Источники энергии - история и современность (стр. 4 из 9)
После того, как в 80-е годы XIX века была разработана система передачи электроэнергии на большие расстояния, началась новая эпоха в истории водяных двигателей. В соединении с электрогенератором турбина стала тем могущественным инструментом, с помощью которого человек подчинил себе силу, скрытую в реках и водопадах.
2.3 Тепловые двигатели
2.3.1 Теория тепловых двигателей
История тепловых двигателей имеет более глубокие корни, чем многие думают. Кроме вышеупомянутой турбины Герона есть свидетельства, что к созданию тепловых машин приложили руку такие великие учёные, как Архимед, придумавший весьма оригинальную паровую пушку, именуемую как "Архитронито" ("Самый сильный гром"), и Леонардо да Винчи, от которого осталось два эскиза примитивного парового двигателя. Есть упоминания о неком Джиованни Бранка, в 1629 году опубликовавшем своё изобретение: "толчею для изготовления порошка необычайным двигателем". Этим двигателем была паровая турбина!
Тепловыми двигателями называют машины, в которых происходит превращение теплоты, полученной при сгорании топлива, в механическую работу. Вещество, производящее работу в тепловых машинах, называют рабочим телом или рабочим веществом. В паровых машинах рабочим телом является водяной пар, в двигателях внутреннего сгорания - газ. Тепловые машины могут быть устроены различно, но все они обладают общим свойством - периодичностью действия, или цикличностью, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние.
Циклы основных современных тепловых двигателей показаны на рисунке. Полезная работа, совершённая этими двигателями, численно равна площади фигур, ограниченных графиками тепловых процессов, происходящих с рабочим телом.
КПД любого (в том числе и теплового) двигателя не может быть равен 100%. Для тепловых двигателей эта невозможность определяется из II закона термодинамики: не существует такого термодинамического процесса, единственным результатом которого было бы превращение некоторого количества теплоты в работу. Работа А в тепловых машинах равна разности теплоты, полученной от нагревателя, и теплоты, отданной охладителю, которым чаще всего является либо атмосфера, либо специальное устройство.
2.4 Паровые двигатели
2.4.1 Модель Папена
Французский врач Дени Папен, встретившись с крупнейшим учёным того времени - Христианом Гюйгенсом, после долгих и увлекательных бесед с ним был так сильно заинтересован задачами, стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике. Он выбрал для себя самую важную и интересную по тому времени область техники - исследование свойств пара и создание теплового двигателя.
В 1680 году Папен изобрёл паровой котёл. Но, создав котёл, он не сразу нашёл способ его применения, а даже отошёл от использования пара - его поглотила идея создания машины, в которой работали бы атмосферное давление и газ, выделявшийся при сгорании пороха. Эта конструкция и принцип действия показаны на верхнем рисунке. Но этому первому двигателю внутреннего сгорания не суждено было жить - от неё отказался сам изобретатель, убедившись, что полезная работа, совершаемая ею, невелика.
И тогда Папен вернулся к пару. Свою первую паровую машину он построил, используя тот же принцип, только заменил порох на воду. И, казалось бы, изобретатель добился своего - его паровая машина работала. Но представив, сколько возни было бы с ней, а в результате - один рабочий ход в минуту и мощность меньше 1 лс, Папен отказался и от неё.
Не суждено было найти применение машинам Папена, но другое его изобретение - паровой котёл - являлось отправной точкой для других конструкций, более или менее удачных. Папен также был первопроходцем в области конструирования ДВС, что также является его заслугой.
2.4.2 Паровой насос Сэвери
Изобретён английским горным инженером Томасом Сэвери.
Предназначался для откачки воды из шахт. Этот насос имел малую мощность и КПД.
Из-за острой нужды в универсальном двигателе были попытки соединить этот насос и водяное колесо для получения вращательного движения: насос качает воду из нижнего в верхний бак, из которого вода льётся на водяное колесо и возвращается в нижний бак.
Работа насоса происходила так: пар в насосном резервуаре охлаждался впущенной через кран водой, создавая в нём (в резервуаре) давление ниже атмосферного, из-за чего происходило всасывание воды из шахты; после этого в резервуар подавался пар, который и вытеснял всосанную воду; затем описанный цикл повторялся. Клапаны обеспечивали работу насоса: они не допускали попадания пара в шахту, попаданию воды в резервуар тогда, когда этого не было нужно, не допускали обратный сток воды в шахту.
Об этом насосе знал русский царь Пётр I, который хотел применить его при строительстве каналов в Петербурге, но был разочарован его малой мощностью и приказал поставить насос в Летнем саду для обеспечения водой фонтанов.
2.4.3 Паровая машина Ньюкомена
Была создана в 1711 году английским изобретателем - кузнечным мастером Томасом Ньюкоменом.
Принципиальное устройство изображено на рисунке.
Машина управлялась вручную, лишь в 1718 году Бейтон придумал механизм, обеспечивающий машине самостоятельность.
Машина имела КПД, равный 1%, и поэтому нашла применение только на угольных шахтах, где было дешёвое топливо.
Применялась для привода водяного насоса, откачивающего воду из шахт.
Принцип действия машины был несложен: давление пара, впускаемого в цилиндр, поднимало поршень вверх. Когда он достигал определённой точки, в цилиндр подавалась холодная вода, из-за чего пар конденсировался, и давление резко падало - поршень начинал двигаться вниз под действием атмосферного давления.
Исходя из описанного принципа действия, машину Ньюкомена правильнее называть пароатмосферной, так как атмосферное давление играет не меньшую, чем пар, роль.
2.4.4 Паровая машина Ползунова
Паровая машина русского механика И.И. Ползунова была построена за 20 лет до создания Уаттом своей машины, в 1766 году на Алтае. Ползунов был высоко образованным человеком для своего сословия, имел представление об машинах Сэвери и Ньюкомена. Перед конструированием машины механик проделал большую работу - не только расчёты, но и преодоление чиновничьей волокиты. И только посулив большую выгоду от использования своей "огнедействующей" машины, Ползунов смог её построить. Но…тяжёлая болезнь - туберкулёз - погубила не только изобретателя, но и его изобретение. После смерти Ползунова машина проработала 43 суток, не только окупила сама себя, но и принесла большую экономию заводу. Машина встала из-за поломки парового котла, сделанного из меди (для пробы), а не из чугуна. Вскоре она была разобрана "за ненадобностью". Схематическая конструкция машины показана на рисунке. У ней было два цилиндра, поршни которого были соединены таким образом, что, когда один из них опускался, то другой в это время поднимался. С помощью механизмов машина работала самостоятельно, требовалось лишь подбрасывать топливо в топку котла. В машине использовалось не только атмосферное давление, но и давление пара. Конструкция Ползунова являлась машиной непрерывного действия. Механик также знал, как можно преобразовать возвратно-поступательное движение её во вращательное, если это потребуется, хотя 90% механизмов завода, на котором стояла машина, требовали именно возвратно-поступательного привода (воздуходувные меха, насосы и пр.). В целом, машина Ползунова являлась первым в мире универсальным тепловым двигателем. Несмотря на печальную судьбу как машины, так и её изобретателя, мы не должны забывать, кто первым изобрёл этот так необходимый для промышленности того времени двигатель - выдающийся уральский механик, солдатский сын Иван Иванович Ползунов.
2.4.5 Паровая машина Уатта
Более удачливым в конструировании, а также признании универсального двигателя был английский механик Джеймс Уатт.
Уатт был механиком, работавшим в мастерских университета города Глазго. Однажды он получил задание - починить имевшуюся при университете машину Ньюкомена. Уатт выполнил задание, а сам сделал себе модель машины и начал с ней экспериментировать. После нескольких опытов механик выявил её основные недостатки, и решил построить свой тепловой двигатель, который был от них свободен.
Имея не только материальную, но и научную поддержку, Уатт принялся за работу.
Прежде всего, Уатт отказался от конденсации пара в самом цилиндре - на это тратилась дополнительная энергия. Для конденсации он сконструировал отдельный прибор, в котором во время работы машины создавалось разряжение, приводившийся в действие самой машиной.
После нескольких более или менее удачных проектов Уатт сконструировал действительно универсальный тепловой двигатель, устройство которого показано на рисунке (для наглядности опора балансира развёрнута на 180 градусов). Машина имела цилиндр двойного действия: в то время, как в верхней его части происходило расширение пара, пар из нижней части выпускался в конденсатор, и наоборот. Для впуска - выпуска пара то из нижней, то из верхней части цилиндра Уатт применил золотник, являвшийся своеобразным краном и игравший не менее важную роль, чем поршень или цилиндр ("Мал "золотник", да дорог!"). Точная подгонка всех деталей имела очень важное значение, так как без этого машина не стала бы работать, но для промышленно развитой Англии достижение точности не являлось трудным вопросом. Уатт применил в своей машине ещё одно полезное приспособление - регулятор подачи пара, который заставлял работать машину с постоянным числом оборотов вала. Именно Уатт ввёл понятие "лошадиная сила". Двигатель Уатта оказался не только универсальным, но и мощным и компактным, что позволяло его ставить не только на заводы, но и на средства передвижения.