Развитие теплоэнергетики

В  1768 г.  английским механиком-ткачом Харгривсом была сооружена более производительная прядильная машина, названная им «Дженни». «Двигателем» этой машины служил человек. Одной рукой он передвигал каретку, которая несла на себе ряд брусков, заменивши, пальцы прядильщика. Эти бруски захватывали и вытягивали хлопок в нити. Другой рукой рабочий вращал рукоятку машины, приводя в движение ряд вертикальных веретен, осуществлявших скручивание нити. Так, разделив на две отдельные операции вытяжку и кручение нити, выполнявшиеся ранее пальцами прядильщика, Харгривс заменил их 2 комплектами инструментов: брусками для вытягивания и веретенами для скручивания.

Применение прядильной машины резко повысило производительность труда. Она теперь зависела не только от замены пальцев брусками и веретенами, не знающими усталости, но и от того, что одна рука прядильщика (попытки прядения одновременно двумя руками оказались неудачными) была заменена несколькими комплектами искусственных «пальцев».

Таким образом, ставший на место искусного прядильщика неквалифицированный рабочий, выполнявший элементарную функцию двигателя, вырабатывал в несколько раз больше пряжи.

С распространением ткацких и прядильных машин возник вопрос о приведении их в движение. Ручной привод очень скоро уступил свое место конному, а позднее — и энергии неорганической природы. В 1769 г. Аркрайтом была запатентована в Англии прядильная машина с большим количеством веретен и приводом от водяного колеса, сохранившая и поныне в названии отзвук своего происхождения: «ватер-машина». Позднее было обнаружено, что Аркрайт (по профессии парикмахер) никогда не изобретал «ватер-машины», а присвоил чужое Изобретение. Это привело в 1785 г. в результате судебного разбирательства к лишению Аркрайта права на английский патент. Маркс, описывая историю возникновения машинного производства, справедливо назвал Аркрайта самым низким субъектом и вором чужих изобретений. Однако усилиями этого ловкого дельца, оставившего после себя громадный капитал, прядильные машины с водяным приводом получили самое широкое распространение. Так, например, в южной части графства Ланкастер, где реки еще с давних пор использовались для приведения в движение мельниц, к 1788 г. уже насчитывалось свыше 40 прядилен с машинной технологией и приводом от водяных колес.

Повышение производительности труда с внедрением машинного прядения и ткачества, особенно после того, как стали применяться более совершенные прядильные (Кромптон) и ткацкие (Картрайт) машины, ставило вопрос о соответственном повышении производительности труда в смежных процессах текстильного производства. Поэтому в течение последней четверти XVIII в.  Англии были созданы технологические машины для замены ручного труда при очистке хлопка, его чесании, при изготовлении пряжи.

Потребовалось повышать производительность труда и в отделочных операциях, главным образом в белении и крашении. Старый способ беления на солнце был малопроизводителен, и на смену ему пришли процессы химической технологии, чему способствовали успехи химии. Открытие в 1775 г- хлора шведским химиком Шееле и разработка в 1785 г. французским химиком Бертолле способов, 
применения хлора для беления тканей привели к предложению английским химиком Тенантом эффективного метода беления тканей белильной известью, получаемой действием хлора на гашеную известь. Этот метод удерживался в производстве более столетия. 

Необходимость сооружения большого числа машин, строившихся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставших товаром, привело к возникновению машиностроения, как новой отрасли промышленного производства зарождалось производство средств производства. В связи с этим понадобились машины для постройки машин. Возможность удовлетворения этой потребности уже имелась в результате длительного процесса развития методов обработки металлов.

Естественно, что технологические машины 2-й группы, на долю которых была возложена задача во все большем количестве готовить полуфабрикаты промышленного производства, также не остались вне сферы промышленного переворота.

Следовательно, первая фаза промышленного переворота коснулась всех групп технологических машин, являясь по своей сущности заменой рабочего машинами в выполнении им технологических функций производства. Промышленный переворот захватывал одну область производства за другой, сфера промышленного производства расширялась, возникало крупное машинное производство с большим количеством наемных рабочих. Тонкая нить, вышедшая из механического прядильного станка, потянула за собой бесконечную цепь глубочайших технических, экономических и социальных преобразований.

1.2 Второй этап  промышленного переворота.

Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежным  осуществление  второй фазы промышленного переворота - внедрения в производство универсального двигателя.

В гл. 2 дано определение универсального двигателя по его основным признакам: малой зависимости от локальных условий и универсальности по техническому применению. Если первые насосные установки, в которых для получения тепловой энергии использовалось энергоемкое топливо, решили задачу малой зависимости от локальных условий, то универсальность по техническому применению после первого этапа промышленного переворота приобрела иной характер.

Уже на примере одной из первых прядильных машин «Дженни» было видно, что рабочее движение частично передавалось машине от двигателя во вращательной форме. Применение водяного колеса в «ватер-машине» закрепило вращательную форму движения привода настолько, что ко многим технологическим машинам с поступательным рабочим движением (как, например, строгальные станки) рабочее движение поступало тоже на вращающийся вал.

Далее, если старые машины (песты, молоты и т. п.), 
получавшие движение от вращающихся валов водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые машины, особенно прядильные и ткацкие, потребовали от приводящего двигателя вращательного движения с большим числом оборотов. Только это могло обеспечить достаточную производительность станков и повысить степень равномерности, чтобы не допускать разрыва такого непрочного материала прядильного и ткацкого производства, как хлопчатобумажная, шерстяная или льняная нить.

Таким образом, характеристика «универсальности по техническому применению» в процессе развития первой фазы промышленного переворота приобрела новые конкретные черты: универсальный двигатель должен был отдавать работу в форме однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения. Требование к двигателю такого типа было настолько острым, что один из первых заводчиков по производству паровых двигателей Болтон писал своему компаньону—изобретателю Уат-Ту, что «...в Лондоне, Манчестере, Бирмингаме все без ума от машин с вращательным движением».

В этих условиях неизбежно должны были разрабатываться конструкции двигателей, способных удовлетворить назревшим требованиям производства. Десятки конструкторов и изобретателей, рассчитывая на громадные барыши от изобретения универсального двигателя, стремились прежде, всего приспособить освоенный многолетней практикой двигатель Ньюкомена для равномерного вращения шкивов прядильных и ткацких станков. Был использован весь арсенал техники, особенно техники передаточных механизмов, хорошо разработанных в практике привода от водяных колес. Были испытаны все методы, дававшие возможность преобразовать работу поступательного движения поршня в работу вращательного движения вала.

Самыми ранними и наименее целесообразными были многочисленные попытки применения потенциального механического аккумулирования при помощи груза.

Очевидные недостатки этого способа—тихоходность и неравномерность - ограничили попытки постройки подобного рода двигателей единичными случаями.

Гораздо целесообразнее были двигатели с применением кинетического аккумулирования как в «чистом» виде, так и в комбинации с потенциальным аккумулированием или суммированием работы нескольких полостей двигателя.

Комбинированное (потенциальное с кинетическим) аккумулирование было успешно использовано в Англии в 70-х годах XVIII в. для привода шахтных вентиляторов. В этом двигателе только половина работы, развиваемой опускающимся поршнем, передавалась коренному валу, несущему маховик; вторая половина расходовалась на подъем тяжелого литого шатуна. Опускаясь вниз, шатун отдавал аккумулированную в нем половину работы рабочего хода валу двигателя и одновременно поднимал вверх - поршень, обеспечивая поступление пара в полость цилиндра. Таким образом, первый из двух аккумуляторов работы — потенциальный аккумулятор (тяжелый шатун) — позволял передавать работу вала двигателя непрерывно как во время опускания, так и во время подъема поршня Двигателя. Неравномерность вращающего момента на валу Двигателя выравнивалась вторым, кинетическим аккумулятором— маховиком, насаженным на вал двигателя. Первое решение задачи об универсальном двигателе, когда налицо имелись потребность в нем и возможность ее удовлетворения, было найдено так просто, что описанный двигатель не был даже запатентован.

Суммирование работы двух цилиндров пароатмосферного двигателя с кинетическим аккумулированием скомбинировал в своем универсальном двигателе Томсон. Здесь поршни цилиндров Е и F закреплены на общем вертикальном штоке, и поэтому рабочее движение штока непрерывно: работа передается балансиру L — L двигателя как при движении штока вверх (работает верхний цилиндр), так и при движении штока вниз (работает нижний цилиндр). Непрерывная, но неравномерная работа, передаваемая валу шатуном М, преобразующим качательное движение во вращательное, выравнивается маховиком Q. Так как выравнивающее действие маховика при неизменных массе и радиусе зависит от квадрата числа оборотов, Томсон в 9 раз увеличил эффективность маховика, втрое увеличив число оборотов маховичного вала введением зубчатой передачи (шестерни N а О втрое увеличивают число оборотов маховика Q).

В «чистом» виде кинетическое аккумулирование было применено в двигателе Картрайта (рис. 3-4). Рабочий цилиндр Е находится на одной оси с цилиндром насоса Я, откачивающего воздух из конденсатора. Шатуны М и К через кривошипы приводят шестерни N—N, а шестерня О втрое увеличивает число оборотов маховика Q. Его одноцилиндровый двигатель простого действия был объединен с вакуумным насосом конденсатора общим штоком. Пар избыточного давления двигал поршень вниз, осуществляя рабочий ход. При холостом ходе вверх, осуществлявшемся за счет инерции маховика, пар через клапан в поршне перепускался в нижнюю полость цилиндра, откуда он отсасывался насосом. Равномерное движение обеспечивалось маховиком, для увеличения эффективности которого Картрайт втрое увеличил число оборотов маховичного вала введением зубчатой передачи.

В двигателе Фалька (рис. 3-5) было осуществлено суммирование работы двух цилиндров (как в двигателе Ползунова). Непрерывное качательное движение затем преобразовывалось во вращательное посредством шатунно-кривошипного механизма, а неравномерность сглаживалась в нужной степени введением массивного маховика. Конструктивные формы двигателя Фалька показывают, что в двигателе Ползунова была заложена возможность легко получить вращательное движение, применив повсеместно известный тогда шатунно-кривошипный механизм.

Промышленный переворот привел к тому, что в короткий исторический период — за последнюю четверть XVIII в. — в одной только Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций. Еще раз подтвердились слова Маркса: «Критическая история технологии вообще 152 показала бы, как мало какое бы то ни было изобретение XVIH столетия принадлежит тому или иному отдельному лицу». Однако участники изобретения универсального двигателя, чьи упорные труды стимулировались нуждами промышленного производства, оказались забытыми- Обширная литература по истории паровых двигателей до самого последнего времени выделяла из числа изобретателей универсального двигателя одного Д. Уатта.

Это имеет свои причины. Первая причина состоит в том, что Уатт и его компаньон заводчик М. Болтон, запатентовав такие широкие приемы применения пара, как конденсацию в отдельном конденсаторе и применение избыточного давления, крайне ограничили возможности других изобретателей. Фирмой «Уатт и Болтон» был опротестован патент на двигатель без балансира только потому, что в этом двигателе предполагалось применить избыточное давление пара. Патент Булля с кривошипным механизмом и патент Горнблауэра, в котором впервые предлагалось последовательное расширение пара в двух цилиндрах (двойное расширение), были опротестованы также на том основании, что изобретатель применил избыточное давление пара, которое, кстати сказать, впервые предложил применять Я. Леупольд еще в 1724 г. Неслучайно автор английской книги по истории парового двигателя, вышедшей в 1939 г., Дикинсон писал, что «...Подобная политика в течение долгого срока действия патентов Уатта (с 1769 по 1800 г.) (т. е. 31 год — авт.), вне всякого сомнения, толкала назад развитие паровой машины».

Вторая причина столь большой известности Уатта состояла в том, что его двигатель, будучи равноценным с другими в отношении универсальности по техническому применению, был вдвое экономичнее по расходу топлива благодаря отделенному конденсатору. Экономичность двигателя и коммерческий талант заводчика Болтона сделали Уатта одним из наиболее популярных изобретателей в мире.

Уатт начал свою работу в 1763 г. почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в совершенно другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от локальных условий гидросиловых установок Универсальным тепловым двигателем, но не смог реализовать сбои смелые планы в крепостной России. Уатт начал с частной задачи - повышения экономичности двигателя Ньюкомена, возникшей в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке действующей модели водоотливной паровой установки Ньюкомена.

Эта модель сыграла значительную роль в деятельности Уатта, так как помогла ему увидеть недостатки установки Ньюкомена и найти способы их устранения. Это произошло потому, что, будучи геометрически подобна своему промышленному образцу, модель не являлась подобной по протекавшим в ней механическим и тепловым процессам. Достаточно рассмотреть условия механического подобия, для того чтобы убедиться в полной неработоспособности модели. Механическое подобие предусматривает равенство числового значения критерия гомохронности, но в образце и модели, т. е. определяется, наряду с другими условиями.

Из приведенных уравнений следует, что для сохранения механического подобия при одном и том же времени цикла скорость движения поршня в модели должна быть меньше скорости движения поршня в образце во столько же раз, во сколько линейные размеры модели меньше аналогичных размеров образца.