Развитие теплоэнергетики

Дальнейшее повышение к. п. д. могло быть достигнуто только за счет предварительного сжатия рабочей смеси. Это прежде всех понял французский инженер Бо-Де-Роша, опубликовавший в 1862 г. небольшую брошюру «Новейшие, исследования относительно практических условий применения теплоты», в которой он описывал цикл четырехтактного двигателя, широко распространенного в наше время. Бо-Де-Роша не запатентовал своего предложения и не делал попыток его реализации. Четырехтактный двигатель был впервые осуществлен в 1878 г. Н. Отто и  Е.Лангеном, построившими такой двигатель с к. п. д. 22%.

Практика построения четырехтактных двигателей, показав прежде всего несостоятельность надежд разорявшихся ремесленников на возможность конкурировать с крупным капиталом, явилась основой для значительных капиталовложений в производство двигателей внутреннего сгорания. Расширение производства двигателей внутреннего сгорания вызвало их специализацию. Строились газогенераторные двигатели одновременно с улучшением конструкций газогенераторов. Конструировались двигатели для привода доменных воздуходувок с использованием газов доменных печей. Началось широкое использование высококалорийного жидкого топлива. Тяжелое жидкое топливо стали применять в калоризаторных двигателях с калоризатором («запальным шаром»), раскаливающимся докрасна и служащим для воспламенения вбрызнутого горючего. Для легких сортов жидкого топлива стали строить 
карбюраторные двигатели с получением в карбюраторе смеси 
из мелко распыленного частично испарившегося топлива с воздухом. Двигатели начали специализироваться по областям их применения в качестве судовых, стационарных, газогенераторных, позднее - автомобильных, еще позднее -  авиационных. Особая линия развития возникла с изобретением двигателей высокого сжатия в конце XIX в.

2.8 «Калорические» двигатели – предшественники современных газовых турбин.

Результатом      осуществить тепловой двигатель без котла       явились  не одни   только   двигатели   внутреннего сгорания. Помимо доро говизны и сложности в эксплуатации котлы первой половины XIX в. имели еще один существенный недостаток, происходивший из недостаточно глубокого и отчетливого представления о протекающих в котлах процессах. Этот недостаток—взрывоопасность. Частые взрывы котлов нередко сопровождались человеческими жертвами. М. Хотинский писал в упоминавшейся выше книге, что «...В Америке, где это условие (контроль за исправным действием предохранительных клапанов. — Авт.) отнюдь не соблюдается, взрывы паровиков — вещь самая обыкновенная и стоят ежегодно жизни многим сотням, если не тысячам людей».

Стремление избавиться от котла направило поиски изобретателей на использование воздуха в качестве рабочего тела теплосиловых установок, получивших название «калорических». Примером калорической установки может служить теплосиловая установка шведского инженера Д. Эриксона, относящаяся к середине XIX в., в которой Два калорических двигателя работали в течение некоторого времени на. одном из заводов в Нью-Йорке. Калорическими двигателями было оборудовано морское судно «Эрик-сон», а в несколько упрощенной конструкции подобный Двигатель работал на заводе Нобеля в Петербурге.

Схема, выполненная по чертежам двигателя, опубликованным в одном английском журнале за 1852 г., дает представление об устройстве и действии калорического двигателя Эриксона - рабочим телом являлся воздух, нагреваемый в цилиндре двигателя от расположенной под цилиндром топки. Работа расширения нагреваемого воздуха расходуется по трем направлениям: 1 — передается движителю (балансир, передающий работу; на схеме опущен), 2—аккумулируется в поднимаемом тяжелом поршне и 3— затрачивается на сжатие воздуха в полости компрессора. Сжатый воздух через нагнетательный клапан подается в камеру и далее при открытом золотником отверстии подается в рабочий цилиндр, пройдя предварительно теплообменник, называвшийся тогда  «реженератор»   (сейчас—регенератор). Регенератор заполнялся мелкой медной сеткой. Воздух, проходя через ячейки сетки, нагретые в течение предыдущего хода двигателя, нагревался перед поступлением в цилиндр. Обратный ход осуществлялся за счет энергии, аккумулированной в поднятом тяжелом поршне, который, опускаясь, отдавал работу движителю судна и выталкивал горячий воздух из цилиндра. Отработавший воздух сначала нагревал насадку регенератора, а затем под золотником, находящимся в другом положении, выходил в выхлопную трубу. Одновременно опускающийся поршень производил работу всасывания воздуха в полость компрессора через приемную трубу и всасывающий клапан. Была предусмотрена возможность осуществления замкнутого цикла с циркуляцией одного и того же количества воздуха при соединении выхлопной трубы с приемной трубой.

При сравнении принципиальной схемы калорического двигателя со схемой газовой турбины замкнутого цикла обнаруживается полное тождество. Воздушный котел и газовая турбина современного двигателя соответствуют по выполняемым ими функциям цилиндру калорического двигателя с расположенной под ним топкой. Теплообменник и компрессор используются и в современной газовой турбине. Схема газотурбинной установки может быть замкнутой. Несмотря на тождество принципиальных схем, вытекающее из тождества принятых циклов, между калорическими двигателями и современными газовыми турбинами лежит длительный и трудный путь исторического развития. На этом пути были разработаны эффективные циклы газового двигателя, исследованы и обобщены сложные условия теплообмена, осуществлен переход от поршневых конструкций к роторным, означавший переход от десятков к тысячам оборотов в минуту, освоена технология получения жаростойких сталей, достигнут высокий к. п. д. турбокомпрессоров. В результате упорной работы многих конструкторов возникла газовая турбина, к. п. д. которой приближается к 50%. Исследования установки судна «Эриксон», опубликованные в 1852 г., показали, что к. п. д. двигателей «Эриксона» не превосходил к. п. д. средних паровых машин, а сам двигатель был крайне громоздким. Так, для получения мощности 170 л. с. на судне были установлены четыре двигателя, имевшие цилиндры диаметром 4,2 м с ходом поршня 1,8 м.

На мелких предприятиях калорические двигатели получили некоторое распространение. В частности, в России строился маломощный калорический двигатель, называвшийся «Тепло и сила». С развитием высокоэкономичных двигателей внутреннего сгорания поршневые калорические двигатели отмерли и получили свое второе рождение в соименных воздушных турбинных установках.

3. РАЗВИТИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

3.1 Развитие  паровых котлов во второй половине XIX века.

Во второй половине XIX в. практическое котлостроение выработало достаточно экономичные и надежные парогенераторы, которые не только удовлетворяли потребности стационарной и транспортной энергетики рассматриваемого периода, но и служили базой для последующего постепенного перехода от паропроизводительности в десятки тонн пара в час до сотен тонн. Такой рост паропроизводительности потребовался в связи с ростом масштабов энергоснабжения в условиях развитой электрификации в XX в.

К этому времени практика котлостроения под воздействием требований ,на всемерное повышение давления пар; и производительности котлов неизбежно привела к единственной рациональной принципиальной основе конструирования парового котла в виде той или иной комбинации стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы позволяют при толщине стенки 3—4 мм выдерживать очень высокие давления. Потребная же производительность может быть достигнута за счет суммарной длины труб, входящих в конструкцию котлоагрегата. Таким образом, тонкая стальная труба в качестве основного конструктивного элемента котла была в состоянии удовлетворять двум основным тенденциям развития паротехники: увеличению давления и производству больших количеств пара.

К середине XIX в. сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых слегка наклонных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер (рис. 7-1), получивший название «горизонтального» водотрубного котла. К концу XIX в. стремление увеличить удельную паропроизводительность паровых котлов судовых установок привело к разработке другого типа водотрубных котлов, названных «вертикальными», основным элементом которого явился вертикальный или близкий к вертикальному пучок труб, вальцованный   в   цилиндрические   стенки   барабанов.

Оба типа котлов заключали в себе возможности для значительного увеличения поверхности нагрева за счет удлинения труб, увеличения числа труб в пучке, числа коллекторов и барабанов. Что касается повышения котельного давления, то здесь более перспективными оказались «вертикальные» котлы с их барабанами, лучше сопротивляющимися давлению, чем плоские стенки камер.

Рассмотрим отдельно основные этапы развития «горизонтальных» и «вертикальных» водотрубных котлов.

Горизонтальные и вертикальные котлы.

Начиная с середины XIX в., двухкамерный котел получил широкое развитие и значительное число западноевропейских заводов выпускало двухкамерные котлы, отличавшиеся друг от друга лишь некоторыми несущественными деталями. Очевидным недостатком двухкамерных котлов являлось наличие плоских стенок, плохо выдерживавших высокие давления и требовавших для своего укрепления множество связей, которые затрудняют очистку котла от накипи и вызывают температурные напряжения. С этим недостатком можно было мириться, пока давление колебалось в пределах 3—8 атм. Типичным представителем двухкамерных котлов может служить выпускавшийся в Германии котел Штейнмюллера (рис. 7-2) с ручной топкой для угля, характерным расположением пароперегревателя, допускавшим регулирование перегрева заслонкой, расположением поперечных газоходов и выводом топочных газов в подземный боров.

С повышением давления пара настоятельно потребовалось новое решение, которое было в принципе найдено в виде разделения камер на секции, благодаря чему допускалось более свободное тепловое расширение конструкции котла и появлялась возможность выдерживать большее Давление. В некоторых конструкциях (котлы Бабкок-Виль-кокс, Шухова) в каждую отдельную секцию ввальцовыва-лось по нескольку труб. В других конструкциях (котлы Бельвиля, Долголенко, Рута, Шмидта) секции сводились к небольшим коробкам, предусматривавшим ввальцовку в них только двух труб, соединявшихся посредством этих коробок.

Одним из ранних высококачественных секционных водотрубных котлов явился  котел  фирмы  Бабкок-Вилькокс, разработка которого, по данным фирмы, прошла 20 этапов постепенного приближения к наилучшему решению. В конструктивной форме, близкой к той, которая принесла этому котлу мировую известность, он был впервые продемонстрирован на Парижской выставке в 1867 г. (рис. 7-3).

Другим секционным котлом с пучками параллельных _труб, получившим преимущественное распространение _в России и вызвавшим подражания за рубежами нашей страны, явился котел конструкции В. Г. Шухова, запатентованный им в 1896 г. (рис. 7-4). В том же году он демонстрировался на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде. В котле Шухова каждая отдельная секция представляла собой пучок из 19—21 труб, ввальцованных в короткие барабаны с легко снимавшимися крышками, что позволяло иметь свободный доступ сразу к трубам всего пучка. Шухов разработал оригинальную конструкцию соединения секций посредством болтов, что давало возможность из отдельных пучков (по два пучка по вертикали и по два — четыре пучка по горизонтали) составлять котлы с поверхностью нагрева 50—300 м². Разборный котел Шухова 
был транспортабельным, отличался невысокой стоимостью и малой металлоемкостью. 

В патентной заявке на свой водотрубный котел Шухов писал: «...В случае надобности, обмуровка таких котлов заменяется особою одеждою, состоящей из циркулярных труб. Такая одежда образует топочное пространство, в котором помещается котел». Приведенный текст показывает что Шуховым впервые был предложен топочный экран, получивший в наше время широкое применение.

Взгляд и разработанные конструкции, опережавшие современную ему технику, характерны для творчества В. Г. Шухова и вытекают из постоянно применявшегося в его научно-инженерной деятельности творческого метода, который и в наше время может служить хорошей школой для инженеров. Сущность применявшегося Шуховым метода в самом кратком виде может быть выражена простым указанием на следующие последовательные приемы: 1) четкая постановка задачи, вытекающая из ее целевого назначения; 2) выделение главных, определяющих элементов искомого решения; 3) точное выражение характера связи между определяющими элементами в виде математического уравнения; 4) выделение в качестве произвольно изменяемого аргумента того элемента, с изменением которого изменяется   экономический   эффект   решения;

5) математическое решение выведенного уравнения для частной формы, определяемой максимумом экономической эффективности; 6) приведение найденных решений к форме, доступной и удобной для использования на производстве; 7) дополнение найденного наиболее эффективного решения практическими нормами и коэффициентами; 8) доведение результатов всей работы до завершенной технической формы — до рабочего чертежа, графика, таблицы величин.

Судовые паровые котлы, к которым предъявлялось требование более высокой удельной паропроизводительности (как на единицу поверхности нагрева котла, так и на единицу его веса и объема), сыграли существенную роль в подготовке производства паровых котлов к решению тех задач, которые возникли в XX в. в связи с начавшейся эрой электрификации. Судовые котлы развивались по нескольким направлениям. Первое из них довольно быстро завершилось построением огнетрубного шотландского парового котла, с максимумом давления пара 16—20 атм. Водотрубные судовые котлы, так же как и стационарные, подразделялись на «горизонтальные» и «вертикальные».

Наиболее распространенным горизонтальным котлом являлся котел французской фирмы Бельвиль, в значительной степени усовершенствованный русским конструктором В. Я. Долголенко. Последний, обратив внимание на недостаточность циркуляции в котлах Бельвиля, настолько их усовершенствовал, что получил привилегию на морской водотрубный котел (рис. 7-5), отличавшийся весьма надежной Циркуляцией.

Представителем группы вертикальных судовых паровых котлов может служить котел Ярроу, показанный на рис. 7-6 без обмуровки. Удобное расположение топки под «Шатром» труб, надежная циркуляция и высокая удельная паропроизводительность обеспечили этому котлу широкое распространение в судовых установках и вместе с другими конструкциями «вертикальных» судовых паровых котлов способствовали возникновению и быстрому развитию «вертикальных» котлов в стационарных установках.