РЕФЕРАТ
З ІСТОРІЇ
НА ТЕМУ: «НОВІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ В КІНЦІ XIX - ПОЧАТКУ XX СТОЛІТТЯ».
Виконала:
Учениця 9 - «А» класу
Гімназії № 1
Моркова Ольга
Джерело: В.С. Віргінський, В.Ф. Хотеенков «Нариси історії науки і техніки 1870-1917 р.р.», стор 44 -59.
Севастополь
2003
Промислове застосування електроенергії.
Однією з найбільших проблем, вирішених у розглянутий нами період, було отримання і використання електроенергії - нової енергетичної основи промисловості і транспорту.
Перехід до масового, безперервного і автоматизованого виробництва вимагав переведення системи машин на новий двигун. Ним став електропривод, (електромотор), забезпечений відповідною передачею електроенергії від генератора.
Передумовою для вирішення цієї технічної проблеми стало винахід італійським фізиком А. Пачінотті (1841 -1912) в I 1860 р. і незалежно від нього бельгійським майстром 3. Т. Грамом t (1826-1901) в 1869-1870 рр.. динамо-машини, тобто самопорушувані генератора постійного струму. Саме завдяки конструкції, запропонованої Грамом, винахід набуло поширення на практиці.
Перші електрогенератори були машинами невеликої потужності та різноманітної конструкції (генератори Ф. Хельнера - Альтене-ка-1873 р., Т. А. Едісона -1878 р. та ін.) Коефіцієнт корисної дії (ККД) цих машин був невеликий.
На початку 70-х рр.. принцип оборотності електричних машин був вже добре відомий. Ці машини могли використовуватися і як генератор, і як двигун.
У 70-80-х рр.. генератори постійного струму були настільки вдосконалені, що, по суті справи, набули основні риси сучасних машин.
Іншою передумовою стало здійснення передачі електроенергії по проводах на значні відстані. Першу передачу електроенергії на відстань 1 км демонстрував француз І. Фонтен в 1873 р.
Однак практичного застосування цей досвід не отримав. Більше того, сам Фонтен вважав, що подібна передача енергії можлива тільки для незначних потужностей і на невелику відстань.
Теоретичні обгрунтування та основи розрахунку електропередач були зроблені в 1880 р. в роботах Д. А. Лачинова (1842-1902) та французького вченого М. Депре (1843-1918). Лачінов і Депре незалежно один від одного прийшли до висновку про можливість і економічної доцільності передачі електроенергії на великі відстані за умови підвищення напруги. У 1882 р. Депре здійснив передачу електроенергії по проводах на відстань 57 км між Мюнхеном і Місбахом. Отримавши фінансову підтримку банкіра Ротшильда, Депре побудував кілька ліній електропередачі у Франції.
Подальший розвиток передачі електричної енергії на відстань пов'язаний з ім'ям М. О. Доліво-Добровольського, який у 1888 р. винайшов систему трифазного змінного струму. У 1891 р. Доліво-Добровольський разом з інженером Броуном організував передачу електроенергії на відстань 170 км від Лауфен-на-Некар до Електротехнічній виставки у Франкфурті-на-Майні. Цю подію можна вважати початком зародження використання трифазного струму, який викликав переворот у промисловості, транспорті та побуті.
У 1892 р. електропередача трифазного струму була здійснена у Швейцарії та Німеччині, а в 1893-у США. Перша промислова установка трифазного струму в Росії була побудована в 1893 р. для Новоросійського елеватора.
Впровадження трифазної передачі електроенергії зустріло опір в США - Едісона, в Англії - Свінберна, в Австро-Угорщини-Дері, у Швейцарії - Броуна, що спеціалізувалися на випуску машин і апаратів постійного, однофазного чи двофазного змінного струмів. Цікаво відзначити, що намічений Доліво-Добровольським у 1899 р. узагальнюючий доповідь про переваги електропередачі трифазного струму був заборонений правлінням найбільшого тресту німецької електротехнічної промисловості «АЕГ», як зачіпає інтереси цієї фірми.
Вирішення питання про електропередачі на значні відстані на основі практичного використання системи трифазного змінного струму дозволило сконцентрувати виробництво електроенергії на особливих підприємствах - електростанціях, де в якості первинних генераторів служили теплові або водяні двигуни.
Слід зауважити, що спорудження перших електричних станцій відноситься до кінця 70 - початку 80-х рр.. Ці електростанції (блок-станції, як їх тоді називали), які виготовляли постійний струм, могли забезпечити обмежене число споживачів, висвітлити невеликі райони міста (див. докладніше в гл. 5). Саме в цьому крився недолік використання постійного струму.
У 80-х рр.. почали будувати електричні станції змінного струму, які дозволили розширити область застосування електроенергії. У 1884 р. в Англії була пущена перша електростанція змінного струму. У 1889 р. поблизу Портленда (США) була побудована велика гідростанція однофазного змінного струму потужністю 720 кВт.
В кінці 90-х рр.. для постачання електроенергією промислових районів і міст розгорнулося широке спорудження районних електростанцій, що будувалися поблизу джерел сировини або біля річок.
Запекла боротьба розгорнулася навколо величезних джерел енергії Ніагарського водоспаду (США). Едісон пропонував будівництво електростанцій з виробництва постійного струму. Вестінгауз ратував за спорудження гідростанцій змінного струму. Здобувши за допомогою розвідки креслення генераторів змінного струму Вестінгауз, Едісон відтворив такий же і запропонував сенату свого штату законопроект про заборону змінного струму як надзвичайно небезпечного. Едісон домігся того, щоб страта на електричному стільці проводилася тільки за допомогою постійного електричного струму. Він розгорнув кампанію в газетах, де виставляв змінний струм противним людській природі, моралі і біблії, закликав не проводити в будинку змінний струм. Але все було марно. Незважаючи на всі спроби зганьбити змінний струм, він став широко використовуватися для передачі електроенергії на відстань.
У 1896 р. вступила в дію перша районна гідроелектростанція на Ніагарі. На станції були встановлені три турбіни змінного струму по 5 тис. л. с. кожна. Динамо-машини виробляли струм в 2 тис. В. Для передачі електроенергії споживачу напруга піднімалося трансформаторами до 50 тис. В. електропередач здійснювалася на відстань до 550 км.
На початку століття була відкрита потужна гідроелектростанції в Бруз (Швейцарія) напругою 7,7 тис. В. Після проходження трифазного струму через трансформатори він підвищувався до 50 тис. В і передавався на відстань 400 км. I
Ідеї спорудження гідроелектростанцій в Росії зародилися 70-і рр.. XIX ст. Військовий інженер Ф. А. Піроцький з 1874 р. неодноразово пропонував використовувати силу річок та водоспадів, розташованих недалекі до від Петербурга, для виробництва електроенергії, що може знайти використання у столиці. 1
У 1889 р. інженер В. Ф. Добротворський висловив ідею будівництва гідростанції для постачання Петербурга електрикою!
У 1892 р. російський винахідник Н. Н. Бенйрдос запропонував проект спорудження гідроелектростанцій на Неві потужністю «в десяток-другий тисяч сил». 1
У наступні роки в Росії були розроблені проекти комплексного використання річок Волхова (проект Г. О. Графтіо - 1910 р.) і Волги (проект Г. М. Кржижановського-1913р) і споруди на них гідроелектростанцій. Ці проекти були здійснені тільки за Радянської влади. 1
Перша промислова гідроелектростанція в Росії потужністю 300 кВт була побудована в 1895-1896 рр.. під керівництвом інженерів В. Н. Чиколева і Р. Е. Классона (1868-1926) для електропостачання Охтінского порохового заводу в Петербурзі. У 1899 р. були введені в експлуатацію гідроелектростанції на Бакинських нафтових каменях і на кавказькому курорті Боржомі. У 1903 р. була пущена електростанція «Білий вугілля» у Єсентуках. У 1909 р. закінчилося будівництво найбільшої в дореволюційній Росії Гіндукушской ГЕС потужністю 1350 кВт на річці Мургаб (нині територія Туркменської РСР). У 1914 р. для електропостачання Москви в Богородську (нині Ногинск) була побудована найбільша в світі теплоелектростанція «електропередач», що працювала на торфі.
У результаті спорудження районних електростанцій промислові підприємства були позбавлені від необхідності будувати власні дрібні електростанції або встановлювати свої електрогенератори.
Електроенергія проводилася на державних, міських (муніципальних), а також на приватних електростанціях, причому кількість приватних електростанцій значно перевищувала кількість державних і міських. Так, за відомостями Російського технічного товариства в 1913 р. з 20 великих були електростанцій 16 були приватними.
Електростанції виробляли електричний струм спеціально для продажу споживачам. Заводам і фабрикам стало вигідніше купувати електроенергію і направляти її до робочих машин, забезпеченим електроприводом, ніж виробляти її на власному підприємстві. Зазнав змін і електродвигун. Замість синхронного двигуна зі спеціальним збудником (або однофазного двигуна з додатковим двигуном для розгону) був винайдений асинхронний трифазний електродвигун, який починав обертатися відразу при включенні напруги. Заслуга у створенні такого двигуна (1889 р.) належить М. О.Доліво-Добровольському.
На початку 90-х рр.. XIX ст. широке поширення одержали електрифіковані машини в гірничодобувній промисловості, на металургійних заводах для виробництва прокату і для завантаження мартенівських і доменних печей.
Стали створюватися електрометалургійні і електрохімічне виробництва, засновані на використанні електронагріву. В області виробництва кольорових металів велике значення мала побудова в США в 1884 р. братами Коульс електричної печі промислового значення для відновлення алюмінію та отримання його сплавів.
Поряд з перетворенням електроенергії в механічну для промислових цілей розвиток енергетики дозволило здійснити під всерастущіх масштаби її перетворення на світлову, звукову, теплову і, нарешті, хімічну енергію.
У США в результаті концентрації і централізації монопольне значення придбала фірма «Дженерал Електрик», яка заснувала ряд дочірніх фірм у Європі.
У 1907 р. американський і німецький гіганти електрики уклали договір про розділ сфер діяльності в глобальному масштабі. Зокрема, було встановлено взаємний обмін винаходами і дослідами. Заводи обох концернів виробляли самі різні електротехнічні та інші товари: «... від кабелів і ізолятора до автомобілів і літальних апаратів».
Застосування електроенергії в різних областях промисловості і у сфері побуту справило на сучасників таке ж сильне враження, як освоєння парових машин у період промислового перевороту.
Удосконалення
парових двигунів і котельних установок.
Поршнева парова машина виступає у розглянутий період і в колишньої своєї ролі як двигун, безпосередньо приводить в
дію робочі машини за допомогою механічної передачі, і в новій ролі первинного двигуна, який приводить в дію електрогенератор (динамо-машину), енергія якого передавалася мотору. У найбільш розвинених країнах це нове застосування парових машин стає вирішальним.
Однак і сам паровий двигун, і обслуговуюча його котельна установка виявилася тепер не в змозі повністю задовольнити вимоги до них.
Для збільшення вироблення електроенергії та виконання нових завдань, поставлених промисловістю, було потрібно збільшення потужності первинних двигунів, що приводили в дію електрогенератори. Машинобудівники домоглися підвищення ККД та збільшення потужності парових машин.
Компаунд-машини подвійного і потрійного розширення досягали тепер потужності від 6 до 8 тис. л. с. Будувалися парові машини з числом обертів від 200 до 600 в хвилину, призначені спеціально для електростанцій. Дедалі більшого поширення отримувало застосування перегрітого пара. В кінці XIX ст. німецький інженер В. Шмідт винайшов новий паровий котел з пароперегрівом (температура перегріву пари в цьому казані досягала 350 °) і відповідну парову машину.
У 1908 р. інженер Штумпф в Німеччині сконструював прямоточну парову машину.
Великі успіхи відзначалися і в області котлобудування. Продуктивність парових котлів була значно збільшена, підвищено робочий тиск пари. Особливо вдалими виявилися конструкції секційних водотрубних котлів, сконструйований фірмою «Бабкок і Вількокс» в Англії, Стірлінгом в США і Гарбе в Німеччині. Великий внесок у створення котлів вніс В. Г. Шухова, розробивши надійний котел малої металоємності і володіє гарною транспортабельністю. Котел конструкції Шухова збирався на місці з окремих секцій. Поверхня нагріву найбільш великих котлів цього часу досягала 1-2 тис. м2
Однак силові установки з поршневими паровими машинам мали значні недоліки: залишалися щодо тихохідними, тоді як промисловість і транспорт відчували зростаючу потребу у швидкохідних двигунах. На виготовлення поршневих машин витрачалося багато металу, а неодноразові спроби зниження їх ваги не давали належного ефекту, хоча це уявлялося особливо важливим для зарождавшихся автомобільного транспорту й авіації.
Не вдавалося подолати і громіздкість двигунів. Так, при спорудженні в 1898 р. в Нью-Йорку електростанції потужністю 30 тис. кВт довелося встановити 12 парових машин і 87 котлів, для чого потрібно було будівля в кілька поверхів. Це зумовило розробку нових типів первинних двигунів, більш швидкохідних, компактних і економічних.
Нові теплові двигуни. Парові турбіни.
У розглянутий період вперше були створені й одержали застосування парова турбіна і двигун внутрішнього згоряння, яким призначено було зіграти в подальшому величезну роль не тільки в промисловості, але і на транспорті, в сільському господарстві, у військовій справі.
Активна парова турбіна була винайдена шведським інженером К. П. Густавом де Лавалем (1845-1913) в 1883-1889 рр.. Цікаво, що Густав де Лаваль мав намір спочатку застосувати її в молочному справі для обертання сепараторів.
У 1884-1885 рр.. англієць Ч. О. Парсонс (1854-1931) винайшов реактивну багатоступеневу парову турбіну. Подальша I робота з удосконалення цієї турбіни призвела Парсонса до створення в 1894 р. нового зразка реактивної турбіни, яка і стала основним типом парових турбін того часу.
Парові турбіни при виробництві електроенергії об'єднували на одному валу з електрогенератором. Таким чином був створений турбогенератор, випробування якого було проведено в 1890 р. на Ельберфельдской електростанції в Німеччині.
Парові турбіни продовжували удосконалюватися і далі (системи О. Рато -1899 р., Ч. Кертіса - поч. XX ст. Та ін.)
З початку XX ст. виникає систематичне фабричне виробництво парових турбін в Німеччині, Швейцарії, Чехословаччини, що входила тоді до складу Австро-Угорщини, США та Франції.
У Росії власне виробництво парових турбін і турбогенераторів було налагоджено слабо. Використовували в основному імпортне обладнання. Перший вітчизняний турбогенератор системи французького інженера О. Рато (1899) був побудований лише в 1907 р. До початку першої світової війни турбіна потужністю 1 тис. л. с. в Росії вважалася дуже великою, тоді як за кордоном будувалися парові турбіни на 40-50 тис.л. с.
Використання турбогенераторів дало можливість збільшити потужність електростанцій, підняти напругу, збільшити дальність передачі електроенергії.
Двигуни внутрішнього згоряння.
Вище ми відзначали три характерні риси технічного розвитку аналізованого періоду: застосування електроенергії в усіх галузях виробництва і побуту, витіснення заліза сталлю і зростаючі видобуток і переробки нафти. До них слід додати четверту - поширення двигунів внутрішнього згоряння, що стало необхідною передумовою для переходу деяких галузей до машинної ступені виробництва (безрейковий транспорт, сільське господарство) або навіть для самого виникнення цієї галузі (авіація).
Принцип чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, в якому горюча суміш перед займанням піддавалася попередньою стиску, було висловлено ще в 1862 р. французьким інженером Альфонсом Бо де Роша (1815-1890) в рукописній брошурі. Однак у нього не було коштів для виготовлення двигуна. Практично його ідеї використовував німецький конструктор Н. Отто (1832-Л891), що створив в 1876 р. новий тип газового двигуна. Паливом для такого двигуна служив газ, получаемийпутем простий перегонки антрациту і коксу. I
У 1883 р. всюдисущі співробітники патентного бюро виявили брошуру А. Бо де Роша і скористалися нею, щоб анулювати частину патентів Отто. I
Прагнучи підвищити потужність двигуна Отто, російський конструктор Б. Г. Луцької розробив і виготовив у 1885 р. чотиритактний багатоциліндровий двигун внутрішнього згоряння. Проте вирішальне значення для розвитку двигуна внутрішнього згоряння мав його переклад на рідке паливо. I
У середині 80-х рр.. німецькі винахідники Г. Даймлер (1834 - 1 1900) і К-Ф. Бенц (1844-1929) створили типи двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на бензині, і застосували їх на безрейковому транспорті.
В кінці 80-х рр.. проект бензинового двигуна з карбюратором потужністю 80 л. с. розробив в Росії О. С. Костович (1851 -1916), запропонувавши застосовувати цей двигун для дирижабля («аероскафа»).
У 1896-1897 рр.. німецький інженер Р. Дизель (1858-1913) створив новий тип двигуна внутрішнього згоряння з самозаймання від стиснення, розрахований на важке рідке паливо і отримав ім'я винахідника.
У 1913 р. дизель-мотори стали проводитися на ринок. У тому ж році для ведення переговорів Дизель, взявши з собою найбільш секретні документи з виготовлення двигуна, відплив до Англії. Проте до Англії він не дістався, а безслідно зник з палуби корабля при невідомих обставинах. Висловлювалися підозри, що він загинув від рук агентів німецької розвідки, опасавшейся продажу Дизелем його секретів англійцям.
Великий внесок в удосконалення дизельних двигунів внесли російські винахідники. Б. Г. Луцької проектував і будував багатоциліндрові двигуни різного призначення - автомобільні, авіаційні, суднові, човнові. У 1896 р. Г. В. Трінклер (1876-1957) побудував безкомпресорним двигун внутрішнього згоряння. У 1910 р. Р. А. Корейво (1852-1920) сконструював дизельний двигун з протилежно рухомими поршнями і передачею на два вали. А. Г. Уфімцев (1880-1936) розробив двоциліндровий, а в 1910 р. шестициліндровий карбюраторний двигун для літаків.
У Росії дизельні двигуни отримали широке поширення. Перед першою світовою війною вони вироблялися в Петербурзі, Москві, Сормова, Ризі, Ревелі, Воронежі та інших містах.
Водяні турбіни.
Поряд з використанням парових турбін в якості найбільш досконалого двигуна на теплових і гідроелектростанціях застосовуються і вдосконалені водяні (гідравлічні) турбіни. Більшість типів таких двигунів було створено ще в попередній період 1.
У розглянутий період гідротурбіни піддалися удосконалення. Після впровадження в практику ліній електропередачі були розроблені більш швидкохідні і потужні турбіни, безпосередньо сполучаються з електрогенератором.
У 1880 р. американський винахідник Л. А. Пельтон (1829 - 1908) сконструював водяну турбіну, розраховану на роботу при великих напорах води. Ковшоподібні лопатки-колеса цієї турбіни дозволяли з більшою ефективністю використовувати силу струменя води, що надходила під великим тиском по трубі.
Водяна турбіна Л. А. Пельтона знайшла широке визнання вже в 80-і рр.. XIX ст.
Поряд з нею набула поширення вдосконалена турбіна Жонваля. Потужність турбін Жонваля до 1900 р. досягла 1200 кВт в одному агрегаті і продовжувала зростати. У 1910 р. вже виготовлялися радіально-осьові турбіни потужністю 8-10 тис. кВт.
Важливим етапом у розвитку гідротурбін стали роботи чеського інженера В. Каплана (1876-1934). Ним, зокрема, були введені поворотно-лопатеві турбіни (1912-1916), які в подальшому застосовувалися на більшій частині знову споруджуються ГЕС.
Досліди з газовими турбінами.
Думка про створення газової турбіни відноситься до кінця XVIII ст., Але її довго не вдавалося здійснити.
У 1872 р. інженер Штольд запатентував в Німеччині газову турбіну, але через низький ККД турбіни проект не був реалізований.
Першу спробу створення та практичного застосування газової турбіни зробив інженер-механік російського флоту П. Д. Кузьминський (1840-Г900). У 1897 р. він побудував невелику радіальну газову турбіну. Однак смерть винахідника в 1900 р. не дозволила закінчити розпочату роботу.
У 1906 р. французькі інженери Арманго і Лемаль, російський винахідник В. В. Каравардін винайшли цілий ряд газових турбін, проте їх ККД був невеликий.
Велику роботу в галузі створення і удосконалення газових турбін виконав німецький інженер ГбльцвальД. У 1914 - 1920 рр.. він сконструював кілька газових турбін потужністю до 2 тис. л. с. з ККД 13-14%.
Всі розроблені в той період газові турбіни не знайшли широкого застосування.
Ідея використання атомної енергії.
Однією з найважливіших складових частин перевороту в природознавстві кінця XIX-початку XX ст. з'явилися успіхи атомної фізики після відкриття в 1898 р. подружжям П. і М. Кюрі явищ радіоактивного розпаду і розробки Е. Резерфордом і Ф. Содді у 1903 р: загальної теорії радіоактивності.
Біля колиски нового вчення про будову атома і його перетвореннях стояли найбільші вчені. Теоретичні результати їх досліджень мали справді революційний характер. Проте дуже довго виявлення колосальної енергії, що криється в атомах, не приводило вчених до думки про практичні можливості її використання.
Почасти це було пов'язано з тим, що тоді був відомий лише природний розпад радіоактивних речовин, а установок для здійснення штучної радіоактивності не існувало. Слід зазначити, що й значно пізніше, після побудови першого циклотрона (1932), після доповіді Ф. та І. Жоліо-Кюрі про відкриття штучної радіоактивності (1934), Е. Резерфорд висловлював сумніви, що отримання ядерної енергії в кількостях, достатніх для практичного використання, коли-небудь буде возможним1. Чи не була така позиція знаменитих учених викликана передчуттям того, що капіталістичний світ використовує цю енергію насамперед у військових, а не в творчих цілях? Чи не хотілося їм затримати атомного джина в лабораторних стінах, щоб він довше не погрожував людству?
Так чи інакше, але картину використання атомної енергії в мирних і у військових умовах уперше дав не фізик, а відомий письменник-фантаст Г. Уеллс в романі «Звільнений світ» (1913): «... Тільки через двадцять років штучно викликана радіоактивність знайшла своє практичне втілення », - пише Уеллс, відносячи початок застосування атомної енергії до 50-их рр.. XX ст. Письменник помилився лише на десятиліття. Здійснення Е. Фермі перший ланцюгової реакції в уранографітовом реакторі (на жаль, не в мирних цілях) відбулося в 1942 р. Уеллс не уявляв собі всю небезпеку для живого організму результатів атомного розпаду і показав у книзі атомний двигун як щось подібне двигуну внутрішнього згоряння. Радіоактивні відходи («побічні продукти») здавалися йому нітрохи не небезпечніше вихлопних газів автомобіля, і він наділив їх навіть привабливими рисами: «... У 1953 р. перший двигун полотно-Робертса поставив штучно викликану радіоактивність на службу промислового виробництва, замінивши парові турбіни на електростанціях. Майже негайно з'явився двигун Дасса-Тата ... Він застосовувався головним чином для автомобілів, аеропланів, гідропланів і тому подібних засобів пересування ...
До осені 1954 р. у всьому світі почався гігантський процес зміни промислових методів та обладнання ... Це процвітання багато в чому пояснилося і тим фактом, що ... одним з побічних продуктів було золото, змішане з первинної пилом вісмуту та вторинної пилом свинцю, а цей новий приплив золота цілком природно викликав підйом цін у всьому світі ».
Зрозуміло, така фантастична картина здається зараз наївною. Але ж суть не в деталях. Уеллс у 1913 р., коли капіталізм був суспільною системою, що панувала в усьому світі, прийшов до прозорливому висновку, що навіть такий, придуманий ним безпечний атомний двигун, породжують не згубну радіацію, а золотий пил, стане джерелом лих: «Людство не було готове до того, що сталося: здавалося, людське суспільство розлетиться вщент завдяки собственним2 чудовим досягненням. Адже цей процес ішов наосліп ... »Уеллс описує, як застосування атомної енергії викликало масове безробіття, загострення класових протиріч і розпалювання політиканами провідних країн шовінізму для відволікання від внутрішніх проблем:« ... Політичний устрій світу в ті роки рішуче всюди надзвичайно відставало від рівня знань, накопичених суспільством.
З ІСТОРІЇ
НА ТЕМУ: «НОВІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ В КІНЦІ XIX - ПОЧАТКУ XX СТОЛІТТЯ».
Виконала:
Учениця 9 - «А» класу
Гімназії № 1
Моркова Ольга
Джерело: В.С. Віргінський, В.Ф. Хотеенков «Нариси історії науки і техніки 1870-1917 р.р.», стор 44 -59.
Севастополь
2003
Промислове застосування електроенергії.
Однією з найбільших проблем, вирішених у розглянутий нами період, було отримання і використання електроенергії - нової енергетичної основи промисловості і транспорту.
Перехід до масового, безперервного і автоматизованого виробництва вимагав переведення системи машин на новий двигун. Ним став електропривод, (електромотор), забезпечений відповідною передачею електроенергії від генератора.
Передумовою для вирішення цієї технічної проблеми стало винахід італійським фізиком А. Пачінотті (1841 -1912) в I 1860 р. і незалежно від нього бельгійським майстром 3. Т. Грамом t (1826-1901) в 1869-1870 рр.. динамо-машини, тобто самопорушувані генератора постійного струму. Саме завдяки конструкції, запропонованої Грамом, винахід набуло поширення на практиці.
Перші електрогенератори були машинами невеликої потужності та різноманітної конструкції (генератори Ф. Хельнера - Альтене-ка-1873 р., Т. А. Едісона -1878 р. та ін.) Коефіцієнт корисної дії (ККД) цих машин був невеликий.
На початку 70-х рр.. принцип оборотності електричних машин був вже добре відомий. Ці машини могли використовуватися і як генератор, і як двигун.
У 70-80-х рр.. генератори постійного струму були настільки вдосконалені, що, по суті справи, набули основні риси сучасних машин.
Іншою передумовою стало здійснення передачі електроенергії по проводах на значні відстані. Першу передачу електроенергії на відстань 1 км демонстрував француз І. Фонтен в 1873 р.
Однак практичного застосування цей досвід не отримав. Більше того, сам Фонтен вважав, що подібна передача енергії можлива тільки для незначних потужностей і на невелику відстань.
Теоретичні обгрунтування та основи розрахунку електропередач були зроблені в 1880 р. в роботах Д. А. Лачинова (1842-1902) та французького вченого М. Депре (1843-1918). Лачінов і Депре незалежно один від одного прийшли до висновку про можливість і економічної доцільності передачі електроенергії на великі відстані за умови підвищення напруги. У 1882 р. Депре здійснив передачу електроенергії по проводах на відстань 57 км між Мюнхеном і Місбахом. Отримавши фінансову підтримку банкіра Ротшильда, Депре побудував кілька ліній електропередачі у Франції.
Подальший розвиток передачі електричної енергії на відстань пов'язаний з ім'ям М. О. Доліво-Добровольського, який у 1888 р. винайшов систему трифазного змінного струму. У 1891 р. Доліво-Добровольський разом з інженером Броуном організував передачу електроенергії на відстань 170 км від Лауфен-на-Некар до Електротехнічній виставки у Франкфурті-на-Майні. Цю подію можна вважати початком зародження використання трифазного струму, який викликав переворот у промисловості, транспорті та побуті.
У 1892 р. електропередача трифазного струму була здійснена у Швейцарії та Німеччині, а в 1893-у США. Перша промислова установка трифазного струму в Росії була побудована в 1893 р. для Новоросійського елеватора.
Впровадження трифазної передачі електроенергії зустріло опір в США - Едісона, в Англії - Свінберна, в Австро-Угорщини-Дері, у Швейцарії - Броуна, що спеціалізувалися на випуску машин і апаратів постійного, однофазного чи двофазного змінного струмів. Цікаво відзначити, що намічений Доліво-Добровольським у 1899 р. узагальнюючий доповідь про переваги електропередачі трифазного струму був заборонений правлінням найбільшого тресту німецької електротехнічної промисловості «АЕГ», як зачіпає інтереси цієї фірми.
Вирішення питання про електропередачі на значні відстані на основі практичного використання системи трифазного змінного струму дозволило сконцентрувати виробництво електроенергії на особливих підприємствах - електростанціях, де в якості первинних генераторів служили теплові або водяні двигуни.
Слід зауважити, що спорудження перших електричних станцій відноситься до кінця 70 - початку 80-х рр.. Ці електростанції (блок-станції, як їх тоді називали), які виготовляли постійний струм, могли забезпечити обмежене число споживачів, висвітлити невеликі райони міста (див. докладніше в гл. 5). Саме в цьому крився недолік використання постійного струму.
У 80-х рр.. почали будувати електричні станції змінного струму, які дозволили розширити область застосування електроенергії. У 1884 р. в Англії була пущена перша електростанція змінного струму. У 1889 р. поблизу Портленда (США) була побудована велика гідростанція однофазного змінного струму потужністю 720 кВт.
В кінці 90-х рр.. для постачання електроенергією промислових районів і міст розгорнулося широке спорудження районних електростанцій, що будувалися поблизу джерел сировини або біля річок.
Запекла боротьба розгорнулася навколо величезних джерел енергії Ніагарського водоспаду (США). Едісон пропонував будівництво електростанцій з виробництва постійного струму. Вестінгауз ратував за спорудження гідростанцій змінного струму. Здобувши за допомогою розвідки креслення генераторів змінного струму Вестінгауз, Едісон відтворив такий же і запропонував сенату свого штату законопроект про заборону змінного струму як надзвичайно небезпечного. Едісон домігся того, щоб страта на електричному стільці проводилася тільки за допомогою постійного електричного струму. Він розгорнув кампанію в газетах, де виставляв змінний струм противним людській природі, моралі і біблії, закликав не проводити в будинку змінний струм. Але все було марно. Незважаючи на всі спроби зганьбити змінний струм, він став широко використовуватися для передачі електроенергії на відстань.
У 1896 р. вступила в дію перша районна гідроелектростанція на Ніагарі. На станції були встановлені три турбіни змінного струму по 5 тис. л. с. кожна. Динамо-машини виробляли струм в 2 тис. В. Для передачі електроенергії споживачу напруга піднімалося трансформаторами до 50 тис. В. електропередач здійснювалася на відстань до 550 км.
На початку століття була відкрита потужна гідроелектростанції в Бруз (Швейцарія) напругою 7,7 тис. В. Після проходження трифазного струму через трансформатори він підвищувався до 50 тис. В і передавався на відстань 400 км. I
Ідеї спорудження гідроелектростанцій в Росії зародилися 70-і рр.. XIX ст. Військовий інженер Ф. А. Піроцький з 1874 р. неодноразово пропонував використовувати силу річок та водоспадів, розташованих недалекі до від Петербурга, для виробництва електроенергії, що може знайти використання у столиці. 1
У 1889 р. інженер В. Ф. Добротворський висловив ідею будівництва гідростанції для постачання Петербурга електрикою!
У 1892 р. російський винахідник Н. Н. Бенйрдос запропонував проект спорудження гідроелектростанцій на Неві потужністю «в десяток-другий тисяч сил». 1
У наступні роки в Росії були розроблені проекти комплексного використання річок Волхова (проект Г. О. Графтіо - 1910 р.) і Волги (проект Г. М. Кржижановського-1913р) і споруди на них гідроелектростанцій. Ці проекти були здійснені тільки за Радянської влади. 1
Перша промислова гідроелектростанція в Росії потужністю 300 кВт була побудована в 1895-1896 рр.. під керівництвом інженерів В. Н. Чиколева і Р. Е. Классона (1868-1926) для електропостачання Охтінского порохового заводу в Петербурзі. У 1899 р. були введені в експлуатацію гідроелектростанції на Бакинських нафтових каменях і на кавказькому курорті Боржомі. У 1903 р. була пущена електростанція «Білий вугілля» у Єсентуках. У 1909 р. закінчилося будівництво найбільшої в дореволюційній Росії Гіндукушской ГЕС потужністю 1350 кВт на річці Мургаб (нині територія Туркменської РСР). У 1914 р. для електропостачання Москви в Богородську (нині Ногинск) була побудована найбільша в світі теплоелектростанція «електропередач», що працювала на торфі.
У результаті спорудження районних електростанцій промислові підприємства були позбавлені від необхідності будувати власні дрібні електростанції або встановлювати свої електрогенератори.
Електроенергія проводилася на державних, міських (муніципальних), а також на приватних електростанціях, причому кількість приватних електростанцій значно перевищувала кількість державних і міських. Так, за відомостями Російського технічного товариства в 1913 р. з 20 великих були електростанцій 16 були приватними.
Електростанції виробляли електричний струм спеціально для продажу споживачам. Заводам і фабрикам стало вигідніше купувати електроенергію і направляти її до робочих машин, забезпеченим електроприводом, ніж виробляти її на власному підприємстві. Зазнав змін і електродвигун. Замість синхронного двигуна зі спеціальним збудником (або однофазного двигуна з додатковим двигуном для розгону) був винайдений асинхронний трифазний електродвигун, який починав обертатися відразу при включенні напруги. Заслуга у створенні такого двигуна (1889 р.) належить М. О.Доліво-Добровольському.
На початку 90-х рр.. XIX ст. широке поширення одержали електрифіковані машини в гірничодобувній промисловості, на металургійних заводах для виробництва прокату і для завантаження мартенівських і доменних печей.
Стали створюватися електрометалургійні і електрохімічне виробництва, засновані на використанні електронагріву. В області виробництва кольорових металів велике значення мала побудова в США в 1884 р. братами Коульс електричної печі промислового значення для відновлення алюмінію та отримання його сплавів.
Поряд з перетворенням електроенергії в механічну для промислових цілей розвиток енергетики дозволило здійснити під всерастущіх масштаби її перетворення на світлову, звукову, теплову і, нарешті, хімічну енергію.
У США в результаті концентрації і централізації монопольне значення придбала фірма «Дженерал Електрик», яка заснувала ряд дочірніх фірм у Європі.
У 1907 р. американський і німецький гіганти електрики уклали договір про розділ сфер діяльності в глобальному масштабі. Зокрема, було встановлено взаємний обмін винаходами і дослідами. Заводи обох концернів виробляли самі різні електротехнічні та інші товари: «... від кабелів і ізолятора до автомобілів і літальних апаратів».
Застосування електроенергії в різних областях промисловості і у сфері побуту справило на сучасників таке ж сильне враження, як освоєння парових машин у період промислового перевороту.
Удосконалення
парових двигунів і котельних установок.
Поршнева парова машина виступає у розглянутий період і в колишньої своєї ролі як двигун, безпосередньо приводить в
дію робочі машини за допомогою механічної передачі, і в новій ролі первинного двигуна, який приводить в дію електрогенератор (динамо-машину), енергія якого передавалася мотору. У найбільш розвинених країнах це нове застосування парових машин стає вирішальним.
Однак і сам паровий двигун, і обслуговуюча його котельна установка виявилася тепер не в змозі повністю задовольнити вимоги до них.
Для збільшення вироблення електроенергії та виконання нових завдань, поставлених промисловістю, було потрібно збільшення потужності первинних двигунів, що приводили в дію електрогенератори. Машинобудівники домоглися підвищення ККД та збільшення потужності парових машин.
Компаунд-машини подвійного і потрійного розширення досягали тепер потужності від 6 до 8 тис. л. с. Будувалися парові машини з числом обертів від 200 до 600 в хвилину, призначені спеціально для електростанцій. Дедалі більшого поширення отримувало застосування перегрітого пара. В кінці XIX ст. німецький інженер В. Шмідт винайшов новий паровий котел з пароперегрівом (температура перегріву пари в цьому казані досягала 350 °) і відповідну парову машину.
У 1908 р. інженер Штумпф в Німеччині сконструював прямоточну парову машину.
Великі успіхи відзначалися і в області котлобудування. Продуктивність парових котлів була значно збільшена, підвищено робочий тиск пари. Особливо вдалими виявилися конструкції секційних водотрубних котлів, сконструйований фірмою «Бабкок і Вількокс» в Англії, Стірлінгом в США і Гарбе в Німеччині. Великий внесок у створення котлів вніс В. Г. Шухова, розробивши надійний котел малої металоємності і володіє гарною транспортабельністю. Котел конструкції Шухова збирався на місці з окремих секцій. Поверхня нагріву найбільш великих котлів цього часу досягала 1-2 тис. м2
Однак силові установки з поршневими паровими машинам мали значні недоліки: залишалися щодо тихохідними, тоді як промисловість і транспорт відчували зростаючу потребу у швидкохідних двигунах. На виготовлення поршневих машин витрачалося багато металу, а неодноразові спроби зниження їх ваги не давали належного ефекту, хоча це уявлялося особливо важливим для зарождавшихся автомобільного транспорту й авіації.
Не вдавалося подолати і громіздкість двигунів. Так, при спорудженні в 1898 р. в Нью-Йорку електростанції потужністю 30 тис. кВт довелося встановити 12 парових машин і 87 котлів, для чого потрібно було будівля в кілька поверхів. Це зумовило розробку нових типів первинних двигунів, більш швидкохідних, компактних і економічних.
Нові теплові двигуни. Парові турбіни.
У розглянутий період вперше були створені й одержали застосування парова турбіна і двигун внутрішнього згоряння, яким призначено було зіграти в подальшому величезну роль не тільки в промисловості, але і на транспорті, в сільському господарстві, у військовій справі.
Активна парова турбіна була винайдена шведським інженером К. П. Густавом де Лавалем (1845-1913) в 1883-1889 рр.. Цікаво, що Густав де Лаваль мав намір спочатку застосувати її в молочному справі для обертання сепараторів.
У 1884-1885 рр.. англієць Ч. О. Парсонс (1854-1931) винайшов реактивну багатоступеневу парову турбіну. Подальша I робота з удосконалення цієї турбіни призвела Парсонса до створення в 1894 р. нового зразка реактивної турбіни, яка і стала основним типом парових турбін того часу.
Парові турбіни при виробництві електроенергії об'єднували на одному валу з електрогенератором. Таким чином був створений турбогенератор, випробування якого було проведено в 1890 р. на Ельберфельдской електростанції в Німеччині.
Парові турбіни продовжували удосконалюватися і далі (системи О. Рато -1899 р., Ч. Кертіса - поч. XX ст. Та ін.)
З початку XX ст. виникає систематичне фабричне виробництво парових турбін в Німеччині, Швейцарії, Чехословаччини, що входила тоді до складу Австро-Угорщини, США та Франції.
У Росії власне виробництво парових турбін і турбогенераторів було налагоджено слабо. Використовували в основному імпортне обладнання. Перший вітчизняний турбогенератор системи французького інженера О. Рато (1899) був побудований лише в 1907 р. До початку першої світової війни турбіна потужністю 1 тис. л. с. в Росії вважалася дуже великою, тоді як за кордоном будувалися парові турбіни на 40-50 тис.л. с.
Використання турбогенераторів дало можливість збільшити потужність електростанцій, підняти напругу, збільшити дальність передачі електроенергії.
Двигуни внутрішнього згоряння.
Вище ми відзначали три характерні риси технічного розвитку аналізованого періоду: застосування електроенергії в усіх галузях виробництва і побуту, витіснення заліза сталлю і зростаючі видобуток і переробки нафти. До них слід додати четверту - поширення двигунів внутрішнього згоряння, що стало необхідною передумовою для переходу деяких галузей до машинної ступені виробництва (безрейковий транспорт, сільське господарство) або навіть для самого виникнення цієї галузі (авіація).
Принцип чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння, в якому горюча суміш перед займанням піддавалася попередньою стиску, було висловлено ще в 1862 р. французьким інженером Альфонсом Бо де Роша (1815-1890) в рукописній брошурі. Однак у нього не було коштів для виготовлення двигуна. Практично його ідеї використовував німецький конструктор Н. Отто (1832-Л891), що створив в 1876 р. новий тип газового двигуна. Паливом для такого двигуна служив газ, получаемийпутем простий перегонки антрациту і коксу. I
У 1883 р. всюдисущі співробітники патентного бюро виявили брошуру А. Бо де Роша і скористалися нею, щоб анулювати частину патентів Отто. I
Прагнучи підвищити потужність двигуна Отто, російський конструктор Б. Г. Луцької розробив і виготовив у 1885 р. чотиритактний багатоциліндровий двигун внутрішнього згоряння. Проте вирішальне значення для розвитку двигуна внутрішнього згоряння мав його переклад на рідке паливо. I
У середині 80-х рр.. німецькі винахідники Г. Даймлер (1834 - 1 1900) і К-Ф. Бенц (1844-1929) створили типи двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на бензині, і застосували їх на безрейковому транспорті.
В кінці 80-х рр.. проект бензинового двигуна з карбюратором потужністю 80 л. с. розробив в Росії О. С. Костович (1851 -1916), запропонувавши застосовувати цей двигун для дирижабля («аероскафа»).
У 1896-1897 рр.. німецький інженер Р. Дизель (1858-1913) створив новий тип двигуна внутрішнього згоряння з самозаймання від стиснення, розрахований на важке рідке паливо і отримав ім'я винахідника.
У 1913 р. дизель-мотори стали проводитися на ринок. У тому ж році для ведення переговорів Дизель, взявши з собою найбільш секретні документи з виготовлення двигуна, відплив до Англії. Проте до Англії він не дістався, а безслідно зник з палуби корабля при невідомих обставинах. Висловлювалися підозри, що він загинув від рук агентів німецької розвідки, опасавшейся продажу Дизелем його секретів англійцям.
Великий внесок в удосконалення дизельних двигунів внесли російські винахідники. Б. Г. Луцької проектував і будував багатоциліндрові двигуни різного призначення - автомобільні, авіаційні, суднові, човнові. У 1896 р. Г. В. Трінклер (1876-1957) побудував безкомпресорним двигун внутрішнього згоряння. У 1910 р. Р. А. Корейво (1852-1920) сконструював дизельний двигун з протилежно рухомими поршнями і передачею на два вали. А. Г. Уфімцев (1880-1936) розробив двоциліндровий, а в 1910 р. шестициліндровий карбюраторний двигун для літаків.
У Росії дизельні двигуни отримали широке поширення. Перед першою світовою війною вони вироблялися в Петербурзі, Москві, Сормова, Ризі, Ревелі, Воронежі та інших містах.
Водяні турбіни.
Поряд з використанням парових турбін в якості найбільш досконалого двигуна на теплових і гідроелектростанціях застосовуються і вдосконалені водяні (гідравлічні) турбіни. Більшість типів таких двигунів було створено ще в попередній період 1.
У розглянутий період гідротурбіни піддалися удосконалення. Після впровадження в практику ліній електропередачі були розроблені більш швидкохідні і потужні турбіни, безпосередньо сполучаються з електрогенератором.
У 1880 р. американський винахідник Л. А. Пельтон (1829 - 1908) сконструював водяну турбіну, розраховану на роботу при великих напорах води. Ковшоподібні лопатки-колеса цієї турбіни дозволяли з більшою ефективністю використовувати силу струменя води, що надходила під великим тиском по трубі.
Водяна турбіна Л. А. Пельтона знайшла широке визнання вже в 80-і рр.. XIX ст.
Поряд з нею набула поширення вдосконалена турбіна Жонваля. Потужність турбін Жонваля до 1900 р. досягла 1200 кВт в одному агрегаті і продовжувала зростати. У 1910 р. вже виготовлялися радіально-осьові турбіни потужністю 8-10 тис. кВт.
Важливим етапом у розвитку гідротурбін стали роботи чеського інженера В. Каплана (1876-1934). Ним, зокрема, були введені поворотно-лопатеві турбіни (1912-1916), які в подальшому застосовувалися на більшій частині знову споруджуються ГЕС.
Досліди з газовими турбінами.
Думка про створення газової турбіни відноситься до кінця XVIII ст., Але її довго не вдавалося здійснити.
У 1872 р. інженер Штольд запатентував в Німеччині газову турбіну, але через низький ККД турбіни проект не був реалізований.
Першу спробу створення та практичного застосування газової турбіни зробив інженер-механік російського флоту П. Д. Кузьминський (1840-Г900). У 1897 р. він побудував невелику радіальну газову турбіну. Однак смерть винахідника в 1900 р. не дозволила закінчити розпочату роботу.
У 1906 р. французькі інженери Арманго і Лемаль, російський винахідник В. В. Каравардін винайшли цілий ряд газових турбін, проте їх ККД був невеликий.
Велику роботу в галузі створення і удосконалення газових турбін виконав німецький інженер ГбльцвальД. У 1914 - 1920 рр.. він сконструював кілька газових турбін потужністю до 2 тис. л. с. з ККД 13-14%.
Всі розроблені в той період газові турбіни не знайшли широкого застосування.
Ідея використання атомної енергії.
Однією з найважливіших складових частин перевороту в природознавстві кінця XIX-початку XX ст. з'явилися успіхи атомної фізики після відкриття в 1898 р. подружжям П. і М. Кюрі явищ радіоактивного розпаду і розробки Е. Резерфордом і Ф. Содді у 1903 р: загальної теорії радіоактивності.
Біля колиски нового вчення про будову атома і його перетвореннях стояли найбільші вчені. Теоретичні результати їх досліджень мали справді революційний характер. Проте дуже довго виявлення колосальної енергії, що криється в атомах, не приводило вчених до думки про практичні можливості її використання.
Почасти це було пов'язано з тим, що тоді був відомий лише природний розпад радіоактивних речовин, а установок для здійснення штучної радіоактивності не існувало. Слід зазначити, що й значно пізніше, після побудови першого циклотрона (1932), після доповіді Ф. та І. Жоліо-Кюрі про відкриття штучної радіоактивності (1934), Е. Резерфорд висловлював сумніви, що отримання ядерної енергії в кількостях, достатніх для практичного використання, коли-небудь буде возможним1. Чи не була така позиція знаменитих учених викликана передчуттям того, що капіталістичний світ використовує цю енергію насамперед у військових, а не в творчих цілях? Чи не хотілося їм затримати атомного джина в лабораторних стінах, щоб він довше не погрожував людству?
Так чи інакше, але картину використання атомної енергії в мирних і у військових умовах уперше дав не фізик, а відомий письменник-фантаст Г. Уеллс в романі «Звільнений світ» (1913): «... Тільки через двадцять років штучно викликана радіоактивність знайшла своє практичне втілення », - пише Уеллс, відносячи початок застосування атомної енергії до 50-их рр.. XX ст. Письменник помилився лише на десятиліття. Здійснення Е. Фермі перший ланцюгової реакції в уранографітовом реакторі (на жаль, не в мирних цілях) відбулося в 1942 р. Уеллс не уявляв собі всю небезпеку для живого організму результатів атомного розпаду і показав у книзі атомний двигун як щось подібне двигуну внутрішнього згоряння. Радіоактивні відходи («побічні продукти») здавалися йому нітрохи не небезпечніше вихлопних газів автомобіля, і він наділив їх навіть привабливими рисами: «... У 1953 р. перший двигун полотно-Робертса поставив штучно викликану радіоактивність на службу промислового виробництва, замінивши парові турбіни на електростанціях. Майже негайно з'явився двигун Дасса-Тата ... Він застосовувався головним чином для автомобілів, аеропланів, гідропланів і тому подібних засобів пересування ...
До осені 1954 р. у всьому світі почався гігантський процес зміни промислових методів та обладнання ... Це процвітання багато в чому пояснилося і тим фактом, що ... одним з побічних продуктів було золото, змішане з первинної пилом вісмуту та вторинної пилом свинцю, а цей новий приплив золота цілком природно викликав підйом цін у всьому світі ».
Зрозуміло, така фантастична картина здається зараз наївною. Але ж суть не в деталях. Уеллс у 1913 р., коли капіталізм був суспільною системою, що панувала в усьому світі, прийшов до прозорливому висновку, що навіть такий, придуманий ним безпечний атомний двигун, породжують не згубну радіацію, а золотий пил, стане джерелом лих: «Людство не було готове до того, що сталося: здавалося, людське суспільство розлетиться вщент завдяки собственним2 чудовим досягненням. Адже цей процес ішов наосліп ... »Уеллс описує, як застосування атомної енергії викликало масове безробіття, загострення класових протиріч і розпалювання політиканами провідних країн шовінізму для відволікання від внутрішніх проблем:« ... Політичний устрій світу в ті роки рішуче всюди надзвичайно відставало від рівня знань, накопичених суспільством.