История развития теплотехники

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Разработка теоретических основ теплотехники необходима для установления наиболее рациональных способов тепловой энергии, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов.

Теплота используется во всех областях деятельности человека. Наиболее древнее применение силы пара приписывается Архимеду, который, по словам Леонардо да Винчи изобрел паровую пушку.

Следующее по времени использование тепловой энергии принадлежит величайшему изобретателю всех времен и народов Герону Александрийскому, жившему в I веке нашей эры.

Геронов шар – эолипил (в переводе с греческого «шар Эола – бога ветров») стал прообразом реактивной паровой турбины. Он представлял собой полый металлический шар с впаянными в него на противоположных полушариях двумя Г-образными патрубками-соплами. Шар мог вращаться в трубчатых опорах. По трубкам, играющим роль осей, поступал в шар от котла, установленного под шаром. Затем он вырывался из трубок, создавая реактивные силы, под действием которых достаточно быстро вращался. Построенный современными учеными по чертежам Герона эолипил развивал до 3500 оборотов в минуту!

Приспособление Герона для автоматического открывания дверей храма. Огонь, зажженный в бронзовом жертвеннике, вызывает расширение воздуха в объеме υ, в результате вытесненная вода по сифону переливается в бак ξ. Он становится тяжелее, опускается и поворачивает двери на петлях. После остывания жертвенника воздух в сосуде υ разрежается, и вода перетекает в него обратно, а двери храма закрываются.

Рис. 2. Устройство для автоматического открывания дверей храма

Однако все изобретения Герона Александрийского, основанные на использовании энергии тепла остались почти невостребованными. Низкий уровень науки и техники и отсутствие потребности в тепловом двигателе у рабовладельческого общества остановили разработку тепловых машин более чем на полтора тысячелетия.

Но в конце XVII века, когда началось бурное развитие горнодобывающей, металлургической, металлообрабатывающей, станкостроительной и других отраслей производства возникла острая потребность в значительно более мощных источниках механической энергии, чем мускульная сила людей и животных, энергия воды и ветра. Внимание изобретателей обратилось к движущей силе пара или огня.

В сочинении французского архитектора Соломона де Ко (1615 г.) говорится о возможности подъема воды посредством действия огня.

Применение паровых турбин являлось очень заманчивым, так как в них сразу получается равномерное вращательное движение ротора, и нет необходимости в механизмах, преобразующих поступательное движение поршня во вращательное вала, как это происходит в паровых машинах и ДВС. Однако изготовление паровой турбины возможно только при высоком уровне технологии, наличии специальных материалов и методов очень точной обработки металлов. Кроме того, создание паровой турбины требует знания свойств пара и законов его истечения. Без всего перечисленного КПД паровых турбин находился на чрезвычайно низком уровне, и они могли играть только роль занимательных игрушек.

По этим причинам изобретатели занялись созданием более простой в изготовлении поршневой паровой машины. Открытие атмосферного давления и научно поставленные опыты Э. Торричелли, Б. Паскаля и О. фон Герике побудили использовать его в качестве движущей силы. Для этого необходимо было создать в цилиндре, снабженном поршнем разрежение. Поршень в этот момент должен находиться в крайнем положении и совершить ход под давлением воздуха. Это и легло в основу создания атмосферных машин.

Первые предложения таких машин принадлежат аббату Готфейлю (1678 – 1681 гг.) и Х. Гюйгенсу (1681). Для создания разрежения они намеревались использовать не пар, а взрывы пороха внутри рабочего цилиндра и считаются пионерами, выдвинувшими идею ДВС.

Дени Папен (1647 – 1712), работавший у Гюйгенса ассистентом, убедился в опасности и неудобстве использования пороха и предложил осуществлять разрежение с помощью водяного пара. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство и наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом. Двигатель Папена не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить поршень поднимать груз, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой. Недостатком машины Папена было также объединение в цилиндре функций котла, цилиндра и конденсатора. Заслугой Папена является изобретение парового котла, снабженного предохранительным клапаном, позволяющим регулировать давление пара.

Из многих изобретателей первым успеха добился английский механик и изобретатель. Томас Севери (1650 – 1715). В 1698 году он изобрел работающий без поршня паровой насос «друг рудокопов» для откачки воды из шахт.

Рис. 4. Схема работы парового насоса Томаса Севери

Паровой насос Томаса Севери состоял из парового котла и рабочего цилиндра. Таким образом Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. У машины было два рабочих цикла: цикл всасывания и цикл выталкивания.

Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Для этого кран во всасывающей трубе открывают, а кран подачи пара и кран в напорной трубе закрывают. Затем рабочий цилиндр обливают холодной водой, и пар, находящийся в нем, начинает конденсироваться. В рабочем цилиндре создается разрежение, и в него из шахты под действием атмосферного давления поступает вода.

На цикле выталкивания рабочий обслуживающий насос открывает кран в напорной трубе и закрывает кран в подающей трубе, после чего открывает паровой кран. Вода выталкивается из рабочего цилиндра под давлением пара. Высота подъема воды зависит от давления пара, и фактически ограничивается механической прочностью всех систем. Обычно она не превышала 30 м, поэтому в глубоких шахтах приходилось ставить одну машину над другой.

Несмотря на то, что эта паровая машина стоила дорого, угрожала взрывом и обладала низкой экономичностью, она нашла широкое применение.

Впоследствии паровая машина Севери была значительно усовершенствована Джоном Теофилом Дезагюлье (1683 – 1744). Он предложил для конденсации пара впрыскивать воду внутрь цилиндра. Это позволяло значительно сократить время на конденсацию пара, и машина Севери стала работать значительно быстрее. Кроме того Дезагюлье внедрил предохранительный клапан и двухходовой распределительный кран. Машины, усовершенствованные Дезагюлье, строились до начала XIX века.

Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из все углублявшихся шахт. Более радикально эту проблему решил Томас Ньюкомен (1663 – 1729). Машина, созданная им в 1707, представляет собой искусную комбинацию идей Севери и Папена. В ней пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 г.

Рис. 5. Схема работы пароатмосферной машины Томаса Ньюкомена

Однако промышленность все более остро нуждалась в универсальном двигателе, не зависящем, как водяные колеса, от места или, как ветряные, от погоды. И в 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил такую машину. Она работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим, правда, машина оставалась пароатмосферной. Изобретатель умер до пуска машины, которая после небольшой неполадки была остановлена и забыта.

В результате слава создания первого универсального паропоршневого двигателя досталась англичанину Дж. Уатту. В 1769 г. он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской водоподъемной машины: отделение конденсатора от цилиндра и использование в качестве движущей силы вместо атмосферного давления упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в 1788 г. — и центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.

Рис. 6. Схема системы регулирования паровой машины Уатта

и принцип работы центробежного регулятора

Число изобретений различных типов двигателей быстро растет, предлагается немало «вечных двигателей», и в 1775 г., за 70 лет до установления закона сохранения энергии и за 90 лет до открытия второго начала термодинамики, Парижская Академия наук первой в мире принимает решение их больше не рассматривать.

Далее путь человеческой мысли ведет в созданию тепловых двигателей с газообразным рабочим телом – газовых двигателей.

В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри цилиндра. В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде.

В 1816 г. английский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по-разному движущимися поршнями и регенератора-теплообменника и способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). Низкий уровень науки и техники не позволил тогда создать высокоэффективные «стирлинги», однако в наше время у этой машины хорошие перспективы.

В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня: 1-й – всасывание воздуха; 2-й – сжатие его, в конце которого подача и сгорание топлива; 3-й – рабочий ход – расширение газообразных продуктов сгорания; 4-й — выпуск их.

В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающие на светильном газе, с зажиганием от электрической искры, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их КПД 3–6 % (как и у паровых машин).

И только в 1877 г. немецкий изобретатель-коммерсант Н. Отто создает, наконец, четырехтактный ДВС с искровым зажиганием и КПД 16 – 20 %. В 1892–1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха ДВС, оказавшийся самым экономичным. В 1904 г. в России Г. В. Тринклер создает менее громоздкий и еще более экономичный бескомпрессорный дизель.

Так постепенно ДВС превосходят паровые двигатели и по компактности и по экономичности. Поиски новых конструкций двигателей возвращают изобретателей к турбинам, которые из-за отсутствия жаростойких материалов, малой точности обработки деталей и по другим причинам не разрабатывались до XIX в. Попытки создать турбинный двигатель предпринимаются во многих промышленно развитых странах. Так, за первые две трети XIX века было сделано свыше 200 предложений на постройку паровых турбин.

В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс патентует паровую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 г. шведский инженер Г. Лаваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности, ПТД стал основным двигателем электростанций.

Паротурбинные двигатели постепенно вытесняют все прочие в электроэнергетике. Их единичная мощность и экономичность быстро растут. В последние годы заводы серийно выпускают блоки котел – турбина мощностью 100, 150,200,300,500 и 800 МВт с КПД до 40–42 %. При этом обнаруживается, что дальнейшие затраты на увеличение единичной мощности уже почти не окупаются экономией материалов и горючего.

Первый газотурбинный двигатель (ГТД) с процессом горения при постоянном давлении спроектировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский в 1897 г. В 1906 г. В. В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД – с пульсирующим процессом (горением при постоянном объеме). Единичная мощность и экономичность ГТД все еще ниже, чем ПТД, поэтому их применяют для покрытия пиковых нагрузок и в особых случаях. Строятся парогазотурбинные двигатели.

На транспорте применяются все типы тепловых двигателей: на судах – паро- и газотурбинные, ДВС; в авиации – турбореактивные и реактивные; на автотранспорте, на строительных, дорожных и сельскохозяйственных машинах (включая тракторы) – ДВС.

В середине XX в. начинается быстрое развитие новой энерготехники. В декабре 1942 г. в США под руководством итальянца Э. Ферми был пущен первый ядерный реактор. В 1945 г. американские бомбы были взорваны над Хиросимой и Нагасаки. В 1954 г. была пущена первая в мире атомная электростанция в СССР, а в 1959 г. сдан в эксплуатацию первый атомный ледокол «Ленин». Так началась эра ядерной энергетики. Однако энергоресурсы урана и тория, даже при использовании их в быстрых реакторах (работающих с воспроизводством топлива), и термоядерного топлива, включающего тритий (получаемый из лития), сопоставимы с энергоресурсами органических ископаемых горючих, которые быстро истощаются. Поэтому существенное превосходство ядерной энергетики над обычной будет достигнуто только при использовании реакции синтеза дейтерия с дейтерием, запасы которого почти неисчерпаемы. Но для этого надо решить ряд трудных научно-технических проблем, на что потребуется не менее 30–40 лет.

Поиск по сайту: