2.2 Развитие энергетической техники в период господства универсального теплового двигателя.

Промышленный переворот - это переход от ручного ремесленного и мануфактурного производства к машинному и фабрично-заводскому. Процесс этого перехода в различных странах происходил не одновременно. Наиболее ранним промышленный переворот начался в Англии, где сложились наиболее благоприятные условия для его возникновения, а «с момента появления первого парового котла, построенного инженером Папеном Дени (1647-1712) в 1680 году, промышленная революция в Англии получила значительное ускорение».

Достаточно быстро промышленный переворот развился и в странах Западной Европы. В России же, где царило крепостное право, промышленный переворот начался позднее и сыграл значительную роль в ускорении распада феодальных отношений.

В рассматриваемый период во всем мире было произведено множество научных исследований в данном направлении, результатом которых (укрупненно) стали: изобретение универсального двигателя Томпсоном, в котором он скомбинировал суммирование работы двух цилиндров пароатмосферного двигателя с кинематическим аккумулированием; успешное использование в Англии в 70-х годах XVIII века для привода шахтных вентиляторов комбинированного (потенциального и кинетического) аккумулирования; двигатель Картрайта, в котором было применено «чисто» кинематическое аккумулирование; двигатель Фалька, в котором было осуществлено суммирование работы двух цилиндров (по аналогии с двигателем Ползунова).

Немного подробнее остановимся на шотландском ученом и изобретателе Джеймсе Уатте(1736-1819), много занимавшемся исследованиями воды и водяного пара, и который в 1765 году построил первый выносной конденсатор, изобрел центробежный регулятор, золотниковое распределение, а в 1769 году «запатентовал паровой двигатель с отдельным конденсатором» общий КПД (коэффициент полезного действия) этой машины составил 8%.

Уатт «по праву считается отцом паровой машины: в 1774 году им была создана паровая машина простого действия, а в 1784 - универсальная паровая машина - основа промышленного прогресса в промышленности».

И как раз в честь Джеймса Уатта единица мощности была названа «Ватт». На рубеже XVIII-XIX веков «двигатели Уатта начали решительно вытеснять водяное колесо».

Таким образом, к концу XVIII века конструкция парового двигателя содержала уже все основные элементы: паровой котел, цилиндр, конденсатор.

3. Развитие теплоэнергетики после промышленного переворота

Развитие промышленного производства в течение XIX века сопровождалось укрупнением заводов и фабрик и быстрым ростом энергопотребления. Это вызывало существенное изменение единичной мощности и экономичности теплосиловых установок. Единичная мощность теплосиловых установок возросла с 10…20 до 10 000…15 000 л.с.; КПД вырос от среднего значения порядка 5% до 15%. «Рост установленной мощности паровых двигателей выразился громадным числом: 20 000 раз

(с 6 000 л.с. в 1800 году до 120 000 000 л.с. в 1900 году)».

a. Развитие паровых котлов.

В начальный период развития паровых котлов применялся пар атмосферного давления, вследствие чего проблемы их прочности незначительно отражались на процессе развития котельных конструкций.

Рост мощности паро-атмосферных двигателей неизбежно привел к необходимости увеличения производительности пара, что можно было достичь путем увеличения активной поверхности нагрева котлов, организуя обмуровку таким образом, чтобы газы омывали не только дно, но и боковые стенки котла. Уатт сконструировал котел, имевший дымоходы, которые создавали довольно развитую систему нагрева. Применение в установках Уатта давления, не превосходившего 0,25 атм., позволило получать достаточную прочность за счет слегка вогнутых днища и боковых стенок котла.

Увеличение КПД, которое нельзя было достигнуть без повышения давления пара, приводило к конструированию более прочных котлов. Но требование повышения давления вошло в противоречие с требованием роста паро - производительности. Шар - наилучшая геометрическая форма сосуда, подвергающегося большому внутреннему давлению, - дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности необходима развитая поверхность. Разрешением этого противоречия явилось использование цилиндра - следующей за шаром геометрической формой в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. Так возник цилиндрический котел. В 1801 году О.Эванс в США построил паросиловую установку с чрезвычайно высоким для того времени давлением - 8…10 атм. Котел Эванса имел цилиндрическую форму с цилиндрической же внутренней топкой. В 1824 году С.В.Литвинов в Барнауле разработал оригинальную паросиловую установку высокого давления с прямоугольным котловым агрегатом, состоявшим из оребрённых труб. К сожалению, установка Литвинова не была осуществлена, так как рецензент признал её непригодной, исходя из того, что таких конструкций нет в Англии.

С ростом котельного давления и паропроизводительности необходимо было уменьшать размер цилиндра (прочность) и увеличивать его длину (производительность) - котел превращался в трубу. «Эти тенденции проявлялись в форме дробления котло-агрегатов по двум возможным направлениям: дробились или газовый тракт котла, или водяное пространство. Таким образом, определились два основных типа котлов: жаротрубные и водотрубные».