Резко вырос спрос на нефть в связи с изобретением двигателя внутреннего сгорания, и сейчас нефть и нефте - продукты стали главным топливом человечества.

Во многих странах природные и попутные нефти газы не использовались, а сжигались в "факелах" (грели воздух) - технологически не умели ни собрать газ, ни транспортировать его на большие расстояния. Но уже сейчас нефть и газ в больших количествах используется в промышленности химического синтеза. Попутные газы при добычи нефти на современном этапе могут собирать и транспортировать на любые расстояния.

На смену бензину, дизельному топливу и другим источникам энергии как "топливо" для ядерных реакторов идет атомная энергия.

В историческом расширении круга ресурсов, в случае неправильного их использования, кроме потребностей человечества и его технических возможностей, есть еще и другая логика: люди стремились заменить более дефицитные ресурсы менее дефицитными, более рационально, с большей пользой использовать сырьё и энергию.

С этой точки зрения естественные ресурсы можно разделить:

- на возобновляемые (восполнимые);

- невозобновляемые (невосполнимые);

- неисчерпаемые.

Многие ресурсы природы возобновляются естественным путем, в ходе сложившегося на Земле круговорота веществ и энергии: пополняются источники пресных вод и почвенной влаги, восстанавливаются леса и т.п. При использовании возобновляемых ресурсов нужно учитывать скорость их возобновления [1].

К невозобновляемым ресурсам относятся богатства недр. Месторождения полезных ископаемых образовались давно - в прошлые геологические эпохи, при других природных условиях. На их создание ушло несколько миллиардов лет. Главные кладовые полезных ископаемых находятся в Земной коре, и по мере их раскрытия и разработки богатых месторождений становится меньше.

И все-таки с полезными ископаемыми положение человечества не представляется угрожающим. Трудности с отдельными видами их носят скорее местный характер. В целом открытые геологами запасы все время значительно опережают потребности. Более того, многие очень крупные месторождения еще ждут своей очереди: разрабатывать их в современных условиях менее выгодно, чем другие более доступные.

Кроме того, чтобы бережливо использовать существующие месторождения полезных ископаемых, требуется разработка новых технологий. Например, при обычной откачке нефти свыше 50% ее остаётся в пластах.

Для сбережения дефицитных невозобновляемых ресурсов важно вовремя подобрать их более распространенный заменитель. А перспектива здесь безгранична: ведь месторождения - это сгустки полезных веществ. В качестве потенциальных ресурсов можно назвать все воды мирового океана и природу Земли - в них в огромном количестве содержится вся таблица Менделеева. На современном этапе не существует достаточно дешевых технологий, позволяющих добывать полезные в энергетическом отношении вещества непосредственно из воды, воздуха, почвы.

Неисчерпаемые ресурсы. Эту группу образуют самые различные ресурсы: энергия Солнца, ветра, морских приливов, подземного тепла, круговорот воды и т.д. При использовании этих "вечных" ресурсов природы перед человечеством стоят чисто технические трудности.

Вполне вероятно, что ресурсы атомной энергии неисчерпаемы: уже сейчас запасы урановых руд на сотни лет обеспечивают потребности человечества. Не исключено, что люди научатся расщеплять природные вещества.

 

 

Вопросы для самопроверки

1) Дайте современное определение энергии.

2) Носителями какого вида энергии являются люди и животные?

3) Назовите природные носители механической энергии?

4) Что понимают под энергоресурсами?

5) Какие энергоресурсы называются возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

6) Какие энергоресурсы называются не возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

7) Какую первичную энергию традиционно получают при преобразовании не возобновляющихся энергоресурсов?

8) Какой закон лежит в основе преобразования одного вида энергии в другой?

9) Что понимают под энергетикой?

10) Что такое энергетическая техника?

ТЕМА 2

Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития

Энергетики

2 .1. Предпосылки развития гидроэнергетики

Наиболее характерным энергоемким процессом, с которым впервые столкнулся человек, является подъем воды для орошения полей и размола зерна.

Орошение полей и размол зерна требовал от работников длительной, однообразной, изнурительной механической работы. Но, с другой стороны, именно в этой изнурительной повторяющейся работе, не требовавшей ни мышления, ни мастерства, заключалась возможность перехода к применению энергии прирученного животного или неорганической природы, и в первую очередь энергии воды. Так возникла гидроэнергетика, приведшая к замене человека-двигателя (животного-двигателя) механическим двигателем.

Первые сведения об использовании водоподъемных устройств можно отнести к 250 году до н.э, когда греческий ученый Архимед создал учение о гидростатике и использовал "винт" для перемещения воды. Но наибольшее распространение строительство водяных и ветряных мельниц получило лишь в X - XI веках н.э [1].

Время применения гидравлических двигателей насчитывает более чем двухтысячелетнюю историю и может быть разделено на несколько периодов.

Первый, самый длительный, продолжался от постройки первых водяных колес до середины 30-х годов XIX века. Он характеризуется применением водяных колес разной конструкции. Механическая энергия водяных колес использовалась либо на месте ее получения, либо при помощи механических устройств передавалась на небольшие расстояния (несколько десятков метров).

Второй - продолжался от середины 30-х годов до начала 90-х годов XIX века. Был осуществлен переход от водяного колеса к водяной турбине, изучались процессы, происходящие в ней, и усовершенствовалась ее конструкция. Водяное колесо сохранилось лишь в маломощных установках. Механическая энергия водяной турбины также использовалась на месте ее производства либо в непосредственной близости от нее [2].

Только решение проблемы передачи электрической энергии на расстояние положило начало новому этапу (XIX в.) в истории использования гидравлической энергии. При этом осуществлялось превращение механической энергии в энергию электрическую, передававшуюся к месту ее потребления на большие расстояния.

 

Водяные колеса

Первые гидравлические установки отражали ранние формы взаимодействия человека с окружающей средой - применение готовой энергии природы (без воздействия на нее).

Ранние водяные колеса очень просто сочленялись с водоподъемными установками: водяное колесо устанавливали на сваях, вбитых в дно реки, в движение оно приводилось сильным потоком воды. На ободе колеса размещались черпаки, поднимавшие и выливавшие воду в отводной желоб. Такие колеса использовали только скоростную составляющую энергии потока воды [1].

Более энергоемким было применение водяного колеса для зерновых мельниц, у которых между жерновами и водяным колесом сооружался передаточный механизм, обеспечивающий вращение водяного колеса вокруг горизонтальной оси, а жернова - вокруг вертикальной. Стремление обойтись без сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к появлению водяных колес с вертикальным валом. Чтобы струя воды, направленная на лопатку колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Но при этом, падая на плоскую лопатку, струя воды сильно разбрызгивалась. Во избежание этого лопатки стали делать изогнутыми. Так возник прототип современных гидравлических турбин.

Увеличивалось число гидравлических установок, накапливался опыт. Недостаток в реках с соответствующей скоростью течения потребовал перехода к более целесообразному использованию водяных ресурсов. Началось сооружение плотин и деривационных комплексов, позволяющих использовать медленно текущие равнинные реки и создавать условия для более рачительного и эффективного использования гидроресурсов [3].

При наличии плотин использовать можно не только скорость потока, но и энергию положения.

Существенным недостатком водохранилищ является необходимость сбора воды в искусственном резервуаре и связанное с этим использование земельных участков, расположенных в месте создания плотины (затопление земель).

На территориях, не располагавших гидроресурсами, сооружались ветровые двигатели. Использование энергии ветра при движении судов известно с глубокой древности. Позднее появились ветровые установки для размола зерна. Однако крайняя неравномерность и низкая концентрация ветровой "готовой" энергии, а также трудности для дальнейшего аккумулирования механической энергии не позволяли энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе.

В сооружении же водяных колес был достигнут значительный прогресс. Для подъема руды из рудников в XVI веке применялись реверсивные водяные колеса.

В 1582 году в г.Лондоне были применены водоподъемные установки на реке Темзе, они состояли из 5 подъемных колес диаметром 6-7 метров, приводивших в движение ряд насосов, перекачивающих в сутки 18000 м3 воды [2].

В середине XVIII века на Алтае была сооружена уникальная гидроустановка для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательно расположенными колесами, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Это было высшим достижение гидроэнергетики своего времени.

 

Гидравлический двигатель

Водяное колесо могло работать только при малых напорах воды, которыми обладали равнинные реки. Между тем громадные запасы гидравлической энергии были заключены в водяных потоках со средним (от 8 до 25 метров) и высоким (свыше 25 метров) напором воды. В этих условиях водяное колесо вообще не могло быть установлено. Единственная возможность для освоения громадной энергии таких водяных потоков заключалась в создании гидравлического двигателя, принципиально отличного от водяного колеса. Водяное колесо приводилось во вращение действием веса воды или ударами струи в лопатки. Но можно было использовать и другие физические явления - силу реакции потока воды на лопасти колеса [1].

Практически сила реакции, создаваемой потоком воды на лопасти рабочего колеса, нашла свое воплощение в так называемом сегнеровом колесе (физик Сегнер). Однако недостаточное понимание сущности физических процессов в таком двигателе не позволили Сегнеру в дальнейшем его усовершенствовать.

Тем не менее в несовершенном реактивном двигателе Сегнера Л.Эйлер усмотрел большие практические возможности.

Уже в своем первом докладе, сделанном в Берлинской академии наук (1750 год), Эйлер дал анализ процессов и указал, что низкий КПД получается вследствие потерь энергии при входе и выходе воды из колеса.

В последующих докладах (1751 - 1754 годы) были показаны преимущества Сегнерова колеса перед другими гидравлическими машинами и изложена теория водяного реактивного двигателя.

На основе уравнений сохранения количества движения он вывел уравнение работы гидравлической турбины. Идеи Эйлера о рациональной конструкции гидравлических турбин получили свое окончательное выражение в его предложении делить гидравлическую машину нового типа на две части - неподвижную и вращающуюся. Через неподвижный направляющий аппарат вода поступает во вращающееся колесо, являющееся рабочим органом машины [2].

В таком виде гидравлический двигатель представлял собой переходную конструкцию от сегнерова колеса к гидравлической турбине. Несмотря на полную научную и техническую обоснованность конструкции водяной турбины, предложенной Эйлером, она в XVIII веке по экономическим причинам не вошла в практику. Лишь в 40-х годах XX века в Швейцарии на родине Эйлера была построена действующая модель его турбины (ее КПД составлял 71 % при частоте вращения 180 об/мин.).

Гидравлические турбины разрабатывались и внедрялись в промышленном производстве Франции. Одним из первых проектов, получившим поощрительную премию, был двигатель профессора К.Бюрдена (1822 год), установленный на мукомольной мельнице и названный гидравлической турбиной [1].

 

Вопросы для самопроверки

1) Какую основную черту взаимоотношения человека с окружающей средой отражает ранняя гидро- и ветроэнергетика?

2) Чем был вызван переход от водяных колес с горизонтальным валом к колесам с вертикальным валом?

3) Что дает сооружение платин и деривационных каналов и каково их влияние на окружающую среду?

4) Какие недостатки не позволяют энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе?

5) Какая установка явилась высшим достижением гидроэнергетики середины XVIII века?

6) В течение какого времени водяное колесо являлось основой энергетического производства?

7) Когда и почему гидроэнергетика уступила ведущее место теплоэнергетике?

8) В связи с решением какой проблемы и когда начался новый подъем гидроэнергетики?

ТЕМА 3

История теплоэнергетики

Паровых машин

Расширение сферы применения парового двигателя требовало все более широкой универсальности. Началась специализация тепловых силовых установок. Продолжали совершенствоваться водоподъемные и шахтные паровые установки. Развитие металлургического производства стимулировало совершенствование воздуходувных установок. Появились центробежные воздуходувки с быстроходными паровыми машинами. В металлургии начали применять прокатные паросиловые установки и паровые молоты. Новое решение было найдено в 1840 году Дж. Несмитом, объединившим паровой двигатель с молотом.

Самостоятельное направление составили локомобили - передвижные паросиловые установки, история которых начинается в 1765 году, когда английский строитель Дж. Смитон разработал передвижную установку [1]. Однако заметное распространение локомобили получили только с середины XIX века.

После 1800 года, когда кончился десятилетний срок привилегий фирмы "Уатт и Болтон", доставивший компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели получили наконец свободу действий. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двухкратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров: высокого давления и низкого давления, либо как компаунд-машины с углом заклинивания между кривошипами 90°, либо как тандем-машины, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип [2].

Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара, на эффект которого указал французский ученый Г.А. Гирн. Переход к использованию перегретого пара в цилиндрах паровых машин потребовал длительной работы по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, и по конструированию новых типов уплотнений, в частности с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому с температурой 200 - 300 градусов Цельсия.

Последний крупный шаг в развитии паровых поршневых двигателей -изобретение прямоточной паровой машины, сделанное немецким профессором Штумпфом в 1908 году.

Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.

Новое направление в развитии паровых машин возникло при их использовании в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций с 80 - 90 годов XIX века.

К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности.

Технические возможности поршневого парового двигателя - паровой машины - являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя - паровой турбины.

 

Паровой котел

В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин "котел".

Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение

паропроизводительности - количества пара, производимого котлом в час.

Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [1].

Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [2].

Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар - наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра - следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. ЭЬанс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году СВ. Литвинов в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.

Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов: дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.

Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4 мм позволяют выдерживать очень высокое давление [2]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер - так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.

В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время. т£Л №№0№lfo 9-1* #5^^^

К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.

 

Паровая турбина

Создание паровой турбины стимулировалось в промышленности применением рабочих машин, имеющих высокую скорость вращения: дисковых пил, центрифуг, вентиляторов, центробежных насосов, сепараторов, электрических генераторов. Электрические генераторы в конечном итоге явились самыми главными их потребителями.

Описание принципа действия паровой турбины можно найти в глубокой древности. Еще до н.э. Герон Александрийский сконструировал прибор, названный им "эолипилом". Под действием реакции струи пара шар вращался вокруг оси. В XVII веке итальянец Дж.Бранка предлагал активную паровую турбину для привода пестов.

До 80 годов XIX века применение паровых турбин носило единичный характер. В 30 годах XIX в г.Сиракузах (США) было построено несколько турбин для привода центробежных пил. Турбины представляли собой модификацию "эолипила" Герона. Громадный удельный расход пара в них компенсировался использованием в качестве горючего отходов лесопильного производства. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Густавом Лавалем в 1889 году. В дальнейшем Лаваль создал активную одновенечную турбину, то есть турбину с одним рабочим колесом, которое вращалось со скоростью 3000