Энергетика феодального периода

Развитие технологических и подъемных машин определило необходимость обращения к неживым источникам энергии, когда живые двигатели оказались не в состоянии справляться со все возрастающей потребностью в механической энергии.

Одним из наиболее простых и ранних применений энергии водных потоков явилось удовлетворение потребности в орошении посевов. Здесь вода служила и потребителем энергии - поднимаемым грузом, и генератором энергии, отдавая часть своего движения на работу водоподъема. Вода сочетает в себе свойства потребителя и генератора энергии, поэтому водоподъемное колесо, при простоте его устройства, является наиболее ранней формой гидропривода. Сочетание в одном несложном агрегате и подъемной, и энергетической машин не требовало никаких передаточных систем, что определило жизненность конструкции, применяемой в ряде стран и в наши дни.

Рис. 2-18. Привод от водяного колеса к двум мельничным поставам. От главного вала, соединенного с водяным колесом, движение посредством передаточных колес передается вертикальным валам двух мельничных жерновов

Несколько более сложным было применение водяного колеса для одного из основных потребителей водной энергии - зерновых мельниц. В отличие от водоподъемника, в данном случае между жерновом и водяным колесом необходимо было соорудить передаточный механизм, осложнявшийся тем, что в силу естественных условий водяное колесо должно вращаться вокруг горизонтальной, а жернов - вокруг вертикальной оси (рис. 2-18).

Рис. 2-19. Водяное колесо с ковшеобразными лопатками - прототип активной водяной турбины

Стремление избегнуть сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к изысканию водяных двигателей с вертикальным валом для привода мельничных поставов. Для того чтобы струя воды, направляемая на лопатку колеса, вращающегося вокруг вертикальной оси, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Вход струи на плоскую лопатку с большой относительной скоростью приводил к сильному разбрызгиванию воды, и для того чтобы избежать разбрызгивания, начали применять изогнутые лопатки. Так возник прототип современных активных гидравлических турбин (рис. 2-19).

Рис. 2-20. Водоподъемное колесо. Приводимое во вращение водным потоком, колесо поднимает воду в сосудах, размещенных на ободе колеса

Рис. 2-21. Типы водяных колес: а - свободное; б - среднебойное; в - верхненаливное

Обращение к водным потокам как источникам механической энергии все возрастало, что прежде всего вызвало новый подход к их использованию. Ранний подход в виде установки колеса в свободном потоке воды (рис. 2-20 и 21, а), сопоставимый с методом присвоения от природы, все более и более заменялся методом воздействия на природу путем сооружения плотин, сводивших естественное падение горизонта потока, растянутое на много километров, к одному пункту, где его можно было использовать в среднебойных (рис. 2-21,б) или верхненаливных (рис. 2-21, в) колесах. В сооружении водяных колес был достигнут значительный успех. Немецкий ученый Георг Бауэр (Агрикола, 1494-1555) дал описание реверсивного водяного колеса (рис. 2-22), применявшегося для подъема руды из рудника. В 1582 г. пущена в работу на р. Темзе Лондонская водоподъемная установка, приводимая в движение от пяти подливных водяных колес диаметром от 6 до 7 м и поднимавшая в сутки 18 000 м³ воды. В 1685 г. на р. Сене во Франции была сооружена водоподъемная установка для питания водой фонтанов, состоявшая из 14 подливных колес диаметром 12 м, приводивших в действие 235 поршневых насосов, поднимавших в сутки 3000 м³ воды на высоту 162 м. В середине XVIII в. на Алтае К. Д. Фролов соорудил уникальную гидросиловую установку для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательным использованием воды на колесах, наибольшее из которых имело диаметр 17 м (рис. 2-23).

Рис. 2-22. Рудничный подъемник с реверсивным водяным колесом. Подачей воды на одну из двух систем лопастей на ободе водяного колеса достигается вращение последнего в разные стороны

Рис. 2-23. Гидросиловая установка К. Д. Фролова: 1 - плотина; 2 - труба длиной 443 м; 3 - канал длиной 96 м; 4 - водяное колесо диаметром 4,3 м; 5 - лесопильная рама; 6 - отвод воды к Преображенскому руднику; 7 - канал длиной 128 м; 8 - водяное колесо диаметром 4,3 м; 9 - рудоподъемник Екатерининского рудника; 10 - канал длиной 64 м; 11 - водяное колесо диаметром 17 м; 12 - штанга 45 м; 13 - насосы Екатерининского рудника, поднимающие воду на высоту 213 м; 14 - канал длиной 320 м; 15 - водяное колесо диаметром 15,6 м; 16 - спуск воды. Общая длина пути воды 2300 м; 17 - насосы Вознесенского рудника, поднимающие воду на 115 м; 18 - водоподъемник Вознесенского рудника, поднимающий воду на 60 м

С распространением технологических машин (XV-XVI вв.) все большее распространение получает и водяное колесо, в связи с чем назревает кризис гидроэнергетики. Этот кризис является следствием того, что источники гидравлической энергии не могут быть перемещены с тех мест, где они предоставлены самой природой. Рост производства вызывал потребность в энергии в местах нахождения сырьевых ресурсов, в промышленных населенных пунктах, далеко не всегда совпадавших по своему местонахождению с источниками водной энергии.

В условиях натурального хозяйства раннего средневековья энергопотребление ограничивалось приводом зерновых мукомольных мельниц. Для размола зерна, взращенного на каком-либо земельном массиве, всегда можно было изыскать источник водной энергии, достаточный для размола этого зерна в радиусе, определяемом экономической целесообразностью гужевых перевозок.

Применение водяных колес для привода воздуходувных мехов доменных печей затруднялось тем, что далеко не всегда три необходимых элемента производства: руда, топливо и источник водной энергии - находились в одном и том же месте. В силу нетранспортабельности гидроисточника приходилось транспортировать к нему горючее и руду, что значительно удорожало производство металла.

Рис. 2-24. Ветросиловая насосная установка. (Рисунок из старинной арабской книги.) Работа ветряного колеса через систему зубчатых колес передается качающейся кулисе, от которой приводятся в движение поршни двух горизонтально расположенных насосов.

Применение водяных колес для откачивания воды из шахт и рудников, все более необходимое с ростом глубины последних, могло быть осуществлено только в том случае, когда оба нетранспортабельных элемента производства: рудник или шахта и водный источник - находились в одном месте. При отсутствии этого условия применение водяного колеса совершенно исключалось. Попытки использования для целей водоподъема энергии ветра (рис. 2-24) не давали удовлетворительного решения задачи вследствие крайней неравномерности силы ветра, хотя в отдельных странах, как например в Нидерландах, ветросиловые установки при водяных насосах успешно применялись.

Кризис гидроэнергетики наиболее остро проявился в решении задачи водоподъема, что наложило свой отпечаток на последующее развитие энергетики.

Нетранспортабельность водной энергии, делающая ее местной, локальной энергией, является следствием того, что вода как носитель энергии обладает крайне низкой емкостью. Так, при напорах в 5, 10, 20 м 1 кГ воды обладает соответственно только 5, 10, 20 кГ*м энергии.

Поэтому кризис гидроэнергетики вызвал изыскание такого источника энергии, который бы легко транспортировался от места его нахождения в природе в любую заданную географическую точку. Таким источником оказалась теплота, аккумулированная в природном и чрезвычайно энергоемком топливе. В каждом килограмме топлива (в среднем по всем его видам) сконцентрирована энергия порядка 3 000 000 кГ*м, а перевозя топливо, мы перевозим эту энергию.

Рис. 2-25. Одна из трех каравелл Колумба 'Св. Мария' (1492 г.) (Модель.)

Концентрированная энергия нужна была развивающемуся транспорту. Гужевой транспорт с ростом товарных отношений все хуже справлялся с возросшим объемом перевозок. На реках основным "двигателем" была конная или бурлацкая тяга. Суда дальнего плавания не могли перегружать себя громоздким "живым двигателем" - гребцами. Парусные суда (рис. 2-25 и 2-26) совершали далекие путешествия, но капризы ветра делали плавание ненадежным и нерегулярным.

Рис. 2-26. Крупная торговая парусная джонка - китайское судно южных морей. (Модель.)

Техника развивается на основе познания законов природы. Люди, создавшие теплоэнергетику, не мыслили возможности получения механической работы за счет сгорания топлива. Они стремились найти механическую энергию ("силу", по представлениям того времени) в ее непосредственных проявлениях в природе. И наличие таких "сил" было подсказано открытием некоторых явлений и процессов природы, сыгравших существенную роль в становлении теплоэнергетики.

К числу этих открытий относится прежде всего открытие атмосферного давления итальянским ученым Торричелли в 1643 г. Магдебургские опыты Отто Герике обратили внимание на "громадную силу" атмосферного давления, а наличие атмосферного давления и его "силы" повсюду век одушевляло искателей, видевших в этой "силе" заменителя локальной гидравлической энергии.

Опыты итальянца Джамбатиста делла Порта (1601 г.) наглядно продемонстрировали возможность подъема воды, то есть решения одной из самых острых задач эпохи, путем давления пара на воду. В 1623 г. француз Саломон де Ко также показал возможность подъема воды под действием "страшной силы" пара, получаемого кипячением воды в закрытом сосуде.

Было известно и тепловое расширение жидкостей и газов, уже использовавшееся для целей измерения температуры. Опыты с наполненным воздухом бычьим пузырем, то подносимым к огню, то охлаждаемым холодной водой, указывали на легкую возможность использования огня и воды, как широко распространенных в природе факторов искусственного создания сред с высокой и низкой температурой.

Стремление использовать "силу атмосферы", "силу пара" или "силу воздуха" вело в конечном счете к использованию теплоты, к становлению теплоэнергетики. Эти стремления, основанные на познании некоторых явлений и процессов природы, дали возможность использовать эти познания для рождения новой области энергетики.

Становление теплоэнергетики длилось около трех четвертей века и за это время прошло несколько характерных ступеней:

1. тепловая установка единичного назначения, в которой двигатель конструктивно слит с орудием;
2. тепловая установка узкого назначения, в которой двигатель конструктивно отделился от орудия, но не стал обособленным техническим объектом;
3. тепловой двигатель сложился в обособленную энергетическую машину, способную обслуживать разнообразные силовые потребности промышленности и транспорта (универсальный двигатель).

В феодальный период тепловой двигатель прошел два первых этапа своего становления; третий этап относится к периоду промышленного переворота (1765-1830) и будет рассмотрен позднее.

Единичное назначение теплового двигателя на первом этапе его развития вытекает из самих условий возникновения двигателя под требованием, наиболее остро проявившимся в частной сфере энергетической потребности - в рудничном и шахтном водоподъеме. Поэтому ранние попытки создания теплового двигателя как двигателя, не зависящего от местных условий, были направлены на решение задачи о водоподъеме.

Первым устройством такого рода, получившим практическое использование и обобщавшим в себе попытки ряда предшественников, является устройство, на которое англичанином Северив 1698 г. был получен патент.

Рис. 2-27. Паровой водоподъемник Севери: 1 - камера, 2 - паровой котел; 3 - трубка для контроля уровня воды в котле; 4 - кран; 5 - верхний резервуар; 6 - нагнетательный клапан; 7 - всасывающий клапан

В водоподъемнике Севери (рис. 2-27) пар из котла 2 через открытый кран 4 поступал в камеру 1 и вытеснял из нее воду через нагнетательный клапан 6 при закрытом всасывающем клапане 7 в верхний резервуар 5.

Затем кран 4 закрывался и камера 1 поливалась холодной водой из специального резервуара. Пар в камере конденсировался, образовывалось разрежение, под действием атмосферного давления камера 1 заполнялась водой через всасывающий клапан 7. Затем цикл повторялся.

Рис. 2-28. Схема комбинированной парогидравлической установки: 1 - паровой котел; 2 - кран; 3 - вытеснительная камера; 4 - всасывающий клапан; 5 - нагнетательный клапан; 6 - водоприемный желоб; 7 - водяное колесо; 8 - водоподъемная труба; 9 - нижний резервуар; 10 - резервуар охлаждающей воды

Соприкосновение пара с холодной водой в камере, являющейся одновременно и двигателем, и насосом, приводило к крайней неэкономичности установки, использующей на работу водоподъема только 0,5% от энергии топлива. Тем не менее острая нужда в двигателе для откачивания воды из рудников и шахт привела к некоторому распространению установки Севери. Более того, Севери предлагал использовать ее с водяным колесом. Такая комбинированная силовая установка (рис. 2-28) давала возможность водяному колесу, способному приводить в движение любую машину, работать там, где создавался искусственный водопад за счет энергии сжигаемого привозного топлива. Эта установка представляет большой интерес в связи с повторением подобной комбинации в современной энергетике на новом, неизмеримо более высоком уровне развития. В комбинированной установке XVIII в. высококонцентрированная в топливе энергия (3 000 000 ^кГ*м/_кг) привлекается как транспортабельная составляющая установки для того, чтобы создать разность потенциалов малоемкой водной энергии. Подобно этому в XX в. высококонцентрированная в уране или тории (8 000 000 000 000 ^кГ*м/_кг) ядерная энергия привлекается как еще более транспортабельная составляющая для того, чтобы создать разность потенциалов менее энергоемкой теплоты.

Второму этапу становления теплового двигателя предшествовала работа ряда ученых и изобретателей. Энгельс писал: "Паровая машина была первым действительно интернациональным изобретением... Паровую машину изобрел француз Папен, но в Германии. Немец Лейбниц... подсказал ему при этом основную идею: применение цилиндра и поршня"^*. Можно указать также, что идея применения цилиндра и поршня, позаимствованная из практики водоподъемных насосов, лежала в основе попыток построения теплового двигателя голландским ученым Гюйгенсом (1681 г.), аббатом Готфейлем (1678-1682).

^* (Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат, 1955, стр. 81.)

Большая заслуга Папена состоит в том, что он, исследуя возможности работы пара в полости цилиндра, ограниченной подвижным поршнем, впервые правильно описал последовательность процессов работы парового двигателя (1690 г., описано в книге, изданной в 1698 г.). Однако машина Папена была неработоспособна, поскольку все необходимые процессы парового двигателя (образование пара, получение работы и конденсация пара) в его опытах производились в одном агрегате-цилиндре с поршнем. Последующая история развития парового двигателя - это отделение от цилиндра сначала котла, а потом конденсатора.

В установке Севери цилиндр был уже отделен от двигателя, но сам двигатель был объединен с насосом, поверхность воды в котором служила поршнем для двигателя. Применение поршня позволило сделать существенный шаг вперед в обособлении двигателя от орудия. Этот шаг, характерный для второго этапа становления теплового двигателя, удобно проследить на водоподъемной установке Ньюкомена-Коули.

В данном случае изобретатели также исходили из потребности откачивания воды из рудников, причем эта потребность воспринималась ими в конкретной форме замены лошадей или водяного колеса в приведении в действие рудничных насосов. Задача сводилась к необходимости периодически поднимать длинную насосную штангу, выходящую на поверхность земли: опускалась штанга под действием собственного веса. Таким образом, насос простого действия, установленный на дне шахты, требовал от двигателя периодической отдачи энергии, что хорошо согласовывалось с периодичностью работы пара в полости двигателя.

Рис. 2-29. Паровая водоподъемная установка Ньюкомена-Коули: 1 - паровой котел; 2 - цилиндр; 3 - поршень; 4 - паровпускной кран; 5 - резервуар охлаждающей воды; 6 - водоподводящая трубка; 7 - трубка для спуска конденсата; 8 - балансир; 9 - рычажный предохранительный клапан с грузом; 10 - аккумулирующий груз; 11 - верхний конец шахтной насосной штанги

При опускании под действием собственной тяжести насосной штанги 11 и груза 10 поршень 3 (рис. 2-29) поднимался и в освобождающееся под ним пространство через открытый кран 4 поступал пар из котла 1, где давление не превышало наружного, атмосферного давления. При достижении поршнем верхнего положения кран 4 закрывался и открывался доступ в полость цилиндра холодной воде из резервуара 5 по трубке 6. Пар конденсировался, в цилиндре образовывалось разрежение, и под действием атмосферного давления поршень перемещался вниз, производя подъем насосной штанги.

Отделение двигателя от насоса давало возможность изменять отношение их диаметров и получать высокое давление в насосе при низком давлении в двигателе, а следовательно, поднимать воду с больших глубин при низком давлении пара в котле, что имело громадное значение при неразвитой технологии котлостроения.

Насосы описанной конструкции применялись свыше 90 лет, хотя возможности их использования были весьма ограничены, так как насосы работали прерывно. Однако они подготовили условия для следующего шага в развитии теплоэнергетики - становления универсального двигателя.