С древнейших времен люди нуждались в силе, в двигателях, которые по-могали бы выкорчевывать деревья, приводили бы в действие приспособления для подачи воды на поля, пахали землю, вращали жернова, мелющие зерно и т.п. В странах Древнего Востока, в Египте, Индии, Китае для этой цели уже в 3-м тыс. до н.э. использовались животные и рабы. Затем на смену жи-вым двигателям пришло водяное колесо – два диска на одном валу, между кото-рыми помещались дощечки лопасти.Поток воды в реке давил на лопасти, поворачивая коле- Рис. 1. Водяная мельница со, а через вал колеса движение передавалось жерновами (рис. 1). В 3-м тыся-челетии до н.э. люди использовали паруса для движения лодок, но только в VII Рис. 2. Ветряная мельница в в. н. э. персы изобрели ветряную мельницу с крыльями (рис. 2). Началась история ветряных дви-гателей.Водяные колеса использовались на Ниле, Ев-фрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Затем древние греки и римляне использовали водя-ные колеса в качестве двигателя для привода насосов и мельниц, для выжимания масла. Позднее водяные колеса стали широко использоваться в ремесле, затем в промышленности. Римский писатель Марк Витрувий Полион в I в. до н. э. впервые описал водяное колесо. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до XVII века яв-лялись основными типами двигателей. В конце XVII – начале XVIII веков в Италии, Франции, Англии, России, Испании и других государствах делались неоднократные попытки создать дви-гатель, не зависящий от движущейся воды рек и ветра. Идея использования па- Рис. 3. Архимед ра для создания двигателя возникла благо-даря размышлениям и опытам древних мыс-лителей.Архимед (ок. 287 – 212 гг. до н.э.) (рис. 3), один из гениальных исследователей античного периода, творец древней механи-ки, великий математик. Открыл гидростати-ческий закон, теорию рычага. Создал начала математического анали-за, придумал катапульту, паровую пушку, водоподъемный «архимедов винт», зубчатый редуктор, приборы для измерения размеров удаленных тел и многое другое. Герон из Александрии еще в 70-е гг. н.э. изобрел простейшую паровую турбину – эолипил Герона (рис. 4). Сила пара, выры-вающегося из шарообразного сосуда, в котором кипела вода, через Г-образные трубки, вращала этот сосуд.В середине XVIII века человечество вплотную подошло к одному из важнейших моментов в истории техниче-ского творчества – использованию водяного пара для приведения в действие различных механизмов. В исто-рии попыток использования пара записаны имена мно-гих ученых и изобретателей: итальянцев – Леонардо да Винчи, Порта; французов – де Ко, Папена; англичан – Рис. 4 Эолипил Герона Т. Сэвери, Т. Ньюкомена; русских – И.И. Ползунова, отца и сына Черепановых и многих других.Леонардо да Винчи (1452 -1519) – гениальный мыслитель, многогранный талантливый изобретатель, художник (рис. 5). Рис. 5. Леонардо да Винчи Он оставил 5000 страниц научных и техниче-ских описаний, чертежей, эскизов: шлюзовые ворота со створками, текстильные станки, роликовые под-шипники, центробежный насос, паровая пушка, пис-толет с колесным затвором, гидравлический пресс, механизмы, преобразующие возвратно-поступательное движение во вращательное и наобо-рот, и многое другое.Джамбаттиста делла Порта (1538-1616) иссле-довал образование пара из воды, что было важно для дальнейшего использования пара в паровых маши-нах, исследовал свойства магнита. Инженер де Ко в 1615 году описал паровые устройства для подъема воды. Отто фон Герике (1602-1686) поставил и описал опыты, демонстрирую- щие силу атмосферного давления на «магдебургских полушариях», из которых был удален воздух, а раз-ряжение это достигалось с помощью конденсации пара. Для того, чтобы разъединить эти полушария, использовали восьмерку лошадей.Дени Папен (1647-1714) построил первую тех-нически реализованную пароатмосферную прими-тивную машину, представляющую собой паровой ко-тел в виде цилиндра с поршнем, который поднимался при помощи пара, а опускался под действием атмо-сферного давления.Цилиндр был и котлом, и рабочим механизмом одновременно.Томас Сэвери (1650-1715) создал паровой на-сос, в котором паровой котел был отделен от цилинд-ра (рис.6). Царь Петр I купил насос Сэвери для при-ведения в действие фонтанов в Летнем саду. Рис. 6. Схема насоса Сэвери1 – охладительный сосуд; 2 – котел;3 – соединительная труба;4 – кран; 5 – нагнетательная труба;6 – клапаны Томас Ньюкомен (1663-1729) усовершенствовал паровой насос, связал поршень с балансиром и штангой водоотливного на-соса. Охлаждающая вода подавалась в цилиндр свер-ху для опускания поршня (рис. 7).Машины Ньюкомена были приобретены Пет-ром I для откачки воды из дока в Кронштадте.Пароатмосферные машины и Сэвери и Ньюко-мена были громоздки и имели малый коэффициент полезного действия (≈ 0,3 %).Иван Иванович Ползунов (1729-1766), талантливый русский механик, сконструировал и построил первую паровую машину с универсальным тепловым двига-телем, (рис. 8). Рис. 7. Устройство машины Ньюкомена Рис. 8. Схема двигателя И.И. Ползунова Она имела два цилиндра с поршнями и отдель-ный паровой котел, из которого пар поочередно по-ступал в цилиндры через автоматический распредели-тель – это первое применение автоматики в подобных машинах. Рабочее усилие непрерывно подавалось на общий шкив, вал которого передавал момент на при-вод заводских механизмов – насоса или воздуходувно-го меха.Это была первая универсальная паровая маши-на, но все же она имела малый КПД (≈ 1 %), потребля-ла большое количество топлива; она проработала око-ло года на рудниках; после смерти создателя слома-лась и была забыта. Первые паровые устройства и машины имели низкий КПД, так как не бы-ло теоретических знаний о теплоте, давлении пара и др. Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) – гениальный русский уче-ный, мыслитель, экспериментатор, поэт. Рис. 9. М.В. Ломоносов Ломоносов много сделал в области различ-ных наук и в каждой из них исследовал самые фундаментальные вопросы. Он изучал агрегатное состояние вещества, изучал термометрию, вне-дрял физические и химические методы исследо-вания. Он экспериментально доказал и сформу-лировал в 1748 г. закон сохранения вещества. Это было за 18 лет до подобных опытов францу-за Лавуазье, которому мировая наука приписала открытие закона сохранения материи.Ломоносов впервые дал правильное объяс-нение теплоте, как движению мельчайших час-тиц – корпускул. М. В. Ломоносов был не только выдающимся и разносторонним учёным, но и страстным пропагандистом научных знаний. Он понимал необходимость обучения для народа и уделял этому большое внимание, помня завет Петра I :«…науки производить и оные распространять.» Приведем обращение Ломоносова в стихотворной форме к своим ученикам: О вы, которых ожидает Отечество от недр своих И видеть таковых желает, Каких зовет от стран чужих. О, ваши дни благословенны! Дерзайте ныне ободренны Раченьем вашим показать, Что может собственных Платонов И быстрых разумом Невтонов Российская земля рождать. О Ломоносове гениальный поэт и философ А.С. Пушкин писал: «Соеди-няя необыкновенную силу воли с необыкновенной силой понятия, Ломоносов объял все отрасли просвещения. Жажда науки была сильнейшею страстью его души. Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец – он всё испытал и во всё проник.» Ученые, изобретатели, гениальные самоучки, механики продолжали ра-ботать над устройством и совершенствованием паровых машин и их примене-нием, имея уже какое-то представление о теплоте. Джеймс Уатт (1736-1819), (рис. 10), английский механик, создал паровую машину двойного действия, рабочий ход поршня в ней производился не атмо-сферным давлением, а давлением пара. Машина Уатта управлялась золотниковым устройством, (центробежным регулятором пара). Содержала маховик и шатунно-кривошипный механизм, со- Рис. 10. Джеймс Уатт вершала непрерывное вращательное движение. Конденса-ция пара производилась в отдельном устройстве – конден-саторе. Общий КПД машины равнялся 8 %. Во второй по-ловине XVIII в. устройство паровой машины было отра-ботано, она нашла широкое применение в промышленно-сти крупных стран. В честь Д. Уатта единица мощности была названа “Ватт”.В России паровые машины начали строиться в Петербурге (на Галерном острове), на Олонецком и других заводах. Американец Р.Фултон в 1803 г. установил паровой двигатель на судне; такие суда стали называться пароходами. В Петербурге с 1800 по 1825 г. было изго-товлено более 100 паровых машин заводских и 11 пароходных.Первый российский пароход “Елизавета” совершал рейсы «Петербург – Кронштадт» уже в 1815 г.Черепанов Ефим Алексеевич вместе со своим сыном Мироном Ефимовичем – механики нижнетагильских заводов – с 1820 г. по 1835 г. построили 20 различных паровых машин, а в 1833 году построили первый в России паровоз, который двигался по чугунному рельсовому пу-ти. Рис. 11. Пароход Черепановых Первая железная дорога в России “Петербург – Царское село” была по-строена в 1837 году. Д. Стефенсон в Англии, начиная с 1829 года, построил серию паровозов. Создавались и изобретались различные конструкции паровых машин, появилась необходимость в теории и машин, и теплоносителя. Французский ученый Сади Карно (1796-1832) в 1824 г. разработал основы теории паровых машин – циклы Карно. Он установил, что, чем больше разность температур подводимого и отводимого тепла у теплоносителя, тем выше эф-фективность тепловой машины. Со времен С. Карно тепловые (паровые, газо-вые и др.) машины стали развиваться в направлении повышения параметров те-плоносителя – температуры и давления. Этими вопросами занимались Р. Стир-линг, Эриксон и др. Водяные колеса и паровые двигатели совершенствовались, все больше внедрялись в промышленность, но они имели довольно низкий коэффициент полезного действия и сравнительно небольшую мощность. Требовалось созда-ние новых машин с большим числом оборотов, с большей мощностью и боль-шим КПД. Такими машинами стали различные модификации водяных, паро-вых, а позднее и газовых турбин (“турбо” – волчок). Теорией турбин занимался Д. Бернулли (1700-1782), который исследовал динамику различных потоков энергии. Во многих странах ученые, исследователи, механики предлагали различные варианты конст-рукций турбин. Был объявлен конкурс на лучшую теорию и лучшую конструкцию турбины.Б. Фурнейрон (1802-1867) сконструировал быстроходную турбину с подводом воды на ло-патки радиально от центра турбины) (рис. 12). Та-кая турбина получила широкое использование.Подобные активные турбины различного рода строили И. Сафонов в России, Ховд в США, Жирар во Франции и др. Рис. 12. Турбина Фуйнейрона Д. Френсис (1815-1892) построил радиально-осевую реактивную турбину Рис. 13. Радиально-осевая турбина Френсиса (1) и осевая поворотно-лопастная турбина Каплана (2) со специально изогнутыми лопатками (рис.13), полу-чившую широкое примене-ние.А. Пельтоном (1829 -1908) была создана актив-ная ковшовая турбина для больших напоров воды. Ж. Понселе (1788-1867) создал теорию тур-бин. Она послужила толчком к созданию новых типов машин. Современные гидравлические турбины созданы на основе отбора и со-вершенствования турбин, построенных многими талантливыми изобретателями и конструкторами. Турбины вращались под действием движущейся воды. Затем появились паровые турбины, в которых использовался перегретый пар, пода-ваемый на лопатки турбин под повышенным давлением. Прообразом таких тур-бин был эолипил Герона Александрийского рис. 4. Паровые турбины имели целый ряд преимуществ по сравнению с паровыми поршневыми машинами: быстроходность, равномерность вращения, экономичность. Появились идеи и конструкции целого ряда новых турбин. К. Лаваль (1845-1913) разработал одно-ступенчатую активную турбину с четырьмя па-ровыми соплами, пар из которых подавался на лопатки турбины (рис. 14), но использование ее было экономически невыгодно, хотя принцип очень ценен.Ч. Парсонс (1854-1931) изобрел много-ступенчатую осевую реактивную турбину большой мощности с особыми группами лопа-ток – подвижными и неподвижными. Рис. 14. Турбина Лаваля Такая конструкция была более удачной и получила дальнейшее развитие в работах конструкторов многих стран (Франции, Англии, России, Америки и др.). Дальнейшее развитие паровых турбин было связано помимо прочего с по-вышением температуры пара. Паровые машины и турбины требовали устройства, в котором была бы топка, котел, охлаждающий агрегат. Они выполняли свое назначение, однако были очень громоздки и неудобны в эксплуатации. Уже в конце XVII в. появилась идея создания двигателя внутреннего сго-рания – ДВС, в котором не нужен котел и топка, так как газообразное рабочее тело получает энергию от сжигания топлива внутри рабочего цилиндра. В двигателях внутреннего сгорания главная часть – цилиндр с поршнем, но на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый газ, образовавшийся в ре-зультате сжигания топлива внутри цилиндра – отсюда и название ДВС – двига-тель внутреннего сгорания. В основе первой попытки создания ДВС легла идея Х.Гюйгенса (1629-1695) – пороховая машина. Однако она не была построена, так как в то время еще не было подходящего топлива. В последующие годы было много разрабо-тано моделей различных ДВС, но все они по тем или иным причинам не были реализованы. Французский механик Э.Ленуар (1822-1900) изобрел горизонтальный двигатель внутреннего сгорания двойного действия. Он работал на смеси све-тильного газа и воздуха, имел КПД около 4 % и требовал хорошего охлажде-ния. Двигатель Ленуара получил довольно высокое распространение, хотя был далек от совершенства и требовал серьезных доработок. Рис. 15. Р. Дизель Первый четырёхтактный двигатель внутрен-него сгорания был построен немцем Николаем От-то в 1876 году, затем он был усовершенствован русским инженером О.Костовичем, который раз-работакарбюратор для сжигания легких фракций продуктов перегонки нефти. Этими же вопросами занимались немецкие изобретатели Даймлер и Бенц (основатели концерна «Мерседес»).Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858-1913) (рис. 15), разработал ДВС на тяжелом топли-ве – мазуте, соляровом масле. Работал он по прин-ципу самовоспламенения. Двигатели внутреннего сгорания, работающие по принципу самовоспла-менения топлива в цилиндре, называются дизельными, по имени их изобрета-теля. Первый дизель-мотор был изготовлен в 1897 году, он содержал все основ-ные элементы современного мотора, являлся самым экономичным из ДВС. Г.В.Тринклер – инженер Путиловского завода, усовершенствовал процесс сжигания топлива, создал в 1889 г. двигатель со смешанным сгоранием, и с на-чала XX в. завод Нобеля («Русский дизель) стал выпускать в России дизельные моторы. Большой вклад в развитие энергетики, создание двигателей, работающих на органическом топливе, вносили ученые, открывающие и разрабатывающие законы и теорию различных процессов в области химии и физики. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) (рис.16) – выдающийся рус-ский ученый, автор фундаментального периодического закона химических эле- ментов, открытие которого способствовало развитию химии, атомной и ядерной физики. Д.И. Менделеев разработал теорию горения топлива, которая позволя-ла определить теплотворную способность топлив раз-личного состава, выбрать оптимальные режимы горе-ния и многое другое. Помимо этого, Д.И. Менделеев разработал промышленные способы разделения нефти по фракциям – бензин, керосин, мазут, открыл и сфор-мулировал положение о критическом состоянии веще-ства и многое другое. Он был разносторонним ученым, патриотом своей страны, пропагандистом научных от-крытий, профессором Петербургского университета и других учреждений. Рис. 16. Д.И. Менделеев Учебник Д.И.Менделеева “Основы химии” (1868) переиздавался много раз и является одним из лучших учебников по химии. Работы ученых способствовали развитию прогресса, промышленности, энергетики. В ХХ веке появляется турбореактивный двигатель и газовая турбина. На-чало развитию таких двигателей положил англичанин Д. Барбер еще в 1791 го-ду, когда он получил патент на тепловой двигатель, в котором продукты сгора-ния смеси воздуха и газа подавались на лопатки турбины. Первый работающий газотурбинный двигатель был сконструирован и ис-пытан в 1897 году русским изобретателем инженером П.Д. Кузьминским (1840-1900), топливом для этого двигателя служил керосин; в том же году им была построена газо-паровая турбина с постоянным давлением сгорания. Работы по созданию турбореактивных двигателей, газовых турбин велись в Германии (Штольце), в США (Мосс), во Франции (Арменго), в России (Н. Ге-расимов, В.И. Базаров и др.). Однако строительство такого рода двигателей и их длительная работа требовали жаропрочных материалов и разработки теории газовых турбин. Эти-ми вопросами, а также созданием высокоэффективного компрессора, необхо-димого для этих двигателей, занимались в Англии, Германии (фирма Хейнке-ля), Советском Союзе (А.А. Саблуков, Б.С. Стечкин), Франции, Италии, Швей-царии и других странах. Газотурбинные двигатели нашли себе широкое применение в авиации, на парогазовых электростанциях и др. После того как были изобретены различного рода двигатели – ветровые, водяные, паровые, турбореактивные, внутреннего сгорания – встал вопрос о передаче энергии на расстояние. Передачи придумывали самые разные – ременные (с помощью ремней), гидравлические (с помощью жидкости), пневматические (с помощью воздуха, газов). Все они могли передавать энергию, но на небольшие расстояния и со значительными потерями. Развитие промышленности, строительство фабрик, заводов, рост крупных городов требовали все большей энергии и передачи ее на дальние расстояния. Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, бытовых удобств явилось изобретение и применение элек-трических двигателей. Электрические двигатели удобнее и надежнее других двигателей – паро-вых, ветряных, водяных. Они всегда готовы к работе, могут управляться на рас-стоянии, позволяют регулировать скорость и т.п. Благодаря электрическим двигателям появились: высокопроизво-дительные машины, станки, заводы-автоматы, электрифицированный инстру-мент, электрический транспорт (электрички, трамваи, метро, троллейбусы), бы-товые приборы (холодильники, стиральные машины, швейные машины) и мно-гое другое. Открытие электричества и использование электрической энергии было одним из величайших событий. Этому предшествовали усилия многих и мно-гих людей, начиная с древних времен и до наших дней. Для передачи энергии на большие расстояния и распределения ее между потребителями – самой удобной является именно электрическая энергия. Считается, что полезной электрической энергии в природе нет, хотя су-ществуют такие электрические атмосферные явления как молнии, северные сияния, имеют электрические заряды некоторые морские обитатели, например, электрический угорь, электрический скат. Энергия движущейся воды, ветра, энергия топлива, производящего пар и газы, использовалась уже давно и продолжает использоваться человеком. Со-вершенствуются установки, устройства, двигатели, но увеличивается и энерго-потребление. Этим обусловлена необходимость совершенствования методов использования энергоисточников и поиск новых возобновляемых природой ис-точников. Рост потребления человеком энергии в целом ряде случаев приводит к вредным итоговым воздействиям производства энергии на окружающую среду. Это касается органических видов топлива – угля, нефти, мазута, газа, которые при сгорании загрязняют воздух, воду, почву; это касается и ядерного топлива, загрязняющего атмосферу радиоактивными выбросами и требующего для сво-их радиоактивных отходов сооружения специальных могильников длительного хранения. В результате всего этого человечество все большее внимание обра-щает на использование энергии солнца – гелиоэнергетику, энергию морских приливов и биологическую энергетику, которая реализуется в результате пере-работки органических отходов – биомассы, общая масса которой составляет примерно 3,2 млрд т в год. В дальнейшем изложении рассмотрим историю появления электричества и развития энергетики.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Общая энергетика» з дисципліни «Історія розвитку галузі електроенергетики»
