Текст книги "Тепловая электрическая станция ― это очень просто"

Глава 2. ИСТОРИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

2.1. Как заставить теплоту работать

Представление о том, что теплота есть просто одна из форм энергии, а именно кинетическая энергия движения атомов и молекул, стало одним из главных достижений физики XIX в. Такое представление распространяется на все вещества – твердые, жидкие и газообразные. В дальнейшем наука подтвердила, что такое движение существует, однако оно определяет не столько теплоту, сколько тепловую энергию вещества. Таким образом, механическая теория теплоты также, по существу, оказалась неточной. В соответствии с современными представлениями теплота – это форма передачи энергии. И по своей сути, и количественно это совсем не то, что тепловая энергия. Действительно, можно подсчитать тепловую энергию определенной массы перегретого водяного пара, просуммировав кинетическую энергию его молекул. Охладим этот пар вначале до температуры конденсации, а затем заморозим полученную воду. При этом кроме теплоты, отведенной при охлаждении пара, выделятся также теплота испарения (конденсации) и теплота плавления (отвердевания), которые для воды очень велики. В результате в процессе охлаждения мы отведем теплоту гораздо бόльшую, чем тепловая энергия, которой первоначально обладал перегретый пар. Выделение или поглощение теплоты есть результат и функция процесса изменения состояния тел. Таким образом, теплота и, подобно ей, работа являются функциями физических процессов.

Известно, что термодинамическое состояние тела полностью определяется любыми двумя из трех параметров: давлением (Р ), температурой (Т ) и удельным объемом (v) – отношением объема тела к его массе. Эти величины между собой связаны так называемым уравнением состояния. Таких уравнений известно довольно много. Самое известное – уравнение состояния идеального газа:

Pv = RT, где R – газовая постоянная

Теплота Q, полученная или отведенная от данного тела, совершенная им или над ним работа L и изменение его внутренней энергии ΔU связаны уравнением которое является математическим выражением первого закона термодинамики. Он означает, что теплота, сообщенная телу, расходуется на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы. Первый закон термодинамики является частным случаем более общего закона сохранения энергии.

Q = L + ΔU,

Переход механической энергии в тепловую сопровождает различные технологические операции и часто связан с непроизводительными потерями. Для того чтобы преобразовать тепловую энергию в полезную работу, необходимо специальное устройство – тепловой двигатель.

2.2. Эволюция теплового двигателя

Тепловой двигатель придумали потому, что для развития и усложнения деятельности человека, для продвижения по пути цивилизации и прогресса человечеству понадобился универсальный привод для различных механизмов, который бы не зависел от местных условий, в отличие от, например, водяного колеса, которое привязано к своему водному источнику.

Свою роль сыграло и то обстоятельство, что топливо как источник тепловой энергии имело самую высокую энергоемкость по сравнению с другими источниками, известными людям в то давнее время.

Практически еще до новой эры люди знали об упругих свойствах пара, полученного при кипячении воды в закрытом объеме. Ведь уже знакомый вам эолипил Герона (см. рис. 1.3), пока еще игрушка, а не двигатель, использовал упругие свойства пара и реактивную силу паровой струи. Правда, знания о свойствах водяного пара не отличались точностью: еще в XVIII веке многие ученые считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании.

Первые шаги в направлении создания теплового двигателя были сделаны французом Дени Папеном, получившим хорошее образование на медицинском факультете Сорбонны и даже открывшим в Париже медицинскую практику. Вскоре, однако, он познакомился с голландским физиком Христианом Гюйгенсом и вместе с ним занялся физическими исследованиями. В 1675 г. он переселился в Лондон и стал работать вместе с Робертом Бойлем (помните закон Бойля – Мариотта?) над вопросами, касающимися давления воздуха. В результате в 1680 г. он предложил конструкцию котла для получения пара более высокого давления и, следовательно, более высокой температуры. Котел состоял из топки и собственно котла. В конструкции котла применен рычажный предохранительный клапан, состоящий из самого клапана, рычага и груза. Сегодня это устройство носит название автоклава и в усовершенствованном виде успешно применяется в технике.

Следуя идее Гюйгенса, в 1690 г. Папен создал машину для подъема воды за счет разрежения, возникающего при конденсации пара (рис. 2.1). Принцип действия этой машины следующий: на дно цилиндра А наливается вода, и поршень В приводится в нижнее положение, причем воздух выпускается из отверстия в поршне, прикрываемого затем штифтом М. Затем дно цилиндра нагревается и вода обращается в пар, который и поднимает поршень в верхнее положение, в котором он и закрепляется с помощью упора Е. Когда пар внутри цилиндра сконденсировался, то есть перешел в жидкое состояние ― воду, поршень освобождают, отодвигая упор Е, и давление воздуха заставляет поршень идти вниз, причем это движение является рабочим ходом и в это время может преодолеваться какое-либо полезное сопротивление, для чего служит шнурок L и блоки T. По расчетам Папена эта машина при диаметре цилиндра 310 мм и ходе поршня 1200 мм могла поднять 3600 кг/мин на высоту 1,2 м, то есть имела мощность в 1 л. с.

Дени Папен (Denis Papin, 1647–1712) – французский математик, физик и изобретатель. Родился в городе Блуа. С 16 лет изучал медицину в одном из французских университетов, получил степень доктора, однако врачом так и не стал. С 1695 года – придворный инженер ландграфа, конструировал для своего патрона различные водоподъемные устройства. Служба его оплачивалась весьма скудно, и поэтому, имея большую семью и постоянно нуждаясь в деньгах, Папен решил поискать счастья в Англии. В 1707 году он приехал в Лондон. Но старые друзья по Королевскому обществу умерли, а щедрых покровителей или прибыльной службы ему найти не удалось. Всеми забытый и покинутый, в жестокой нужде, он умер в 1712 году. Помимо парового двигателя Дени Папен разработал конструкцию центробежного насоса, паровой повозки, печи для плавки стекла. Большинство идей Дени Папена не были осуществлены при его жизни.

Рис. 2.1. Тепловая машина конструкции Д. Папена

Недостатком конструкции тепловой машины Папена было соединение в цилиндре его машины функций котла, цилиндра и конденсатора позднейших машин. Конденсация пара происходила только под действием охлаждения цилиндра воздухом и поэтому совершалась медленно.

Следующим этапом в развитии тепловых двигателей стал паровой водоподъемник, который сконструировал шахтовладелец Томас Сейвери (рис. 2.2). Сейвери первым отделил рабочее тело – водяной пар – от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар из котла через кран выпускал в сосуд с водой, откуда пар вытеснял воду в напорную трубу. Когда вода полностью вытеснялась паром, напорную трубу перекрывали, а сосуд с паром обливали холодной водой. Пар в сосуде конденсировался, вследствие резкого сокращения объема возникало разрежение, и через впускную трубу всасывалась следующая порция воды. В машине Сейвери не было движущихся частей и она, по сути, являлась термомеханическим насосом. Тем не менее, это была первая машина, способная работать непрерывно. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду в Санкт-Петербурге.

Томас Сейвери (Thomas Savery, 1650–1715) – английский механик, изобретатель. Родился в Шилстоне, графство Девоншир. Иногда Сейвери называют военным инженером. Это неверно, хотя его книга «Друг шахтера» и подписана Captain Savery. Дело в том, что он был управляющим на шахте в Корнуолле. А там было принято называть людей такого ранга «капитанами». Т. Сейвери первым использовал энергию пара в технике. В 1698 году получил английский патент на паровой камерный нагнетательно-всасывающий насос. Свое изобретение Сейвери назвал «друг горняка». Скончался в мае 1715 в Лондоне.

Машина Сейвери пользовалась большим спросом, хотя и была крайне неэкономична – ее КПД составлял всего 1 %.

В это же время Дени Папен, изучив конструкцию машины Т. Сейвери, и в своем двигателе разделил котел и цилиндр. В последующих конструкциях двигателя Папен впервые вынес процесс конденсации за пределы цилиндра. В брошюре, изданной одновременно с получением патента на свое устройство, Папен указал, что кроме превращения воды в пар необходим еще процесс конденсации, и это необходимое условие получения полезной работы, то есть фактически описал замкнутый цикл работы пара в паровой машине.

Рис. 2.2. Паровой водоподъемник Т. Сейвери

Следующий важный шаг на пути создания тепловых двигателей совершил английский изобретатель, кузнец по профессии Томас Ньюкомен. Выполняя как-то заказ на детали для машины Сейвери, он пришел к мысли, что ее производительность и эффективность можно повысить, разделив функции насоса и двигателя, то есть применив в машине Сейвери идею Папена. Для реализации своих идей Ньюкомен в 1705 г. заключил соглашение с промышленником Джоном Коули, и вскоре машины Ньюкомена получили широкое распространение не только в Англии. В 1725 г. появилась книга немецкого инженера Леупольда, в которой представлена машина Ньюкомена с двумя цилиндрами вместо одного. Каждая такая машина (рис. 2.3) содержала два вертикальных рабочих цилиндра, и пар поступал под поршни этих цилиндров из общего котла через распределительный кран по очереди. Давление пара поднимало поршень, а после достижения последним наивысшей точки в цилиндр впрыскивалась вода, пар конденсировался, и поршень под действием барометрического (атмосферного) давления опускался, совершая рабочий ход. Насосные цилиндры были установлены параллельно рабочим, их поршни соединялись с поршнями рабочих цилиндров через качалку-коромысло. Когда один из поршней поднимался, другой опускался, и наоборот. Соотношение плеч коромысла определяло соотношение ходов поршней. Как правило, ходы были равны.

Рис. 2.3. Водооткачивающая машина Ньюкомена

Авторитет Ньюкомена был очень велик. В Англии даже существовало Ньюкоменовское общество, и это неудивительно, так как отделение двигателя от насоса представляло собой важный шаг, обеспечивающий возможность расширения диапазона использования тепловых двигателей. Но при всем этом двигатель в машине Ньюкомена не был универсальным: передача от поршня двигателя к поршню насоса «привязывала» двигатель к определенному виду приводимых устройств. Развивающуюся промышленность такой двигатель уже не удовлетворял, она испытывала нужду в универсальном тепловом двигателе, т. е. в двигателе, который бы имел вал отбора мощности, пригодный для подсоединения к любому потребителю.

Хотя на первых этапах развития паровые двигатели имели независимость от местных условий, но в то же время отличались прерывистостью в работе. Применять эти двигатели для привода промышленных установок было еще рано. Проблема непрерывности передачи работы нашла практическое решение путем объединения работы нескольких полостей поршневого парового двигателя.

Первый в определенной степени универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае Иваном Ивановичем Ползуновым. И. И. Ползунов родился на Урале. После окончания школы служил на Екатеринбургском заводе, позже был переведен на Алтай.

Ползунов Иван Иванович (1728–1766) – русский теплотехник, один из изобретателей теплового двигателя, создатель первой в России паросиловой установки. Родился в семье солдата из крестьян в г. Туринске. В 1742 после окончания первой русской горнозаводской школы в Екатеринбурге был «механическим учеником» у главного механика уральских заводов Н. Бахарева. С 1748 работал в Барнауле техником по учету выплавляемого металла, в 1750 произведен в унтер-шихтмейстеры. В библиотеке Барнаульского завода познакомился с трудами М. В. Ломоносова, изучил устройство паро-насосных установок. В 1763 Ползунов разработал проект парового двигателя мощностью 1,8 л. с. (1,3 квт) – первого в мире двухцилиндрового двигателя с объединением работы цилиндров на один общий вал, то есть универсального двигателя по своему техническому применению.

Ни в Екатеринбурге, ни на Алтае машин, действующих «при помощи движущей силы огня», не было. Но известно, что в 1762 г. Ползунов и другие специалисты обязаны были изучить «Наставление рудному делу», написанное президентом бергколлегии и главным судьей монетной канцелярии И. А. Шлаттером, в котором описывались паровые водооткачивающие машины. Есть основания считать, что Ползунов изучил также книги Леупольда в переводе Шлаттера, в которых также содержалось описание паровых водооткачивающих машин. Но описанные в них установки не годились ни для чего, кроме откачки воды.

Изобретательность Ползунова не может не вызвать восхищения. Он первым понял, что можно заставить паровую машину приводить в движение не только насос, но и кузнечные мехи. Рабочие органы его машины передавали движение валу отбора мощности. Это качество придавало машине Ползунова свойство универсальности. Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину.

Не имея опыта работы с огнедействующими машинами, Ползунов тем не менее не просто копировал машины, описанные в книгах, а внес в проект своей машины существенные отличия от атмосферных машин того времени. Схема его машины представлена на рис. 2.4. Два поршня связаны с главным валом при помощи цепей. Ко второму (свободному) концу каждой цепи прикреплен балансир. Водораспределительный кран поочередно подает охлаждающую воду в подпоршневые полости. Парораспределительный кран служит для соединения этих полостей с котлом.

Машина была атмосферной. Когда одна из подпоршневых полостей соединялась с котлом, поршень под действием давления пара поднимался вверх, после чего парораспределительный кран поворачивался и отсекал подпоршневую полость от котла. Через трубку впрыскивалась вода, пар конденсировался и под поршнем создавался вакуум. Под действием атмосферного давления поршень опускался и совершал полезную работу. В этом машина Ползунова напоминала машину Ньюкомена. Но на этом сходство кончалось. В ней передача от двух попеременно действующих поршней впервые была осуществлена не к балансиру, а к шкивам при помощи цепей; при этом передача от шкивов осуществлялась не только к насосу, но и к кузнечным мехам, т. е. впервые рабочие органы двигателя и потребитель его мощности не были связаны друг с другом.

Рис. 2.4. Паровая машина И. И. Ползунова и ее макет

Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применив оригинальную систему паро– и водораспределения, и, в отличие от машин Ньюкомена, ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.

Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. Но Барнаульский завод был металлургическим и не располагал нужным металлообрабатывающим оборудованием; следует полагать, что Ползунову приходилось изобретать способы обработки деталей своей машины. Машина была изготовлена в декабре 1765 г., а в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была закончена и испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. его учениками Левзиным и Черницыным и работала, в общем, удовлетворительно.

Как всякий первый образец, машина Ползунова нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.

К сожалению, из-за неосведомленности широких кругов об этом изобретении и ранней смерти изобретателя его создание не оказало заметного влияния на процесс развития тепловых двигателей. Патента на свое изобретение в царской России И. И. Ползунов не испрашивал, и первый патент на универсальный тепловой двигатель был выдан в Англии Джеймсу Уатту 5 января 1769 г., на шесть лет позднее, чем датирована записка И. И. Ползунова.

Джеймс Уатт (James Watt, 1736–1819) – изобретатель, создатель универсального парового двигателя. Родился в маленьком шотландском городке Гринок. С 1756 г. работал механиком в университете в Глазго, поддерживал отношения со многими учеными и основательно изучал литературу по паротехнике. Уже около 1760 г. Уатт начал заниматься самостоятельными разработками в этой области. После 1765 г. занимался усовершенствованием своей паровой машины. Член Эдинбургского королевского общества (1784), Лондонского королевского общества (1785),

Рис. 2.5. Паровая машина Д. Уатта

Парижской АН (1814). Ввел первую единицу мощности – лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности – ватт). Сконструировал также ряд приборов: ртутный открытый манометр, ртутный вакуумметр в конденсаторе, водомерное стекло в котлах, индикатор давления. Изобрел копировальные чернила, установил состав воды, составил таблицу упругости водяного пара.

Вклад Уатта в создание паровых машин очень велик. Благодаря успешной работе машин Сейвери и Ньюкомена опыт Папена по вынесению процесса конденсации за пределы машины был забыт. Но в 1765 г. Уатт, изготовив макет машины Ньюкомена в Глазго по заказу местного университета и проводя на нем опыты, понял, что основной причиной ее низкой экономичности является охлаждение расширяющегося пара стенками цилиндра. И Уатт решил вынести процесс конденсации пара за пределы цилиндра. Это был шаг, завершивший формирование рабочего цикла паровой машины.

Приняв решение, что процесс охлаждения пара следует вынести за пределы цилиндра, Уатт получил свой первый патент на паровую машину. Перед подачей заявки на патент Уатт провел большую экспериментальную работу. Он начал с создания модели, руководствуясь тем, что именно на модели машины Ньюкомена наиболее ярко проявились ее недостатки. Он окружил цилиндр модели деревянной теплоизоляционной оболочкой и присоединил к нему при помощи трубы отдельный сосуд – конденсатор (рис. 2.5). Одновременно Уатт внес еще одно важное усовершенствование. В машинах Ньюкомена на поршень действовал всегда один и тот же перепад давлений: разница между барометрическим давлением и давлением конденсации пара при температуре около 30 °C. Уатт пришел к выводу, который теперь кажется совершенно очевидным: мощность машины можно увеличить, если использовать не барометрическое давление, а давление пара. Это открывало более широкие возможности: давление пара можно увеличить выше барометрического; изменяя давление, можно регулировать мощность машины. Кроме того, Уатт сразу решил строить свою машину как универсальный тепловой двигатель и не связывал ее воедино ни с каким потребителем мощности.

Затратив на изготовление машины все имеющиеся у него средства, Уатт смог уже в конце 1765 г. продемонстрировать работу опытного образца.

Изготовление промышленного образца оказалось не таким простым, нужно было найти спонсора, и к испытаниям машины Уатт смог приступить лишь в конце 1774 г., а первые результаты получил в 1775 г. Его машина, второй образец которой он назвал «Вельзевул», по экономичности превосходила атмосферные машины Ньюкомена в 2 раза.

Можно было заняться ее производством и начать получать прибыль. Но нужно было заинтересовать потребителей, привыкших к хорошо зарекомендовавшим себя машинам Ньюкомена. И Уатт со своим партнером Болтоном предложили потребителям приобретать у них машины на очень заманчивых условиях: бесплатно! Более того, они брали на себя расходы по монтажу новой машины и демонтажу машины Ньюкомена. А вместо платы каждый владелец новой машины в течение 25 лет должен был отчислять им одну треть стоимости угля, сэкономленного по сравнению с атмосферной машиной. Не сразу после приобретения машины покупатели начинали понимать, как они прогадали.

В 1782 г. Уатт запатентовал процесс расширения пара в цилиндре. К 1784 г. относятся последние крупные изобретения Уатта, описанные в знаменитом патенте № 1432: подача пара с обеих сторон поршня – двойное действие пара; двухцилиндровая машина; центробежный регулятор и параллелограммный механизм для передачи движения оси поршня к балансиру. К этому времени было окончательно отлажено производство на заводе Болтона, разработаны инструкции по сборке, монтажу и эксплуатации паровых машин.

Около 1800 г. Уатт удалился от дел. Вскоре истек срок действия его первого патента, и паровые машины начали выпускать многие заводы. Их совершенствование ускорилось. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление пара и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двукратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров ― высокого и низкого давления. К 1874 г. производительность лучших модификаций двигателя Уатта (считавшихся в то время наиболее экономичными) возросла до 141 000 кгм на 1 кг угля, что соответствует эффективному КПД двигателя 4,1 %.

Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара с температурой 200―300 °C, что потребовало совершенствования конструкции цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоения технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, а также разработки новых типов уплотнений.