3. Возникновение и начальное развитие теплоэнергетики.

В энергетике современного промышленного и сельского хозяйства доля мускульной силы человека составляет менее 1%, в то время как в начальный период развития общества она доходила до 100%. Это значит, что энергетика сильнее всего воздействовала замене труда человека работой машин. Энергия является одним из средств производства материальных благ. Поэтому возникновение и развитие энергетики происходили в тесной связи с другими отраслями техники, которые в значительной степени и определяли пути ее развития.

Новая энергетика должна была предоставить производству потребную мощность вне зависимости от тех или иных природных факторов, связанных с местными условиями.

Первые требования к новой энергетике, вызванные кризисом гидроэнергетики, направляли искания людей к новому источнику энергии, источнику, не зависящему от местных условий.

Очевидно, что поиски нового источника энергии требовали известных познаний закономерностей природы, без которых нельзя привлекать ее на службу обществу. В этом отношении особое значение имели открытие и изучение атмосферного давления.

Практика эксплуатации водоподъемных установок, выяснившая невозможность всасывания воды свыше некоторой определенной высоты, нанесла серьезный удар лженаучному утверждению схоластов, что "природа боится пустоты". Это утверждение было окончательно опровергнуто в 1643 г. в результате опытов итальянского ученого Э. Торричелли, установившего величину атмосферного давления. Эффектные опыты Отто фон Герике, проведенные в Магдебурге в 1672 г., когда восьмерка лошадей не в состоянии разъединить медные полушария шара, из которого был откачан воздух, обратили внимание ученых и изобретателей XVII в. на "громадную силу" атмосферного давления.

Тепловое расширение твердых тел было уже давно известно людям. В XVII в. было обнаружено тепловое расширение жидких тел и газов. Изменение объема жидких тел при изменении температуры было использовано для изготовления первых жидкостных термометров, хотя строители этих термометров еще не отдавали себе отчета в том, что измеряют построенные ими приборы. Тепловое расширение газов демонстрировалось при помощи бычьего пузыря с воздухом, который нагревали у камина и охлаждали на холодному полу комнаты.

Наконец, третьей предпосылкой возможности осуществления теплового двигателя, предпосылкой громадной важности являлось изучение свойств водяного пара.

Практическая деятельность людей еще до нашей эры указала на упругость водяного пара, получаемого путем кипячения воды в закрытом объеме. В начале XVI в. Леонардо да Винчи сделал набросок паровой пушки, указав на то, что она была изобретена Архимедом. В середине XVI в. в работах Кардана отмечается способность пара конденсироваться. Правда, знания о свойствах водяного пара не отличались точностью. Многие ученые еще в XVIII в. считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании. Но накопленных к тому времени знаний было достаточно для изобретательской деятельности, направленной на разрешение задачи о водоподъеме. Опыты итальянца Джамбаттиста делла Порта по исследованию удельного объема водяного пара (1601 г.) показали возможность подъема воды давлением пара на ее поверхность, причем необходимость кипятить всю поднимаемую воду исключалась применением отдельного сосуда - парогенератора - предшественнику парового котла. Позднее француз Саломон де Ко описывал "страшную силу" пара, который мог, как показали опыты, разорвать толстостенный металлический сосуд и выбрасывать воду высоким фонтаном (1623 г.).

Поиски новой энергии, способной преодолеть ограниченность гидроэнергетики водяного колеса, могли быть, следовательно, направлены по пути использования силы атмосферы или силы водяного пара. Очевидно, что эти пути могли быть успешно реализованы только при использовании тепловой энергии ("движущей силы огня").

Знания в области теории тепла в то время были весьма поверхностными. Термодинамика как наука о взаимопревращениях тепловой и механической энергий начала складываться только с середины XIX в. Становление теплоэнергетики базировалось на познании ряда закономерностей, объективно существующих в природе: атмосферное давление; расширение газов от нагревания воды; конденсация пара при его охлаждении. Эти сведения тогда еще не были уточнены, не были систематизированы и не сложились в целостную теорию. Они дали толчок практике, а практика, скорректировав в свою очередь имевшиеся познания, создала предпосылки для обобщения проверенных опытом знаний. Так, в процессе постоянного развития познания практика - этот критерий познания - способствует уточнению, углублению, систематизации знаний. Это одна из общих закономерностей развития.

Поиски нового двигателя, свободного от местной ограниченности, неизбежно приводили к тепловому двигателю и это обстоятельство во многом определяло процесс начального развития теплоэнергетики.

Изучая конкретные тепловые двигатели, строившиеся в XVIII в., можно задать себе ряд вопросов: почему первые тепловые двигатели были паровыми, а не газовыми; насосными, а не универсальными; поршневыми, а не роторными; пароатмосферными, а не двигателями избыточного давления? Проявлялась ли здесь воля изобретателей или же были какие-то объективные условия, определявшие конкретные пути становление теплоэнергетики?

Рассмотрим условия становления теплоэнергетики и их влияние на конструктивные формы теплосиловых установок. [2]

1. Паротехника как первичная форма теплоэнергетики. Изучение исторических фактов показывает, что в процессе становления теплоэнергетики имели место попытки осуществления как газовых двигателей (Гюйгенс, Папен), так и паровых двигателей (Вустер, Севери, Ньюкомен, Папен, Ползунов). В результате этих попыток от газовых двигателей отказались, а паровые стали развиваться. Причины этого таковы. Во-первых, для успешной работы газовых двигателей необходима более высокая начальная температура рабочего тела, чем для паровых двигателей. Во-вторых, что было весьма существенно для начального периода теплоэнергетики, водяной пар легко конденсируется при охлаждении его водой. Это свойство водяного пара имело громадное значение, поскольку оно легко позволяло получить вакуум в пароатмосферных двигателях. Еще опыты Папена доказали, что конденсировать газ путем охлаждения водой невозможно. Таким образом, пар как рабочее тело тепловых двигателей имел преимущества перед газами как для двигателей избыточного давления, получаемого в паровых котлах, так и для двигателей пароатмосферных.

2. Пароатмосферные двигатели - закономерный этап в развитии теплоэнергетики. В течение целого столетия, совпадающего почти точно с XVIII в., преобладающим тепловым двигателем являлся пароатмосферный двигатель. Построение пароатмосферных двигателей в XVIII в. не следует рассматривать как следствие недомыслия изобретателей этой эпохи. Наоборот, пароатмосферный двигатель возник и держался в энергетике целое столетие только потому, что для своего времени он был наилучшим конкретным решением задачи о тепловом двигателе. Еще в 1689 г. Д. Папен совершенно правильно описал цикл пароатмосферного двигателя. Оставалось только изыскать и совершенствовать конструктивные формы этого двигателя, что и было сделано рядом изобретателей.

3. Поршневой двигатель как ранний тепловой двигатель. Исследование истории показывает, что теплоэнергетика в течение полных двух веков имела за основу только поршневые двигатели. Этот факт - следствие ряда конкретных условий, сопровождавших становление и ранний период существования теплового двигателя. В развитии всех областей техники и познания статика предшествовала динамике. Представление об атмосферном давлении или силе пара связывалось прежде всего с представлением о давлении, применение которого возможно только при наличии замкнутого объема. Таким замкнутым объемом является либо камера вытеснительного насоса либо цилиндр двигателя. Были попытки построения роторного двигателя: Дж. Бранк, П.М. Залесов; Газовые турбины имели предшественников в виде лопастных колес, вращаемых потоком дымовы газов. Но данные устройства не могли получить развития до конца XIX в.

4. Насосные установки. Сложный комплекс условий определил назначение раней теплоэнергетики. Теплоэнергетика возникла на том участке, где гидроэнергетика проявилась наиболее резко, т.е. в деле водоподъема в рудниках.

Для решения задачи об универсальном двигателе необходимо было пройти длинный и сложны путь поиска и освоения нового механизма передачи энергии. Задачу водоподъема могли решить путем воздействия пара непосредственно на поверхность перемещаемой жидкости. В такой форме эта задача и решалась рядом изобретателей (Вустер, Севери, Папен). При этом одновременно была решена и важнейшая общая задача энергетики: был осуществлен термодинамический замкнутый цикл теплового двигателя. Также была изыскана конструктивная форма простейшего передаточного механизма (балансир), которая в свою очередь оказалась в числе условий для возникновения универсального двигателя.