Развитие теплоэнергетики

Скорость является функцией разности давлений над и под поршнем двигателя, сравнительно мало отличающейся в модели по сравнению с образцом. Кроме того, в модели не была осуществлена такая же высота подъема воды, какую обеспечивала машина Ньюкомена (примерно 80 м). Подобное нарушение условий подобия неизбежно приводило к более быстрому, чем в образце, движению поршня, что при малых размерах модели в свою очередь резко увеличивало число циклов двигателя в единицу времени. В результате этого после пуска модели поршень делал несколько быстрых ходов и затем останавливался из-за недостатка пара. Уатт, изучавший работу модели, усмотрел причину недостатка пара не в нарушении правил подобия, а в несоответствии между паропроизводительностью котла и потреблением пара машиной. Поскольку увеличение относительных размеров котла означало отход от геометрического подобия образцу, который никогда не останавливался из-за недостатка пара, то Уатт все свое внимание направил на изыскание способов уменьшения потребления пара машиной.

Так определилась основная линия всей деятельности Уатта в области сооружения паровых двигателей. Та же модель дала ему возможность найти решение возникшей задачи. Цилиндр модели был выполнен из тонкой латуни, тогда как в двигателе Ньюкомена применялись толстые чугунные стенки. Модель наглядно показала Уатту резкие колебания температуры в полости цилиндра по нагреву и охлаждению стенок. Уатт поставил перед собой задачу создать такой двигатель, цилиндр которого был бы «всегда горячим». После 5 лет упорной работы (в 1769 г.) он пришел к отделенному от цилиндра конденсатору — охлаждаемому водой сосуду, в котором происходит конденсация пара. Применение конденсатора настолько снизило расход пара, что даже модель, нарушавшая правила подобия, стала работоспособной.

В 1769 г. Уатт запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором. Теперь конструкция парового двигателя содержала все основные элементы: паровой котел, цилиндр, конденсатор. Отделение конденсатора явилось существенным шагом в поисках путей снижения расхода топлива, но не разрешило основную задачу того времени — получение непрерывного вращательного движения, универсальный двигатель с таким движением может работать и без конденсатора.

Благоприятные условия деятельности Уатта — денежная поддержка капиталистов, общение с учеными, поддержка в парламенте и, наконец, возможность использования высококвалифицированных инженерных кадров — позволили ему осуществить ряд ценных мероприятий, резко повысивших экономичность парового двигателя. Главными из этих мероприятий являлись: введение паровой рубашки, уменьшавшее температурные колебания стенок цилиндра и потерю пара от конденсации на них, и расширение пара в полости цилиндра.

Теперь уже не составляло особого труда построить двигатель с вращательным движением: нужно было только применить маховик для достижения равномерности вращающего момента. Уатт писал, что применить кривошипно-шатунный механизм к «...паровой машине было так же легко, как воспользоваться ножом, предназначенным для резки хлеба, для разрезания сыра».

Расширение пара (правда, очень незначительное) применялось уже в двигателях Ньюкомена, где оно являлось следствием прекращения впуска пара при подходе поршня к мертвому положению во избежание резких толчков. Уатт, которому шахтовладельцы по договору выплачивали из прибыли, получаемой от экономии топлива в насосных Двигателях с отдельным конденсатором, исследовал экономический эффект более раннего прекращения впуска пара в цилиндр и запатентовал расширение пара на значительной доле хода поршня. Это резко снижало удельный расход пара. Стремясь компенсировать потерю мощности, вызванную отсечкой пара, без увеличения размеров цилиндра, Уатт предложил впускать пар во вторую полость цилиндра. Таким путем он пришел к двигателю двойного действия, в котором осуществляется один из методов суммирования работы полостей.

***

Но здесь Уатт столкнулся с людьми, умевшими не хуже его самого патентовать давно известные изобретения. Подобно тому как он в своем патенте 1769 г. запатентовал избыточное давление пара, предложенное Леупольдом в 1724 г., два «изобретателя» сумели получить в 1779 и 1780 гг. патенты на давно известный технике шатунно-кривошипный механизм.

Обходя эти патенты, Уатт применил планетарную передачу, использовав ее свойство вдвое увеличивать число оборотов вала, что приводит к четырехкратному увеличению выравнивающего действия маховика.

Уатт не мог отказаться от балансира и применил соединение его со штоком двигателя при помощи параллелограмма теория которого была разработана значительно позднее П. Л. Чебышевым

Наконец, Уатт ввел центробежный регулятор скорости, изменявший сечение паропровода и, следовательно, подачу пара к двигателю при изменении числа оборотов вала. Так же как и регулятор уровня воды в котле Ползунова, этот регулятор явился одноимпульсным механическим регулятором простого действия с одним регулируемым параметром. Теория центробежных регуляторов была разработана И. А. Вышнеградским только в 1877 г.

Двигатели Уатта начали решительно вытеснять водяное колесо. Если за 70 лет до 1769 г. было установлено около 140 паронасосных установок, из которых около 100 работали по откачке воды на рудниках и шахтах, а остальные -  водопроводных схемах различного назначения (городские, промышленные, парковые), то, начиная с 1775 г., количество паровых установок резко возрастает. Вначале все еще преобладали насосные установки. Из 66 сооруженных установок 34 предназначались для целей водоподъема. В 17 установках двигатели прерывного действия применялись для привода воздуходувных установок доменных и кузнечных цехов. Остальные 15 представляли собой либо установки непрерывного действия с комбинированным аккумулированием, либо единичные установки других типов с вращательным движением и два двигателя Уатта.

1.3 Развитие промышленного переворота.

Не останавливаясь  на  известных политических следствиях промышленного переворота, заключающихся в становлении капиталистических отношений, обратимся к техническим сторонам его развития, обращая главное внимание на пути развития энергетики. Эти пути были неразрывно связаны с коренной технической реконструкцией ранее существовавших отраслей промышленности - горнорудного дела и металлургии - и возникновением новых отраслей, главным образом машиностроения.

Развитие горнорудной промышленности и металлургии предъявило к энергетике новые требования. Если в начале XVIII в. стоял вопрос о замене конных приводов и водяных колес паровым двигателем, не зависящим от локальных условий, то теперь двигатель должен был приводить в движение новый парк исполнительных машин, отличавшийся от старого, как по потребляемой мощности, так и по принципам действия. Возможности, заключающиеся в паровом двигателе, заставили конструкторов и изобретателей пересмотреть существовавшие насосы, воздуходувки, подъемники, вентиляторы, транспортные установки. Клинчатые воздуходувные мехи с кожаными стенками стали решительно заменяться цилиндрическими поршневыми воздуходувками, позволявшими подавать большее количество воздуха с более высоким напором. Насосы простого действия, малопроизводительные и тихоходные, стали вытесняться насосами двойного действия, а позднее им на смену пришли центробежные насосы. Мощность парового двигателя позволила значительно увеличить также производительность подъемных устройств, как за счет величины поднимаемого груза, так и за счет быстроты подъема.

В металлургической промышленности рост величины и производительности доменных печей теперь в значительной степени зависел от паровых машин, приводящих в действие более производительные воздуходувки. Мощный паровой двигатель, заменив водяное колесо у прокатных станов, внес существенную реконструкцию в технику проката сортового и профильного металла.

Машиностроение, получившее более качественный металл благодаря внедрению пудлингования и изготовлению тигельной стали, решительным образом встало на путь изготовления машин, делающих новые машины. Для этой цели прежде всего были разработаны конструкции металлообрабатывающих станков — технологических машин 2-го класса, которым был передан инструмент из рук рабочего. Объединение этого класса технологических машин с энергетикой

энергетикой нового парового универсального двигателя впервые привело к «развитой совокупности машин» (Маркс).

Совокупность машин, состоящая из двигателя, передаточного механизма и рабочей машины, применялась и с водяным колесом, приводившим в движение простейшие технологические машины 1-го класса: песты, жернова, мешалки, дробилки, молоты и т. п. Эта совокупность была еще мало развита. Она развилась с применением паровой машины, причем громадную роль при этом сыграла возможность увеличения единичной мощности парового двигателя, поскольку мощный двигатель экономичнее маломощного. Увеличение разницы между мощностью парового двигателя и мощностью технологических машин привело к применению группового привода, ставшего технической основой промышленного предприятия нового типа — завода или фабрики. Так возникла описанная Марксом «развитая совокупность машин».

На рис. 3-8 представлена схема промышленного предприятия, являвшаяся наиболее характерной для машинного производства до внедрения электрификации промышленности. На схеме отчетливо видны три основных звена «развитой совокупности машин»: «машина-двигатель» — заводская теплосиловая установка, состоящая из котельной и машинного зала, «передаточный механизм» — система трансмиссий, распределяющих энергию по станкам завода, и «рабочие машины» -  станки. Энергоснабжение предприятия осуществляется путем подвоза энергоемкого носителя энергии – топлива - на топливный склад, затем в Котельную 2, кузнечный цех 5 (для горнов) и в литейный цех 6 для плавильных печей. Пар из котельной идет в машинное отделение 3, а также на питание паровых молотов в кузнечном цехе 5. Механическая работа  паросиловой установки ведется через систему трансмиссий к станкам 4 и приводит в действие воздуходувное устройство для снаряжения сжатым воздухом горнов и плавильных печей.

Представленная схема показывает техническое решение, остававшееся наилучшим в течение длительного времени. Позднее, к 80-м годам XIX в., эта схема перестала удовлетворять потребности растущего производства и была заменена новой (см. гл. 6).

2. Развитие теплоэнергетики после промышленного переворота.

2.1 Общие тенденции развития теплоэнергетики в XIX в.

Эволюция машинного производства в течение XIX в. проходила под знаком постоянно усиливавшейся капиталистической концентрации производства, сопровождавшейся технической концентрацией. Последняя выражается прежде всего в укрупнении производственных единиц машинного производства -  заводов и фабрик. Отсюда возникают два основных требования, предъявляющихся к силовым фабрично-заводским установкам: увеличение единичной мощности теплосиловых установок и увеличение их экономичности. Эти два требования, выражавшие главную тенденцию развития теплоэнергетики в течение XIX в., вызвали существенное изменение единичной мощности и экономичности теплосиловых установок. Единичная мощность теплосиловых установок возросла с 10 - 20 до 10 000— 15 000 л. с. Экономический к. п. д. вырос от среднего значения порядка 5% до 15%. Приведенные изменения мощности и экономичности явились неизбежным следствием быстрого роста энергопотребления в течение XIX в.

Рост установленной мощности паровых двигателей выразился громадным числом: в 20 000 раз (с 6 000 л. с. в 1800 г. до 120 000 000 л. с. в 1900 г.). Такой рост был бы немыслим без увеличения единичной мощности машин, возросшей в среднем в 1000  раз. Увеличение единичной мощности двигателей сопровождалось ростом экономичности, поскольку крупные единицы, как правило, экономичнее маломощных. Всемерное увеличение к. п. д. приобрело исключительное значение, так как даже при повысившейся втрое экономичности теплосиловых установок мировое потребление топлива к концу XIX в. оценивалось уже суммой в 7 млрд. руб. золотом. Особое значение имело повышение к. п. д. двигателей для транспортных установок. «Это условие (т. е. расход топлива — Авт.), — писал М. Хотинский, автор книги «История машины, пароходов и паровозов», изданной в 1853 г.,—необычайно важно в отношении вопроса о пароходстве, одним из главных стеснений которого было огромное количество угля, которым должно запасаться для продолжительных плаваний через океан. Известно, что пароходы, плавающие  через  Атлантический океан в Америку, потребляют в каждый рейс около 26 000 пудов угля...».

Требования транспортных установок являлись весьма существенными вследствие их преобладавшей доли в потреблении энергии. Следует заметить, что в настоящее время в связи с громадным ростом автомобильного транспорта (рис. 1) и авиации, доля транспорта в энергобалансе остается высокой, составляя около 40% всей потребляемой механической энергии.

Обе главные тенденции развития теплосиловых установок— увеличение единичной мощности и повышение к. п. д. — проявлялись по-разному в двух основных агрегатах теплосиловых установок XIX в.: паровых котлах и паровых машинах. Поэтому целесообразно рассмотреть более подробно процесс развития этих агрегатов.

Экономический к. п. д. показывает отношение полезной работы вала теплового двигателя к теплу, внесенному в топки котлов, занесенных в соответствующих единицах.

2.2 Развитие паровых котлов.

В начальный период развития паровых котлов применялся пар атмосферного давления, а поэтому забота о прочности незначительно отражалась на процессе развития котельных конструкций. Котлы Ползунова, Ньюкомена и ряда других изобретателей исходили из конструкции пищеварочных котлов, откуда и возник термин «котел», сохранившийся до наших дней. Рост мощности пароатмосферных двигателей вызвал к жизни первую поныне существующую и действующую тенденцию котлостроения: увеличение паропроизводительности — количества пара, производимого котлом в час, которое достигалось разными путями.

Английский машиностроитель Д. Смитон устанавливал по два-три котла для питания паром одного цилиндра своих насосных установок. В частности, трехкотельная установка по проекту Смитона была в 1777 г. сооружена для откачивания воды из Кронштадтских морских доков. Другие конструкторы стали увеличивать активную поверхность нагрева котлов, организуя обмуровку таким образом, чтобы газы омывали не только дно, но и боковые стенки котла. Уатт сконструировал «вагонный» котел, получивший свое название по некоторому сходству со старинными вагонами (рис. 3-10) и имевший дымоходы, создававшие довольно развитую поверхность нагрева. Применение в установках Уатта давления, не превосходившего 0,25 атм, позволило получать достаточную прочность за счет слегка вогнутых днища и боковых стенок котла. Низкое давление также давало возможность при потребности в значительных количествах пара использовать опыт сооружения водогрейной аппаратуры, как это сделал американский изобретатель П. Барлоу в 1799 г.

Однако если рост единичной  мощности  паросиловых установок требовал  повышения  паропроизводительности котлоагрегатов, то увеличение к. п. д. неизбежно приводило к конструированию более прочных котлов, так как роста к. п. д. нельзя достигнуть без повышения давления пара. Так возникла вторая поныне существующая и действующая тенденция котлостроения: увеличение давления.