Переход от гидро- к теплоэнергетике, зарождение электротехники

Гидродвигатель в рассматриваемый период, с одной стороны, достиг своего совершенства, с другой — наиболее четко выявилось и его несовершенство.

Наиболее ярким образцом триумфа гидроэнергетики являлась уникальная Змеиногорская гидравлическая система на Алтае, созданная в 1780-х гг. Козьмой Дмитриевичем Фроловым. Им были применены самые мощные верхнебойные (верхненаливные) колеса, по своим размерам не имевшие аналогов в мире. Применена была наиболее совершенная каскадно-деривационная система (от лат. derivatio — отведение) с длиной отводных каналов 2740 м и тремя каскадами, так что вода последовательно проходила через три колеса. При этом подводные каналы и камеры были вырублены внутри горы и таким образом было устранено промерзание. С помощью сложной трансмиссионной системы водяные колеса приводили в действие рудоподъемные, рудодробительные, рудопромывающие и водоотливные машины, а также лесопилки и кузницу. По существу это был первый в мире завод-автомат.

Детище Фролова было наивысшим достижением манифактурного периода и его заключительным аккордом, так как водяное колесо исчерпало себя — оно привязывало производство к рекам и ставило его в зависимость от непостоянства водной стихии. Водяное колесо являлось универсальным двигателем по техническому применению, но не универсальным по своему использованию в промышленности и на транспорте, поскольку было связано с водяным источником. Сильнее всего ограниченность гидроэнергетики сказывалась в металлургии и горнорудном производстве

В течение 14 веков (IV-XVIII) водяное колесо исправно служило человеку, являясь энергетической основой производства, но в конечном счете потеряло перспективу. Еще большими недостатками страдали ветряные двигатели, которые использовались там, где был недостаток в гидроресурсах. Нужен был источник энергии, не зависящий от местных условий, который можно было использовать везде и обеспечивать мощность, определяемую потребностями производства.

Используя опыт, накопленный при создании водяных колес, изобретатели натолкнулись на идею создания водяной турбины, которая отличалась от водяного колеса искривленной формой лопаток и была рассчитана на большие скорости вращения. Еще в 1813 г. Алтайским механиком Поликарпом Залесовым подобная установка была построена на Сузунском заводе, но, как и детище Ползунова (паровая машина), опередило время и не получило тогда практического распространения.

Позднее, в 1827 г., французский инженер Бенуа Фурнейрон создал первую практически пригодную гидравлическую турбину, запатентованную им в 1832 г. Свои конструкции водяных турбин предлагали многие изобретатели. Но это были лишь первые попытки — время широкого использования турбин еще не наступило, о гидротурбинах «вспомнили» лишь в конце XIX в., когда появился новый, более достойный потребитель в образе динамо-машины для производства электроэнергии.

Социальный заказ на универсальный паровой двигатель предопределили как состояние и потребности производства, так и развитие науки и всплеск изобретательской мысли во второй половине XVIII в. Первым поставил задачу об универсальном двигателе в форме всеобщего перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике как задачу государственного значения и масштаба русский теплотехник Иван Иванович Ползунов. Он первый спроектировал в 1763 г. двухцилиндровую паровую машину непрерывного действия, которая могла обеспечить непосредственный привод большинства существующих в то время машин-орудий.

Однако Ползунов своим изобретением намного опередил время. На Алтае, богатом гидроресурсами, его еще не вполне совершенное детище не могло в то время успешно конкурировать с уникальными гидроустановками Фролова.
А преждевременная смерть изобретателя не позволила ему довести начатое дело до конца. Запущенная в 1766 г., уже после его смерти, в упрощенном варианте (только для привода воздуходувных мехов) машина из-за поломок была остановлена и вскоре вообще ликвидирована «за ненадобностью».

Вторая стадия создания универсальной паровой машины непосредственно связана с промышленным переворотом в Англии и главную рель в этом сыграл английский изобретатель Джеймс Уатт. Он оказался в нужнее время в нужном месте и потому был востребован. Он начал с того, что в 1769 г. получил патент на одноцилиндровую паровую машину простого действия, в которой рабочий ход осуществлялся под давлением пара, отводимого в конденсатор. Но эта машина не была универсальной, она выполняла узкие функции насоса для откачки воды.

Успех пришел к Уатту в 1774-84 гг., когда он создал свою знаменитую паровую машину с цилиндром двойного действия и запатентовал с целым рядом важных усовершенствований. К ним относятся прежде всего центробежный регулятор и механизмы преобразования поступательного движения штока во вращательное движение вала. Обеспечив Уатту приоритет в изобретении универсального теплового двигателя, его машина сыграла большую роль в переходе к машинному производству.

Изобретение паровой машины означало наступление второго этапа промышленной революции, первый, начался с создания и применения машин в текстильном производстве. Развитие машинного производства на теплоэнергетической базе вызвало существенное расширение производства, с другой стороны, эта база сама нуждалась в совершенствовании техники, технологии и организации производства.

Дальнейшее совершенствование машины Уатта состояло в наращивании давления, которое в первых его образцах лишь незначительно превышало атмосферное. В 1800 г. американский изобретатель О. Эванс построил паросиловую установку с повышенным начальным давлением, обосновав повышение давления до 8-10 атм. Двумя годами позже английский изобретатель Ричард Тревитик совместно с Вивьеном получил патент на усовершенствованную паровую машину, в которой давление уже превышало 3 атм.

В 1804 г. соотечественник Тревитика инженер А. Вульф запатентовал машину повышенного давления в 3-4 атм. Используя расширение пара последовательно в двух цилиндрах, он добился повышения коэффициента полезного действия (КПД) более чем в 3 раза. Д. Перкинсом в 1822 г. в США и Э. Альбаном в 1828 г. в Германии были проведены опыты по созданию паросиловых установок, работающих при давлении 45-50 атм., но они опередили уровень техники того времени и не имели практического осуществления. После экспериментов, проведенных в 1850-х гг. Г.А. Гирном во Франции, началось применение перегретого пара в паросиловых установках, обеспечивающее существенное повышение их КПД.

До конца рассматриваемого периода паровая машина двойного действия Уатта, продолжая оставаться основным двигателем силовой установки, подвергалась непрерывному совершенствованию с целью повышения его мощности и экономичности. Усовершенствовались котел, непосредственно паровой двигатель, а также передаточный механизм; повышалось начальное давление пара, применялись перегрев пара и его многократное расширение, наращивались скоростные характеристики. От балансирного механизма, характерного для первых машин Уатта, перешли к кривошипно-шатунному, от золотникового парораспределения — к клапанному.

Успеху становления парового двигателя способствовало развитие к становление теплотехники как науки и особенно труды Жана Фурье и Hиколя Карно. Первый установил общие законы теплопроводности (1822), применив специальные математические методы (ряды и интеграл Фурье), второй сформулировал второй закон термодинамики и ввел (1824) свой знаменитый «цикл Карно», обеспечив практику мощным средством совершенствования тепловых двигателей.

К концу рассматриваемого периода мощность паросиловых установок стала достигать 1000 л.с. и более и под них стали отводить специальные здания для размещения котельной и машинного отделения. От паровых двигателей с помощью трансмиссионного вала и шкивно-ременных передач приводились в действие самые разнообразные производственные машины.

Кроме стационарных с 1830-х гг. стали широко использоваться передвижные несамоходные паросиловые установки — локомобили (фр. lokomobile, от лат. lokus — место, mobilis — подвижный), в которых котел и паросиловая установка были объединены в один агрегат.

Первые шаги в исследовании электричества вплоть до конца XVIII в. были связаны с электростатикой.

Начало было положено французским физиком Шарлем Кулоном, открывшим в 1785 г. закон электростатики, названный его именем, и исследовавшим взаимодействие зарядов с помощью им же изобретенных крутильных весов. В 1791 г. вышла работа итальянского физиолога Луи́джи Гальва́ни «О животном электричестве», где впервые стало фигурировать понятие разности потенциалов. От фамилии Гальвани произошли множество терминов в электротехнике: гальванометр, гальванотехника, гальванопластика и т. п.

Большое значение имело создание в 1800 г„ итальянским физиком Алессандро Вольта первого химического источника тока под названием «вольтов столб». С его помощью русский электротехник Василий Владимирович Петров в 1802 г. открыл электрическую дугу и указал на возможность ее практического использования. Он же первый наблюдал плазму — явление электрического разряда в вакууме, исследовал химическое действие тока, электрические явления в газах, электропроводность и люминесценцию. В 1807—09 гг. английский ученый, основатель электрохимии Гемфри Дэви также исследовал электрическую дугу и с помощью электролиза получил целый ряд химических элементов. Уже на этом уровне электричество нашло применение в военном деле. В 1812 г. русский ученый П.Л. Шиллинг провел успешные опыты по электрическому подрыву мин.

В 1821 г. немецкий физик Томас Зеебек открыл явление возникновения термоэдс в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников тока, спаи которых находятся при разных температурах. «Эффект Зеебека» впоследствии стал использоваться в термоэлементах, применяющихся в измерительной и холодильной технике, термогенераторах и т. п.

Период 1830-70 гг. выделяется как время зарождения и развития электротехники, появления электрических машин постоянного тока и заложения основ электромеханики. Начало электротехнике положил английский физик Майкл Фарадей, открывший (1831) явление электромагнитной индукции, пара- и диамагнетизм, а также законы электролиза (1833-34). Джеймс Максвелл, развивая в 1860-70 гг, идеи Фарадея, создал теорию электромагнитного поля, предсказал существование электромагнитных волн, разработал электромагнитную теорию света и установил статистическое распределение, названное его именем.

В первой половине XIX в. наибольшее распространение в качестве источников постоянного тока получили гальванические элементы различных систем и аккумуляторы, в которых химическая энергия превращалась в электрическую. Первоначально их практическое использование ограничивалось телеграфной связью, гальванопластикой и электровзрывателями для подрывных работ. Поэтому такие источники тока скоро перестали удовлетворять непрерывно растущее производство.

Параллельно с усовершенствованием источников тока шла разработка конструкций электродвигателей — машин для превращения электрической энергии в механическую. Открытие Фарадея подсказало новый способ получения электрического тока посредством магнитоэлектрического генератора. На этих проблемах и сосредоточились усилия ученых и изобретателей в области электротехники.

В 1834 г. русский ученый Борис Семёнович Якоби первый изобрел электродвигатель и через четыре года опробовал его для привода судна. Одновременно Якоби создал гальванопластику, совместно с Эмилием Христиановичем Ленцем исследовал электромагниты и установил обратимость электромагнитного цикла. Последнее открытие и позволило создать практически пригодный электродвигатель, так как первые его образцы в принципе преобразования прямолинейно-возвратного движения во вращательное полностью копировали паровую машину.

В 1854 г. датчанин Хиорт создал генератор с самовозбуждением, а в 1869 г. бельгиец 3. Грамм разработал во Франции первый практически пригодный генератор постоянного тока с кольцевым якорем и основал промышленное производство электрических машин.

Но в отличие от теплоэнергетики, прочно занявшей свое место в сфере производства, электроэнергетика делала в этом направлении лишь первые шаги. Предпосылками широкого применения этого нового вида энергии явились создание динамо-машины на основе самовозбуждения, надежного электродвигателя и освоение способов передачи сильных токов по проводам.

К рассматриваемому периоду относится зарождение гальванотехники — области прикладной электрохимии, включающей гальваностегию (от гальвано и греч. stego — покрываю) и гальванопластику (от гальвано и греч. plastike — ваяние). Средства гальванотехники позволяли, используя электролитическое осаждение металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий, изготовлять точные клише для изготовления денежных знаков и ценных бумаг, статуи и барельефы (для Зимнего дворца, Эрмитажа, Исаакиевского собора и др.). Основы гальванотехники в конце 1830-х гг. были заложены Якоби, имели большое практическое значение и заслужили всемирное признание.

Дата добавления: 2015-07-25