СОДЕРЖАНИЕ

• Введение

• 1. Развитие энергетической техники до XVIII века

• 1.1 Период биологической энергетики

• 1.2 Развитие техники при рабовладельческом строе

• 1.3 Развитие техники в период феодализма

• 2. Универсальный тепловой двигатель

• 2.1 Развитие универсального двигателя

• 2.2 Развитие энергетической техники в период господства универсального теплового двигателя

• 3. Развитие теплоэнергетики после промышленного переворота

• 3.1 Развитие паровых котлов

• 3.2 Развитие паровых машин

• 3.3 Разработка теоретических основ теплоэнергетики и исследования свойств рабочих тел

• 3.4 Развитие паровых котлов во второй половине XIX века

• 3.5 Паровые турбины

• 3.6 Газовые турбины

• 4. Развитие теплоэнергетики в СССР

• Заключение

• Приложение

• Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

• В современном обществе наука играет особую роль. Прогресс в науке и технике XIX - XX веков, научно-техническая революция XX века создали новое качество жизни. Наука не только революционизирует сферу производства, но и оказывает влияние на все сферы человеческой деятельности, начиная регулировать и перестраивать их средства и методы.

• Наука оказывает огромное влияние на формирование личности. Через систему образования, которое направлено, прежде всего, на усвоение научных знаний, она создает особый тип человеческого сознания. Образцы научного рассуждения активно влияют на логику человеческого мышления, утверждая особый тип аргументации и обоснования знаний.

• Чтобы выявить общие закономерности развития научного познания, философия науки должна опираться на материал истории различных, конкретных наук, но вместе с тем она ориентирована на сравнение этих дисциплин, на выявление общих закономерностей их развития.

• Научное познание, каким бы ни был его объект, обязательно ориентировано на объективность в изучении предмета, на поиск законов и закономерностей его развития. Нельзя отождествлять науку с иными, хотя и близко соприкасающимися с ней формами человеческого творчества.

• Человечество, наука и техника, социальные системы - все это входит составной частью в единую планетную систему, объединяющую цивилизацию и природную среду, в которой она активно проявляется.

Приведем определения техники и энергетической техники:

Техника - есть совокупность средств труда, создаваемых человеком на основе использования познаваемых им законов природы, для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества;

Энергетическая техника - это область техники, направленная на получение энергии от природных источников, ее целесообразное преобразование, транспортировку и доведение до потребителей.

Теплоэнергетику же можно определить как науку о тепловой энергии топлива и законах ее превращения.

Возникновение теплоэнергетики, как и возникновение любой другой области техники, явилось ответом на возникший перед обществом, на определенном этапе его развития, вопрос, решением вставшей перед ним задачи. При расследовании различных явлений жизни общества, в качестве основного, можно принять, сформулированное К. Марксом, следующее положение: «Человечество ставит себе всегда только такие задачи, которые оно может разрешить, так как при ближайшем рассмотрении всегда оказывается, что сама задача возникает лишь тогда, когда материальные условия ее решения уже существуют или, по крайней мере, находятся в процессе становления».

Основываясь на вышеизложенном положении, рассмотрим две основные составляющие вопроса возникновения теплоэнергетики как науки:

1) постановка задачи, то есть возникновение потребности общества в теплоэнергетике как материальном благе (социальный заказ), которое можно считать движущей силой развития;

2) наличие возможностей удовлетворить возникшую потребность, наличие уже существующих или находящихся в процессе становления материальных условий для решения поставленной задачи.

Потребность в новом источнике энергии явилась следствием кризиса гидроэнергетики, а точнее - кризиса энергетики водяного колеса, который уже к XVIII веку не позволял удовлетворить потребность производства.

Кризис энергетики водяного колеса начал проявляться не в приводе зерновых мельниц натурального и мелкотоварного производства, а в металлургии и рудном деле (именно в этих областях он, кризис водяного колеса, сказался наиболее остро): энергетика водяного колеса не обеспечивала производство необходимым количеством руды и топлива; шахты и рудники, расположенные вдали от водных источников и, следовательно, лишенные такого двигателя, как водяное колесо, заливались грунтовыми водами.

Очевидно, что природа редко сосредотачивает в одном географическом пункте ресурсы руды, топлива и водной энергии (необходимых элементов горнорудного производства). Если отсутствие в одном месте руды и леса приводило лишь к удорожанию продукции или к экономической нецелесообразности производства металла, то отсутствие в одном месте руды и источника энергии приводило к невозможности осуществления производства (так как транспортировать водную энергию невозможно). Это происходило потому, что, истощив запасы поверхностных болотных руд, человек вынужден был все глубже и глубже проникать в недра Земли. Вместе с углублением рудников возрастало энергопотребление на процесс откачивания воды из них. Это возрастание шло как за счет увеличения количества воды, так и за счет увеличения высоты ее подъема на поверхность (откачки).

Еще одной предпосылкой возникновения потребности в новом источнике энергии стал производственный рост членов общества (в связи с чем росли, в частности, потребности в орудиях труда и, следовательно, в материалах для их изготовления, главным образом - в железе).

Тот факт, что «в отличие от живых существ, технические объекты отмирают в момент своего наивысшего рассвета» также говорит в пользу возникновения потребности в новой энергетической безе. Действительно, в тот период времени уже в полной мере использовались водяные колеса с вертикальным валом (что позволяло обходиться без сложных механических передач между валами, расположенными под прямым углом друг к другу) и ковшеобразными лопатками , ставшие прототипом современных активных гидравлических турбин, и верхненаливные водяные колеса, которые были явно эффективнее средненаливных и, в отличие от вышеупомянутых водяных колес с вертикальным валом и ковшеобразными лопатками, использовали «не только скоростной элемент располагаемой энергии потока, но и энергию положения», то есть и кинетическую и потенциальную (полную) энергию потока воды. Таким образом, на тот момент времени границы роста размеров производственных агрегатов (пестов, домен, молотов) определялись только мощностью водных потоков. «Так энергетика водяного колеса начинала приходить в конфликт с вызванными ею же новыми производственными возможностями».

Теперь рассмотрим следующий вопрос, каков же был характер требований к новой энергетике, то есть к теплоэнергетике? Характер требований к новой энергетике определялся недостатками ранней гидроэнергетики. Главный ее недостаток заключался в том, что она имела чисто локальный характер (природные местные условия диктовали потребную и предельную мощность установки), а также энергия водных потоков иногда истощалась в связи с рядом явлений природы, контроль и управление которыми находились вне власти человека. Таким образом новая энергетика не должна была иметь сколь либо значительных ограничений, зависящих от местных условий, и должна была гарантировать потребную мощность вне зависимости от природных явлений.

Характер требований к новой энергетике, таким образом, всецело относился к источнику энергии, и никоим образом не определял и не предусматривал конструктивных форм двигателя новой энергетики. Это можно объяснить тем, что кризис энергетики водяного колеса был вызван исключительно недостатками источника энергии - водного потока, определявшего место установки двигателя, и ни в какой степени не вызывался недостатками самого водяного колеса, как двигателя.

Универсальным двигателем промышленности и транспорта явля

ется двигатель, сравнительно мало зависящий от локальных условий (что определяется характером источника энергии), и универсальный по своему техническому применению (что определяется конструктивными формами двигателя). Очевидно, что водяное колесо не могло быть таковым, поскольку оно по характеру источника энергии зависело от локальных условий. Но, по своей конструктивной форме, водяное колесо, которое отдает потребителю работу в форме непрерывного и равномерного однонаправленного вращательного движения, является двигателем, универсальным по техническому применению.

Итак, первые требования к новой энергетике, вызванные кризисом гидроэнергетики (прежде всего в области водоподъема), направляли людей к поиску нового источника энергии, не зависящего, в первую очередь, от местных условий. Вопрос об универсальности по техническому применению нового двигателя пока еще не ставился.

Рассмотрим вторую составляющую вопроса возникновения теплоэнергетики, приведенную выше.

Поиски нового источника энергии требовали известных познаний закономерностей природы, без которых нельзя привлекать ее на службу обществу. В числе таких познаний, в первую очередь, следует указать открытие и изучение атмосферного давления. Впервые величина атмосферного давления была установлена итальянским ученым Торричели в 1643 году. А в 1672 году в Магдебурге опыты Отто фон Герике, когда восьмерка лошадей не смогла разъединить медные полушария, из которых был откачен воздух («это было сделано с помощью конденсации пара», обратили внимание ученых и изобретателей на «громадную силу» атмосферного давления (по сравнению с граммами или десятками граммов усилий, приходящихся на 1 см² ветровых или водяных колес, 1 кг на 1 см² являлся «громадной силой»). «Сила» эта была всегда и везде и, следовательно, обещала освобождение энергетики от локальной зависимости. Задача состояла только в создании вакуума для образования разности энергетических потенциалов давления, дающего возможность получать работу. Но, очевидно, для создания вакуума требовалась затрата энергии, следовательно необходимо было найти такой источник энергии, который был бы в состоянии решить эту задачу без затраты механической работы (так как потребление работы отсасывающим насосом, применяемым Герике, равно ее количеству, получаемому от двигателя). Сведения об этом источнике вытекали из познания закономерностей природы, относящихся к свойствам теплоты.

Таким образом, мы подошли к рассмотрению второй теоретической предпосылки возникновения теплоэнергетики, связанной с исследованием теплового расширения газов.

Тепловое расширение твердых тел давно уже известно человеку, а в XVII веке стало, также, известным тепловое расширение жидких тел и газов. Проводимые в то время опыты (например нагревание и охлаждение бычьего пузыря с воздухом) давали совершенно конкретное указание на возможность изменения объема газа путем нагрева и охлаждения - «возможность управлять по своему желанию упругой силой воздуха, если иметь в своем распоряжении огонь для его нагрева и холодную воду для его охлаждения». Так еще в XVII веке человек, не зная термодинамики, знал о возможности использования тех явлений, которыми пользуется современная теплоэнергетика: горением топлива, охлаждением водой.

Правда познания, полученные в результате этих опытов, не отличались глубиной и точностью, но имели существенное значение, так как, во-первых, они давали возможность приступить к попыткам построения первых двигателей, во-вторых, эти попытки (опыты) приводили к более точному познанию законов природы.

Наконец, третей теоретической предпосылкой являлось изучение свойств водяного пара.

Практическая деятельность людей ещё до нашей эры указала на упругость водяного пара, получаемого путём кипячения воды в закрытом объеме. В начале XVI века Леонардо да Винчи сделал набросок паровой пушки, указав на то, что она была изобретена Архимедом (III век до н.э.).

В середине XVI века в работах Кардано указывается на свойство пара конденсироваться (правда, знания о свойствах водяного пара, как уже отмечалось ранее, в те времена не отличались точностью).

Некоторые ученые еще в XVIII веке считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании - они полагали, что вода содержит в себе большое количество растворенного воздуха и не знали о том, что температура парообразования зависит от давления и о том, что в глубоком вакууме вода может испариться при температуре порядка 40^оС. Тем не менее, имеющихся знаний было достаточно для изобретательской деятельности, направленной на решение наиболее актуальной технической задачи того времени - задачи о водоподъеме. Более того, перечисленные скромные познания намечали отдельные пути исследований. Один из которых предусматривал применение упругости пара избыточного давления, например для вытеснения воды паром из камер на высоту, определяемую величиной давления самого пара. Другой путь предусматривал использование способности пара легко конденсироваться и создавать глубокий вакуум, позволявший использовать давление атмосферного воздуха для получения рабочего усилия на поршне двигателя.

Итак, познания явлений природы, соответствовавшие уровню естествознания XVII-XVIII веков направляли поиски искателей новой энергии, способной преодолеть ограниченность гидроэнергетики водяного колеса, по путям, представлявшимся этим искателям различными:

· по пути использования силы атмосферы;

· по пути использования упругой силы воздуха;

· по пути использования упругой силы водяного пара.

Очевидно, что все эти пути, казавшиеся различными, могли быть успешно реализованы только при использовании тепловой энергии или, как стали говорить, движущей силы огня.

Так начиналось становление теплоэнергетики, базировавшееся на познании ряда закономерностей, объективно существующих в природе (атмосферное давление, расширение газов от нагревания, упругость водяного пара, получаемого путем кипячения воды, конденсация пара путем его охлаждения). Но все эти сведения не были ещё уточнены, не были систематизированы, не сложились в целостную теорию. Они дали толчок практике, а практика, в свою очередь, откорректировав имевшиеся познания, создала предпосылки к систематизации отобранных и проверенных опытом знаний в теорию.

Так, в процессе развития познания, практика (как критерий познания) способствовала уточнению, углублению и систематизации знаний. Это одна из общих закономерностей развития.

теплоэнергетика двигатель техника

1. Развитие энергетической техники до XVIII века

• Прежде чем перейти к рассмотрению основного вопроса сделаем отступление, ответив на вопрос: а как же развивалась энергетическая техника до возникновения теплоэнергетики?

• Ведь и гидроэнергетика возникла в свое время из определенных потребностей, явилась ответом на поставленную перед обществом задачу. А что была за задача? Она «состояла в постепенной замене в энергоемких производственных процессах человека, выполнявшего функцию двигателя, механическим двигателем».

• Самые ранние машины были созданы для подъема и перемещения тяжестей. Сначала они только помогали человеку в выполнении транспортных функций, а затем и заменили его. Освобождение человека от функции двигателя началось при помощи первой повозки, движимой прирученными животными.

• Применявшиеся простые и даже сложные орудия первоначально приводились в действие одним двигателем - руками человека. Однако следующий шаг - приведение этих инструментов в действие силами природы - уже означает возникновение одной из форм замены человека машиной, характеризующейся передачей энергетических функций от человека к машине.

• Этот процесс прежде осуществлялся там, «где от исполнителя не требовалось ни мышления, ни навыков, ни познаний - ничего кроме механической энергии, отдаваемой, например, рукоятке ворота или мельничного жернова в форме однообразного циклического движения».

1.1 Период биологической энергетики

В начальный и очень длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов, орудий и простейших технологических и транспортных машин. Позднее, в тех случаях, когда это представлялось осуществимым, по характеру производственного процесса, и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены на животных.

Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием так называемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это первая ступень развития энергетики - период биологической энергетики, или биоэнергетики.

В первобытном обществе потребность в механической энергии покрывалась исключительно затратой биологической энергии. Самым крупным достижением техники первобытного периода явилось возникновение теплотехники в форме получения и использования огня. Использование огня сразу начало находить себе применение как в быту, так и в производственной деятельности людей. Согревание у пламени костра, варка пищи, лучше усваиваемой организмом, защита от диких зверей обеспечили сохранение и развитие человека. Однако перечисленные виды раннего бытового использования тепла еще не определили всего значения для людей этого первого заимствования человеком энергии природы.

1.2 Развитие техники при рабовладельческом строе

Производство рабовладельческого периода оставалось ручным. Развитие орудий труда протекало в противоречивых условиях - производитель материальных ценностей (раб) совершенно не был заинтересован в повышении производительности своего труда, поскольку повышение это повышение не могло принести ему никаких благ или облегчения его положения. Наибольшее развитие получили транспортно-подъемные машины, так как постройка укреплений, общественных зданий, дворцов, гробниц, дорог требовала перемещений большого количества строительных материалов и подъема значительных тяжестей.

Применение рычагов и катков для транспорта тяжелых объектов способствовало созданию колеса, явившегося ценным вкладом в технику, а также возникновению комбинированных и усложненных применений принципа рычага в системах с вращательным движением: воротах, блоках, полиспастах. Из комбинации рычага с колесом позднее возникли зубчатые колеса.

Возникновение и рост городов вызвали задачу водоснабжения. Эта задача решалась обычно путем перемещения воды самотеком (акведуки) от высоколежащих водоемов. Поскольку в природе такие возможности довольно редки, то для целей городского и сельскохозяйственного (полив посевов) водоснабжения нужно было поднимать воду в больших количествах. Эта задача, крайне обострявшаяся в отдельные периоды, в значительной степени способствовала техническому прогрессу. Особенность водоподъема состоит в большой его энергоемкости, а поэтому нужно было разработать не только транспортирующую часть водоподъемной установки (транспортную машину), но и энергетическую машину (двигатель) для привода в движение первой. В течении длительного времени энергетическая часть задачи решалась применением биологической энергии рабов.

Водоподъемная машина, потребляющая энергию, могла быть легко использована в обратном направлении, путем превращения в машину энергетическую. Действительно, в рабовладельческий период была известна возможность применения водяных колес для привода зерновых мельниц, но строились они исключительно редко, поскольку использование биологической энергии рабов обходилось дешевле, чем постройка и эксплуатация гидроустановок.

Водяные колеса использовались на Ниле, Евфрате, Янцзы для подъема воды и, как указано ранее, вращались рабами. «Затем древние греки и римляне использовали водяные колеса в качестве двигателя для привода насосов и мельниц, для выжимания масла. Позднее водяные колеса стали использоваться в ремесле, затем в промышленности. Римский писатель Марк Ветрувий Полион в I веке до н.э впервые описал водяное колесо».

Устройства, показанные на рисунке, являются первыми обратимыми машинами, развившимися в наши дни в пропеллерные (винтовые) агрегаты, которые, не отличаясь друг от друга по принципу их конструктивного оформления, могут выполнять две взаимно обратные функции - давать механическую работу за счет падения воды (гидротурбина) или поднимать воду за счет затраты механической работы (турбонасос).

Энергетических машин рабовладельческое общество не создавало, поскольку в условиях дешевого рабского труда не было стимула к использованию энергии неорганической природы.