Раздел 7. Техника индустриальной цивилизации
Электрический век
Промышленное применение электроэнергии
Переход к массовому, непрерывному и автоматизированному производству требовал перевода машин на новый двигатель. Предпосылкой для решения этой технической проблемы стало применение принципа самовозбуждения, открытого в 1867 г. В. Сименсом и Ч. Уитсоном, и конструкции кольцевого якоря, запатентованной З.Т. Граммом в 1870 г. Динамо-машина, т. е. самовозбуждающийся генератор постоянного тока с кольцевым якорем Грамма, удовлетворительно работала как в генераторном, так и в двигательном режимах. Изобретение получило практическое применение.
Первые маломощные электрогенераторы разнообразной конструкции (генераторы Хельфнера-Альтенека — 1873 г., Эдисона — 1878 г. и др.) имели невысокий коэффициент полезного действия. В 80-х годах XIX в. генераторы постоянного тока были настолько усовершенствованы, что, по сути дела, приобрели основные черты современных машин.
Следует заметить, что сооружение первых электрических станций относится к концу 70-х — началу 80-х годов. Эти электростанции (блок-станции, как их тогда называли), производившие постоянный ток, могли обеспечивать лишь ограниченное число потребителей — освещать небольшие районы города.
В 1884 г. в Англии была пущена первая электростанция переменного тока. В 1889 г. вблизи г. Портленд (США) была построена крупная гидростанция однофазного переменного тока мощностью 720 кВт.
Первую передачу электроэнергии на расстояние (1 км) продемонстрировал француз И. Фонтен в 1873 г. Однако практического применения этот опыт не получил.
Теоретические обоснования и расчет электропередачи на постоянном токе при условии повышения напряжения были сделаны в 1880 г. в работах инженера Д.А. Лачинова и французского ученого М. Депре. В 1882 г. Депре осуществил передачу электроэнергии по проводам между Мюнхеном и Мисбахом на расстояние 57 км. Получив финансовую поддержку банкира Ротшильда, он построил несколько линий электропередач во Франции.
Дальнейшее развитие передачи электрической энергии на расстояние связано с открытием в 1888 г. Г. Феррарисом и Н. Тесло вращающегося магнитного поля, а также с именем М.О. Доливо-Добровольского, который внес существенный вклад в разработку системы трехфазного переменного тока. В 1891 г. Доливо-Добровольский организовал передачу электроэнергии на расстояние 170 км. Это событие можно считать началом использования трехфазного тока, вызвавшего переворот в промышленности, транспорте и быту.
В 1892 г. электропередача трехфазного тока была осуществлена в Швейцарии и Германии, а в 1893-м — в США. Первая промышленная установка трехфазного тока в России была построена в 1893 г. для Новороссийского элеватора.
Любопытно, что внедрение трехфазной передачи электроэнергии встретило сопротивление известных новаторов и изобретателей техники, специализировавшихся на выпуске машин и аппаратов постоянного, однофазного или двухфазного переменного токов (Эдисона в США, Свинберна в Англии, Дери в Австро-Венгрии и Броуна в Швейцарии).
В конце 90-х годов для снабжения электроэнергией промышленных районов и городов развернулось повсеместное сооружение районных электростанций вблизи источников сырья или у рек.
Ожесточенная борьба развернулась вокруг энергии Ниагарского водопада (США). Т. Эдисон предлагал строительство электростанций по производству постоянного тока. Инженер и предприниматель Вестингауз ратовал за сооружение гидростанции переменного тока. Добыв с помощью разведки чертеж генераторов переменного тока Вестингауза, Эдисон воспроизвел такой же агрегат и предложил сенату своего штата законопроект о запрещении переменного тока как необычайно опасного. Эдисону удалось добиться, чтобы казнь на электрическом стуле проводилась только с помощью переменного электрического тока. Он развернул кампанию в газетах, где призывал не проводить в дома переменный ток, который объявлялся «противным человеческой природе, морали и библии». Ho все было напрасно. Несмотря на все попытки опорочить переменный ток, именно он стал широко использоваться для передачи электроэнергии на расстояние.
В 1896 г. вступила в строй первая районная гидроэлектростанция на р. Ниагара. В последующие годы дали ток мощные гидро- и тепловые станции в Обершпрее (1897 г.), Рейнфельдская ГЭС в Германии (1898 г.), а в 1901 г. стали под нагрузку гидрогенераторы электростанции в Жонате (Франция).
В России с предложениями использовать силу рек и водопадов, расположенных недалеко от Петербурга, для производства электроэнергии, могущей найти использование в столице, выступили Ф.А. Пироцкий (1874 г.), В.Ф. Добротворский (1889 г.) и Н.Н. Бенардос (1892 г.). В последующие годы были разработаны проекты комплексного использования рек Волхова (проект Г.О. Графтио — 1910 г.) и Волги (проект Г.М. Кржижановского — 1913 г.) для сооружения на них гидроэлектростанций. Эти проекты были осуществлены позднее.
Первая русская промышленная гидроэлектростанция мощностью 300 кВт для электроснабжения Охтинского порохового завода в Петербурге была построена в 1895-1896 гг. под руководством инженеров В.Н. Чиколева и Р.Э. Классона. В 1899 г. были введены в эксплуатацию гидроэлектростанции на бакинских Нефтяных Камнях и на кавказском курорте Боржоми. В 1903 г. была пущена электростанция «Белый уголь» в Ессентуках. В 1909 г. закончилось строительство крупнейшей в дореволюционной России Гиндукушской ГЭС мощностью 1350 кВт на р. Мургаб (ныне территория Туркмении). В 1914 г. для электроснабжения Москвы в г. Богородске (ныне Ногинск) была построена самая крупная в мире теплоэлектростанция «Электропередача», работавшая на торфе.
Электростанции производили электрический ток специально для продажи потребителям. Заводам и фабрикам стало выгоднее покупать электроэнергию и направлять ее к рабочим машинам, снабженным электроприводом, нежели производить на собственном предприятии.
Претерпел изменения и электродвигатель: вместо синхронного двигателя со специальным возбудителем (или однофазного двигателя с дополнительным двигателем для разгона) был изобретен асинхронный трехфазный электродвигатель, который начинал вращаться сразу при включении напряжения. Заслуга в его создании (1889 г.) принадлежит М.О. Доливо-Добровольскому.
Вначале применялся общий электропривод для всей фабрики. Затем стали устанавливать несколько двигателей в цехах, обслуживавших небольшие группы станков. Наконец, появился индивидуальный электропривод — для отдельного станка. Это повысило скорость станков и способствовало их дальнейшей автоматизации.
Применение электроэнергии в различных областях промышленности и в быту произвело на современников такое же сильное впечатление, как освоение паровых машин в период промышленного переворота.
Совершенствование паровых двигателей и котельных установок
Для увеличения выработки электроэнергии и выполнения новых задач, поставленных промышленностью, требовалось повышение мощности первичных двигателей, приводивших в действие электрогенераторы.
В конце XIX в. немецкий инженер В. Шмидт изобрел новый паровой котел с пароперегревателем (температура перегрева пара в этом котле достигала 350 °С) и соответствующую ему паровую машину. В 1908 г. инженер И. Штумпф в Германии сконструировал прямоточную паровую машину, позволяющую избежать смешивания потоков, уменьшить тепловые потери.
Производительность паровых котлов была значительно увеличена и повышено рабочее давление пара. Поверхность нагрева наиболее крупных котлов этого времени достигала 1-2 тыс. м2. Особенно удачным оказалось устройство секционных водотрубных котлов, сконструированных фирмой «Бабкок и Вилькокс» в Англии, Стирлингом в США и Гарбе в Германии. Свой значительный вклад в создание паровых котлов внес В.Г. Шухов, разработавший надежную конструкцию котла малой металлоемкости, обладавшего хорошей транспортабельностью. Котел Шухова собирался на месте из отдельных секций.
Однако силовые установки с поршневыми паровыми машинами оставались относительно тихоходными. На их изготовление расходовалось много металла. He удавалось преодолеть и громоздкость двигателей. Так, при сооружении в 1898 г. в Нью-Йорке электростанции мощностью 30 тыс. кВт пришлось установить 12 паровых машин и 87 котлов, для чего потребовалось здание в несколько этажей. Это обусловило разработку новых типов первичных двигателей, более быстроходных, компактных и экономичных.
Активная паровая турбина была изобретена шведским инженером К.П. Густавом де Лавалем в 1883-1889 гг. Любопытно, что автор намеревался первоначально применить ее в молочном производстве для вращения сепараторов. В 1884-1885 гг. англичанин Ч.О. Парсонс изобрел реактивную многоступенчатую паровую турбину, которая после усовершенствования в 1894 г. стала основным типом паровых турбин того времени.
С начала XX в. возникает фабричное производство паровых турбин в Германии, Швейцарии и Чехословакии, входившей тогда в состав Австро-Венгрии, а также в США и Франции. В России собственное производство паровых турбин и турбогенераторов было налажено слабо (использовали в основном импортное оборудование). Первый отечественный турбогенератор системы французского инженера О. Рато (1899 г.) был построен лишь в 1907 г.
Двигатели внутреннего сгорания
Идея четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, в котором горючая смесь перед воспламенением подвергалась предварительному сжатию, была высказана еще в 1862 г. французским инженером А. Во де Роша. Этот принцип использовал немецкий конструктор Н.А. Отто, создавший в 1876 г. новый тип газового двигателя. Газ для него был получен путем простой перегонки антрацита и кокса.
В 1883 г. вездесущие сотрудники патентного бюро обнаружили брошюру А. Бо де Роша и воспользовались ею, чтобы аннулировать часть патентов Отто.
Стремясь повысить мощность двигателя Отто, русский конструктор Б.Г. Луцкой разработал и изготовил в 1885 г. четырехтактный многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Однако решающее значение для развития этого двигателя имел его перевод на жидкое топливо.
В середине 80-х годов XIX в. немецкие изобретатели Г. Даймлер и К.Ф. Бенц создали типы двигателей внутреннего сгорания, работающие на бензине, и применили их на безрельсовом транспорте. Чуть позже, в конце 80-х годов, проект бензинового двигателя с карбюратором мощностью 80 л. с. разработал в России О.С. Костович, предложивший этот двигатель для дирижабля (аэроскафа).
В 1896-1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель создал новый тип двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением от сжатия горючей смеси, рассчитанный на тяжелое жидкое топливо. Этот двигатель получил имя изобретателя.
В 1913 г. Р. Дизель, имея при себе наиболее важные секретные документы по изготовлению двигателя, отплыл в Англию для ведения переговоров. Однако достигнуть Англии ему было не суждено. При неизвестных обстоятельствах Дизель бесследно исчез с палубы корабля. Высказывались подозрения, что он погиб от рук агентов немецкой разведки, предотвративших таким образом продажу промышленного секрета англичанам.
Большой вклад в усовершенствование дизельных двигателей внесли русские изобретатели. В 1896 г. Г.В. Тринклер построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания. В 1910 г. Р.А. Корейво сконструировал дизельный двигатель с противоположно движущимися поршнями и передачей на два вала. А.Г. Уфимцев разработал двухцилиндровый, а в 1910 г. — шестицилиндровый карбюраторный двигатель для самолетов.
Водяные турбины
Наряду с паровой турбиной в качестве наиболее совершенного двигателя на тепловых и гидроэлектростанциях в конце XIX в. стали применяться также и усовершенствованные водяные (гидравлические) турбины.
В 1880 г. американский изобретатель Л.А. Пельтон сконструировал водяную турбину, рассчитанную на работу при больших напорах воды. Ковшеобразные лопатки колеса этой турбины позволяли с большей эффективностью использовать силу струи воды, поступавшей под большим давлением по трубе. Водяная турбина Пельтона сразу же нашла широкое применение в промышленности.
Повсеместное распространение получила реактивная осевая турбина Жонваля, в которой направляющий аппарат был расположен над рабочим колесом, а движение воды осуществлялось параллельно оси двигателя. Мощность турбин этого типа к 1900 г. достигла 1200 кВт в одном агрегате и продолжала расти в дальнейшем.
Важным этапом в развитии гидротурбин стали работы чешского инженера В. Каплана. Им, в частности, были внедрены поворотно-лопастные турбины (1912-1916 гг.), которые применялись на большей части вновь сооружаемых ГЭС. В 1872 г. инженер Штольд запатентовал в Германии газовую турбину, но из-за ее низкого КПД проект не был реализован.
Первую попытку создания и практического применения газовой турбины предпринял инженер-механик русского флота П.Д. Кузьминский. В 1897 г. он построил небольшую радиальную газовую турбину, однако смерть изобретателя в 1900 г. не позволила закончить начатую работу.
В 1906 г. французские инженеры Арманго и Лемаль, а также русский изобретатель В.В. Каравардин разработали целый ряд газовых турбин, однако их КПД все еще был невелик. Большую работу в области создания и усовершенствования газовых турбин проделал немецкий инженер Г. Гольцварт. В 1914-1920 гг. он сконструировал несколько газовых турбин мощностью до 2 тыс. л. с. при КПД 13-14 %. Тем не менее ни одна из разработанных газовых турбин не нашла в тот период широкого применения. К середине XX в. инженерам удалось разработать газовые турбины мощностью от 100 до 400 тыс. кВт при КПД 38-55 %.
Новые виды энергии
Одной из важнейших составляющих научной мысли в естествознании конца XIX — начала XX в. явились успехи атомной физики после открытия в 1898 г. супругами П. и М. Кюри явлений радиоактивного распада и разработки Э. Резерфордом и Ф. Содди в 1903 г. общей теории радиоактивности. Осуществление Э. Ферми первой цепной реакции в уранографитовом реакторе (к сожалению, не в мирных целях) произошло в 1942 г.
Строительство атомных электростанций началось с середины XX в. В декабре 1951 г. дала ток первая атомная станция EBR-1. В 1954 г. начала действовать атомная станция в г. Обнинске. Самой крупной в мире АЭС является станция в г. Фукусима (Япония), имеющая десять реакторов общей мощностью 9096 МВт. Один из наиболее мощных в мире реакторов на быстрых нейтронах был установлен на Белоярской АЭС в 1980 г.
Изобретатели не оставляют мысль использовать силу ветра и приливов, тепло Солнца и Земли. В 70-е годы XX в. удалось реализовать идею французского изобретателя Г. Дарье, получившего еще в начале века патент на воздушную турбину, построенную по принципу «яйцесбивалки». Насаженные на вертикальную ось лопасти автоматически поворачивают эту турбину навстречу ветру. КПД таких двигателей невелик, зато экологические преимущества очевидны.
В первой половине XX столетия в ряде стран мира появились проекты крупных приливных гидроэлектростанций. В 1935 г. инженер Д. Купер приступил к строительству первой приливной электростанции (ПЭС) мощностью 230 кВт. Однако оно не было завершено. Сейчас в мире действуют две ПЭС — в устье р. Ране во Франции (1976 г.) и Кислогубская ПЭС близ Мурманска (1968 г.).
Идея использования тепловой энергии океана была выдвинута в 1881 г. французским физиком Ж. д'Арсонвалем. Он предложил использовать разницу температур между поверхностными и глубинными слоями воды, которая в отдельных районах тропиков достигает 20оC. В 20-х годах его ученик Ж. Клод построил на Кубе демонстрационную модель установки. В 1979 г. в США (Гавайские о-ва) вступила в строй установка на основе аммиака, циркулирующего в замкнутой системе, дающая выход энергии 50 кВт.
Гэотермальные электростанции используют перегретый пар из недр Земли. Такие установки впервые были построены еще в 1827 г. графом Ф. де Лардерелем. С тех пор была усовершенствована техника бурения скважин и паровая машина заменена электрической турбиной. В настоящее время действует свыше двадцати небольших геотермальных станций в Новой Зеландии, Японии, Исландии, Италии, Мексике, США (в том числе на полях гейзеров) и России.
В 1985 г. в Крыму был осуществлен пуск солнечной тепловой электростанции (ТЭС) с использованием 1600 зеркал площадью 25 м2 каждое. Самая крупная в мире гелиоустановка «LUZ» расположена в пустыне Мохаве в США (штат Калифорния). В Мон-Луи (Франция) действует солнечная батарея, которая нагревает пар в котле до 3000оС. Однако возможности использования солнечной энергии на Земле ограничены сменой дня и ночи, облачным покровом и влиянием погодно-климатических условий.
Вопросы и задания:
1. Как устроен и действует двигатель внутреннего сгорания?
2. Что представляет собой современный ядерный реактор? Используйте дополнительную информацию.
3. Какие технические проблемы приходится решать в процессе использования приливно-отливной энергии?
4. Каким образом удается применять тепловую энергию Земли и Солнца?
5. В чем сильные и слабые стороны техники применения альтернативных источников энергии?
