3.2 Развитие паровых машин

Повысить единичную мощность паросиловых установок можно не только путем применения более высокого давления, но также и увеличением числа оборотов, что давало также снижение металлоемкости конструкции и некоторое повышение КПД. Это происходило вследствие резкого снижения потерь пара от конденсации на стенках цилиндра.

Большое значение для повышения КПД имело введение многократного расширения пара последовательно от двух, трех, и - реже - четырех цилиндрах. В 1804 году А.Вульф предложил паровой двигатель с отдельным конденсатором и двойным расширением пара последовательно в двух цилиндрах: высокого и низкого давлений.

«Разбивка мощности на ряд цилиндров повлекла за собой повышение КПД за счет использования высокого перепада давлений и уменьшения теплообмена между паром и стенками цилиндров. Эта мера была полезна также для улучшения динамики двигателя, уравновешивания движущихся масс и способствовала дальнейшему увеличению числа оборотов валов двигателей».

Также на повышение КПД паровых двигателей повлияло использование с середины XIX века перегрева пара, на эффект которого еще в 30-х годах указывал французский ученый Г.А. Гирн, был применен немецким инженером В.Шмидтом в его конструкции в 1892 году.

В результате, за вторую половину XIX века сложились в основном все конструктивные формы паровых поршневых двигателей, за исключением прямоточного, предложенного немецким профессором Штумпфом в 1908 году. Были разработаны конструкции смесительных и поверхностных конденсаторов; сконструированы три принципиально различные системы парораспределительных органов: золотники, краны, клапаны.

Разработка конструкций кривошипно-шатунного механизма, уплотнений, смазочных и охлаждающих систем, регулирования, использующего центробежные и инерционные усилия и т. п. имела громадное значение не только для развития паровых двигателей. Она явилась подготовкой расчетного, конструктивного и технологического материала для освоения в будущем новых типов тепловых двигателей: паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания.

3.3 Разработка теоретических основ теплоэнергетики и исследования свойств рабочих тел.

«Первые паровые устройства и машины имели низкий КПД, так как не было теоретических знаний о теплоте, давлении пара и другие». Поэтому исследования водяного пара, выполнявшиеся раньше вне связи с потребностями практики (Д.Папен, определивший в 1691 году зависимость температуры парообразования от давления; Циглер, в 1759 году уточнивший данные Папена), перестали быть единичными. Это побудило Уатта совместно с Д.Блеком провести работу, в результате которой было найдено отношение объема насыщенного пара к объему воды при 1 атм (в 1800г.) и построены достаточно точные кривые зависимости между давлением и температурой водяного пара от0⁰С до 100⁰С при ата. Бетанкур(1792 год), Прони(1796 год), Робисон(1822 год), Тредгольд(1838 год) и другие ученые исследуют и уточняют сведения о свойствах водяного пара с определенной целью: лучшего понимания процессов, происходящих в паросиловых установках.

Первая четверть XIX века характеризуется значительным расширением познаний о свойствах рабочих тел и, главным образом, водяного пара. Ряд физиков (Дж. Дальтон, Л.Ж. Гей-Люсак, П.Л. Дюлонг, А.Т. Пти, Ф.Д. Арго) проводят достаточно точные измерения, далеко выходя за пределы параметров, применявшихся в практике (от 1/561 до 24 ата). Исследования свойств пара были дополнены исследованиями газов, причем ряд ученых пришел к широким научным обобщениям: Гей-Люсак определил коэффициент расширения газов, Дальтон открыл закон газовых смесей, Авагадро в 1811 году разработал гипотезу о равном числе молекул в равных объемах газа при равных условиях.

В 40-х годах Х1Х века французский физик А.В. Реньо проводит обширные опыты по определению ряда величин, используемых при тепловых расчетах. «Работы Реньо составили три больших тома, в которых были изложены результаты исследований по термометрии, по отклонению свойств реальных газов от законов Бойля-Мариотта и Гей-Люсака, по теплоемкости газов. Но основное содержание работ относилось к исследованию свойств водяного пара, для которого были найдены плотность жидкости при различных температурах, давление и плотность насыщенного пара, теплота жидкости и теплота парообразования, а также ( в небольшом интервале) свойства перегретого пара».

Гирн, в свою очередь, ввел понятие о паросодержании или степени сухости водяного пара. А немецкий ученый Р.Клаузиус, исходя из рассмотрения полного процесса парообразования, вывел уравнение, связывающее изменение удельного объема при парообразовании с величиной скрытой теплоты.

Немецкий ученый Г.А. Цейнер разработал полную и систематическую теорию насыщенного водяного пара с выводом всех необходимых формул и соотношений, а позднее - и теорию перегретого пара; составил обширные таблицы свойств водяного пара; разработал уравнение истечения пара.

Р. Клаузиус и английский ученый В. Ренкин, которым принадлежат первые труды по созданию теории паровых двигателей, разработали теоретический «идеальный» цикл парового двигателя, используемый и в настоящее время как эталон. Несколько позднее, в своей теории паровой машины, Цейнер развил труды Ренкина, глубоко исследовав характер потерь, вызываемых неполным расширением пара и наличием вредного пространства.

Сложность процессов, происходящих в полостях цилиндров реальных паровых двигателей, приводила к значительному разрыву между данными теории и результатами опытов. В связи с этим начало развиваться экспериментальное направление в исследовании принципов работы паровых двигателей. Начало этому направлению положил Г.А. Гирн во Франции, Ю.Кларк в Англии, Ишервуд в США.

Изучение процесса теплообмена и его зависимости от ряда факторов стали основой экспериментальных исследований, позволивших сблизить теорию с практикой и установивших влияние на эффективность работы паровых двигателей ряда существенных факторов: перегрева пара, паровой рубашки, многократного расширения пара и т. д. Оценка этих факторов, на основе данных многочисленных опытов, дала возможность производить расчеты паровых двигателей с достаточной для практики степенью точности и, благодаря этому, значительно увеличить КПД, приблизить реальный цикл к теоретическому.

Развитие практической теплоэнергетики нашло свое отражение и в работах ряяда отечественных ученых. В 60-80-х годах Х1Х века в России вышел ряд книг и статей по теории тепловых двигателей: А.В. Гадолина, И.А. Вышнеградского, Ф.Ф. Петрушевского, И.П. Алымова. Профессор Петербурского университета М.Ф. Окатов разработал вывод аналитического выражения второго закона термодинамики.

«В исследованиях свойств рабочих тел большое значение имели труды великого ученого Д.И. Менделеева, который вывел общее уравнение состояния для идеального газа, в 1861 году открыл явление критического состояния вещества и определил температуру этого состояния, назвав ее «абсолютной температурой кипения»[4,стр.196].

Ж.Б. Фурье в работе «Аналитическая теория тепла», вышедшей в 1822 году, установил общие законы теплопроводности, применив специальные математические методы (ряды и интеграл Фурье).

Сади Карно в своей теоретической работе «Размышления о движущей силе огня», изданной в 1824 году, поставив чисто практическую задачу исследовать причины высокого расхода топлива в паровых машинах, пришел к исключительно глубоким выводам: «…недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезна», и далее «повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы» [4,стр.197].

Приведенные положения, дополненные выводом о принципиально-цикличной работе тепловых двигателей, показывают, что Карно впервые сформулировал положение второго закона термодинамики.

Кроме того, С. Карно разработал понятие о круговом замкнутом процессе, о принципиальной периодичности работы тепловых двигателей. Он нашел такой круговой замкнутый процесс (цикл Карно, представляющий собой «термодинамический цикл, состоящий из четырех последовательных процессов», приведенный на рис.П.8),при котором между двумя температурными уровнями можно получить максимум работы. Но приведенные Карно «рассуждения не сопровождались ни расчетами, ни графиками…Лишь через десять лет, 1834 году, другой француз, Эмиль Клапейрон, придал термодинамике Карно канонический вид».

Одним из важнейших научных обобщений рассматриваемого периода также является открытие закона сохранения и превращения энергии. Естественнонаучное обоснование неразрывности материи и движения впервые было дано М.И.Ломоносовым3.4. Развитие паровых котлов во второй половине Х1Х века. в 1744 году. А в 1756 году он экспериментально подтвердил принцип сохранения материи в форме закона сохранения массы вещества.

3.4 Развитие паровых котлов во второй половине Х1Х века

Во второй половине Х1Х века существующая тенденция на повышение давления пара и производительности котлов привела к единственной рациональной принципиальной основе конструирования парового котла в виде той или иной комбинации стальных тонкостенных труб небольшого диаметра: горизонтальный водотрубный котел, появившийся в середине Х1Х века.

Проблемой надежной циркуляции воды в паровых котлах успешно занимался строитель многих судовых котлов и паровых машин В.И. Калашников (1849-1908). Им был получен патент на вертикальный водотрубный котел с « полной циркуляцией», которая означала участие в циркуляционном движении всей проходящей через котел воды за счет одной естественной циркуляции.

К прогрессивной идее прямоточного котла с принудительной циркуляцией под действием питательных насосов в 1893 году пришли изобретатели П.Д. Кузьминский и Н.Ф. Пашинин.

В 1897 году А. Погодин на специальных моделях наглядно продемонстрировал исследованный им механизм циркуляции пароводяной смеси. В результате своей работы он вывел уравнение подъемной силы парового пузыря и сопротивления среды его движению и составил общее уравнение полезного напора в циркуляционном контуре.

Д.И. Артемьев в одновитковом прямоточном котле судового назначения применил экранный принцип, ограничив топочный объем с вертикальным факелом горения нефти сплошной одновитковой спиралью - экраном.

Значительное развитие общей теории паровых котлов было дано в многочисленных работах профессора Г.Ф. Деппа. А разработанный профессором В.И. Гриневецким графический метод теплового расчета паровых котлов значительно облегчил проектирование паровых котлов.