История развития теплотехники реферат

Обновлено: 01.06.2024

Для истории развития энергетики характерны четыре основных периода. Первый из них начался в 1920 г., когда VIII Всероссийским съездом Советов был принят план электрификации России (ГОЭЛРО). Этим планом предусматривалось опережающее развитие энергетики, сооружение 30 крупных районных станций, использование местных топлив, развитие централизованного энергоснабжения, рациональное размещение электростанций на территории страны. Задания плана ГОЭЛРО были выполнены уже в 1931 г.

За годы Великой Отечественной войны выработка электроэнергии снизилась почти в два раза, около 60 крупных станций было разрушено. Поэтому основной задачей второго периода развития энергетики (1940-1950 г.г.) было восстановление разрушенного энергетического хозяйства.

Для третьего этапа развития энергетики (1951-1965 г.г.) характерна концентрация энергоснабжения за счет создания объединенных энергосистем, строительство мощных тепловых электростанций, сооружение первых атомных станций.

Четвертый период (с 1966 г. по настоящее время) характеризуется переходом к качественно новому уровню развития топливно-энергетического комплекса. Внедряется блочная схема компоновки электростанций, причем мощность блоков непрерывно повышается. Пар сверхкритических параметров теперь используется не только на конденсационных электростанциях (КЭС), но и на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Формируется единая энергосистема страны.

До 1975 г. в СССР проводился курс на повышение расхода газа и мазута на нужды энергетики. Это позволило в короткий срок и без значительных капитальных затрат укрепить энергетическую базу народного хозяйства. Позже было решено, что дальнейший рост энергетического потенциала Европейской части страны должен осуществляться за счет строительства гидравлических и атомных станций, а в восточных районах - за счет тепловых станций, работающих на дешевых углях.

Основные запасы органических топлив (угля, нефти, газа) расположены в восточной части страны, чаще всего в труднодоступных районах. Поэтому особое значение приобретает проблема экономии топливно-энергетических ресурсов.

Дальнейшая централизация теплоснабжения за счет строительства мощных ТЭЦ и котельных позволит получить значительную экономию топлива. Однако сооружение ТЭЦ экономически целесообразно лишь при наличии крупных централизованных потребителей теплоты. Другой путь снижения расхода топлива - применение теплонасосных установок, которые могут использовать как естественные источники теплоты, так и вторичные энергоресурсы.

До 50-х годов XIX века наука рассматривала теплоту как особое невесомое, неуничтожимое и несоздаваемое вещество, которое имело название теплород. М.В.Ломоносов был одним из первых, кто опроверг эту теорию. В своей работе “Размышление о причинах теплоты и холода”, изданной в
1774 г. он писал, что теплота является формой движения мельчайших частиц тела, заложив тем самым основы механической теории теплоты. М.В.Ломоносов один из первых высказал идею закона сохранения энергии. В его формулировке этого закона еще не содержатся количественные соотношения, но, несмотря на это, отчетливо и полно определяется сущность закона сохранения и превращения энергии.

Лишь столетие спустя этот закон благодаря работам Майера, Гельмгольца, Джоуля получил всеобщее признание. В 1842 году появилась работа естествоиспытателя Майера “Размышления о силах неживой природы”. Его формулировка первого закона термодинамики в основном была философски умозрительной. В 1847 году была издана монография немецкого врача Гельмгольца “О сохранении силы”, где подчеркивается общее значение первого начала как закона сохранения энергии, дается его математическая формулировка и приложение к технике. В 1856 году Джоуль экспериментально доказал существование этого закона.

В 1824 году появился труд французского инженера Сади Карно “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу”, в котором были заложены основы термодинамики. В этой работе он указал причины несовершенства тепловых машин, пути повышения их коэффициента полезного действия (кпд), сформулировал второй закон термодинамики, идеальный цикл тепловых машин (цикл Карно) и другие важные положения термодинамики.

В 1906 г. Нернст сформулировал третье начало термодинамики, в котором предположил, что с приближением абсолютной температуры к нулю интенсивность теплового движения и энтропия стремятся к нулю. Принцип недостижимости абсолютного нуля температур - одно из следствий известной тепловой теоремы Нернста.

Существует еще понятие так называемого нулевого начала термодинамики. Изучая явления в рамках классической термодинамики, как правило, отвлекаются от характера молекулярного и атомного строения вещества. При исследовании явлений обращают внимание исключительно на макроскопические свойства системы, которые оцениваются по опытным данным измерения макроскопическими приборами: термометрами, калориметрами, манометрами и т.д. Поэтому классическая термодинамика является феноменологической наукой. Таким образом, в классической термодинамике отвлекаются от движения микрочастиц тела и рассматривают лишь результат этого движения, который есть не что иное, как температура тела. Это и есть нулевое начало термодинамики. Оно формулируется в виде следующей аксиомы: все тела при тепловом равновесии обладают температурой. Нулевое начало является исходным положением термодинамики, так как тепловое движение происходит во всех телах. Оно неуничтожимо, как неуничтожимо всякое движение в природе.

В конце XIX века Л.Больцманом и У.Гиббсом были заложены основы статистической термодинамики. В отличие от классической термодинамики она позволяет вычислить макроскопические характеристики по данным о состоянии микрочастиц тела - их расположению, скоростях, энергии. У.Гиббс внес существенный вклад и в классическую термодинамику, разработав метод потенциалов, установив правило фаз и др.

После создания фундамента термодинамического метода началась разработка его приложений и, прежде всего, к теории тепловых машин. Большое значение имело введенное Ж.Гюи и А.Стодолой понятие работоспособности теплоты, или максимальной технической работы, которую можно получить от имеющегося количества теплоты в заданном интервале температур. В 1956 году Р.Рант дал этой величине название “эксергия”. В отличие от энтропии, всегда возрастающей в реальных процессах, в отличие от энергии, количество которой строго сохраняется (согласно первому закону термодинамики), эксергия - запас работоспособности или это то количество полезной работы, которое можно получить от имеющейся теплоты в заданном интервале температур.

Первая установка централизованного нагревания воздуха в водо-воздушной системе отопления и вентиляции была применена в XIX веке в здании Петербургской Академии художеств. Она обогревала два больших зала, объемом более 3000 куб.метров.

А в 1909 году, опять-таки в Петербурге, в здании Михайловского театра была смонтирована первая в России насосная система водяного отопления. Автором проекта этой системы был Н.П. Мельников. Тем не менее, до революции в Петербурге большинство жилых домов отапливалось с помощью дровяных печей. По данным историков, в городе незадолго до революции насчитывалось всего 102 дома (из, примерно, 40 тысяч) с центральным отоплением от местных котельных.

Официальной датой начала теплофикации города на Неве можно считать 25 ноября 1924 года, когда впервые в шестиэтажный дом на наб. реки Фонтанки было подано тепло по проложенному теплопроводу. Вскоре тепло стало поступать и в другие общественные и жилые здания, в числе которых были Обуховская больница и Казачьи бани.

К 1927 году по трубопроводам тепло стало поступать в Александрийский театр, Публичную библиотеку и Госбанк. Затем была проложена Рузовская магистраль, для теплоснабжения зданий по загородному проспекту и Рузовских казарм. ГЭС №3, от которой производилось теплоснабжение всех этих зданий, была переоборудована для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Она стала первой отечественной теплоцентралью, а Ленинград – пионером теплофикации.

Новый способ обогрева помещений, без помощи дров, угля или торфа понравился горожанам, и стал быстро распространяться, (тем более, что он был наиболее эффективным и экономически выгодным). Так, если в 1928 году централизованно отапливалось всего 32 здания, а протяженность тепловых сетей в городе составляла лишь 5 километров, то в 1935 году длина тепловых сетей увеличилась до 56 километров, к которым было подключено около 400 зданий, а к 1941 году централизованным теплоснабжением обеспечивалось уже 1648 зданий. Длина сетей тогда составляла уже 75 километров.

Столь быстрому росту и развитию централизованного теплоснабжения не приходится удивляться – в конце 1931 года было принято специальное обращение ЦК и Совнаркома СССР о превращении Ленинграда в образцовый центр городского хозяйства. А через 7 лет - 17 июня 1938 года вышло Постановление СНК о создании в системе Ленсовета Топливно-энергетического управления (ТЭУ) – родоначальника сегодняшнего Топливно-энергетического комплекса города.

Наиболее тяжелыми для Топливно-энергетического управления Ленгорисполкома стали военные годы.

Война в первые же недели войны нарушила связь с поставщиками, дезорганизовала транспорт. Управление работало в режиме оперативного органа. Приходилось принимать нестандартные, но жизненно важные решения, например, слом на топливо ветхих строений и зданий. В авральном режиме работали аварийные бригады, занимаясь ликвидацией повреждений на коммуникациях, в том числе повреждений от артобстрелов.

После окончания войны Топливно-энергетическое управление Ленгорисполкома обязано было не только восстановить свое хозяйство, но и обеспечить стремительно возрастающие потребности в топливе города Ленинграда. Кроме того, с начала 50-х годов ТЭУ стало выполнять и экологические задачи, внедряя на объектах оборудование, уменьшающее выброс вредных веществ в атмосферу.

В 1962 году управлению передают Дирекцию квартальных котельных и тепловых сетей. Это стало поворотным событием в деятельности ТЭУ, определившее стержневое направление его работы на долгие годы – строительство и эксплуатация теплоисточников и тепловых сетей. Чуть позже (в середине 60-х годов) началась активная работа по автоматизации и диспетчеризации котельных…

Все эти годы оставалось неизменным лишь одно – система теплообеспечения города развивалась, становилась более совершенной, даже несмотря на непростые времена, которые переживала страна и город на Неве в 1990-е годы.

Основная масса жилых домов была оборудована печным отоплением. Печей насчитывалось свыше 500 тысяч. Элементарными коммунальными и бытовыми удобствами пользовалось население, проживающее в пределах Садового кольца и принадлежащее к зажиточным слоям.

По окончании Гражданской войны в Москве развернулось хозяйственное строительство и встал вопрос о рациональном способе теплоснабжения жилых зданий и промышленных предприятий города.

На базе принятого плана ГОЭЛРО и рекомендаций комиссии по теплофикации при Главэнерго было принято решение о централизованном теплоснабжении города на базе теплофикации.

Одновременно со строительством новых ТЭЦ проводились работы по теплофикации центра города. Еще в 1927 г. был составлен эскизный проект, а в 1931 г. от ГЭС-1 был проложен первый в Москве водяной двухтрубный трубопровод Ш250 мм по Раушской набережной, Старому Москворецкому мосту, по улице Разина (Варварка) к зданию ВСНХ на пл. Ногина (Китай-город).

С самого начала Теплосеть Мосэнерго явилась промышленной лабораторией для решения многих научных и технических проблем, связанных с разработкой и освоением теплофикационного оборудования электростанций и тепловых сетей.

В области рационализации систем теплоснабжения большое значение имели работы, выполненные Московской Теплосетью в содружестве с научно-исследовательскими организациями. К числу важнейших разработок следует отнести:

- внедрение в качестве типовой элеваторной схемы побуждения циркуляции в местных системах отопления при расчетной температуре сетевой воды до 150°С (по предложению проф. В.М. Чаплина, ВТИ);
- разработку схем присоединения абонентов горячего водоснабжения и графиков отпуска тепла при качественном регулировании (ВТИ, МЭИ, Теплосеть Мосэнерго);
- создание методов гидравлического и технико-экономического расчетов тепловых сетей и разработку основ гидравлической устойчивости их работы (проф. Б.П. Шифринсон, Теплосеть Мосэнерго).

Если в начальный период теплофикации преобладало сооружение паропроводов для теплоснабжения промышленных предприятий, то в послевоенный период был взят курс на первоочередное покрытие коммунально-бытовых потребностей в горячей воде. Районы массовой застройки, а также большинство центральных районов становились зонами сплошной теплофикации.

Новым этапом технического прогресса в области комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, начиная с 1972 г., явился ввод в эксплуатацию энергоблоков на закритические параметры пара 240 атм и 540°С с теплофикационной турбинной мощностью 250 МВт.

Наибольшее развитие теплофикация Москвы получила с началом массовой жилой застройки города, когда стали прокладываться тепловые магистрали протяженностью 20 - 30 км и диаметром 1200 - 1400 мм от новых мощных ТЭЦ, размещаемых вдоль МКАД, что потребовало разработки новых конструктивных решений. Увеличение протяженности тепломагистралей привело к сооружению ряда крупных насосно-перекачивающих станций.

В этот же период в районах жилой застройки стали сооружаться отдельно стоящие тепловые пункты (ЦТП) на группу зданий взамен строившихся ранее индивидуальных тепловых пунктов в подвалах домов, а теплопроводы прокладываться в городских коллекторах совместно с другими инженерными коммуникациями (силовые кабели, кабели связи, водопровод и др.).

Тепловые магистрали крупных диаметров и большой протяженности представляют собой сложные инженерные сооружения. Их строительство в городской застройке, в сложных гидрогеологических условиях, с пересечением водных преград, железнодорожных путей и улиц с интенсивным движением потребовало сооружения щитовых тоннелей круглого сечения, мостовых переходов и дюкеров. Наиболее распространенным типом прокладки тепловых сетей являлась канальная. Каналы выполнялись из сборного железобетона.

Наряду с навесной изоляцией теплопроводов матами из минеральной ваты широко применялась монолитная армопенобетонная теплоизоляция заводского изготовления.

Протяженность тепловых сетей в двухтрубном исчислении, находящихся на балансе на 01.01.97 г., составила 2285,8 км, в том числе водяных 2252,9 км и паровых 32,9 км, средний диаметр трубопроводов 560 мм. При этом протяженность трубопроводов диаметром 400 мм и более составляет 1550 км, в том числе ш1000 мм - 146,7 км, ш1200 мм -186,5 км и ш1400 мм - 78,3 км.

Основной тип прокладок - подземная, составляющая более 95% от общей протяженности тепловых сетей. На тепловых сетях установлена 21 крупная насосно-перекачивающая станция, 227 дренажных насосных, более 16 тыс. подземных камер, где размещено более 52 тыс. единиц запорной арматуры, в том числе 3,6 тыс. с электроприводом, около 10 тыс. единиц компенсаторов и другое оборудование. К Тепловым сетям Мосэнерго присоединено 47432 здания.

Тепловые сети покрывают 82% потребности в тепле жилищно-коммунального сектора города и обеспечивают теплоснабжение около 700 промышленных предприятий.

Развитие и внедрение солнечных тепловых установок имеет 25 - летнюю историю. В 1975 - 1979 годы, после "1 энергетического кризиса", началось широкое применение солнечных установок для получения тепловой энергии.

Основанием для этого были опасения перед растущими ценами на энергию и желание независимости от поставщиков энергии. В зависимости от колебаний цен на энергию этот процесс имел различную динамику.

После всемирных переговоров на высшем уровне, в 1992 в Рио - де - Жанейро, было утверждено использование регенеративных источников энергии в качестве государственных политических целей в рамках национальной программы защиты окружающей среды и программ защиты от вредных атмосферных воздействий и подтверждено соответствующими законами. При этом были выработаны разнообразные стратегические подходы к продолжительному развитию и внедрению регенеративных технологий.

Очень эффективная стратегия по внедрению солнечных тепловых установок была разработана в Австрии и впоследствии принята Германией, Швейцарией, Венгрией, Словенией, Чехией и Словакией.

Эта стратегия базирует на создании "групп самостроя" использующих блоки и части для сборки установки, комплектных солнечных установок, (солнечные коллектора, аккумуляторы тепла, насосы, техника автоматического управления и регулирования, трубопроводы) изготовленные на производстве. Приобретая данный набор (комплект), после короткой подготовки в соответствующем центре обучения, осуществлялся самостоятельный монтаж с помощью предоставленных напрокат наборов инструмента.

Таким образом, в Австрии до сих пор были установлены 1.240.554 m 2 солнечных коллекторов, при этом 155.980 m 2 в 1995-м году. В настоящее время ежегодный прирост составляет около 300.000 m 2 .

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Разработка теоретических основ теплотехники необходима для установления наиболее рациональных способов тепловой энергии, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов.

Теплота используется во всех областях деятельности человека. Наиболее древнее применение силы пара приписывается Архимеду, который, по словам Леонардо да Винчи изобрел паровую пушку.

Следующее по времени использование тепловой энергии принадлежит величайшему изобретателю всех времен и народов Герону Александрийскому, жившему в I веке нашей эры.

Но вклад Герона в развитие теплотехники не ограничивается эолипилом, на его счету есть и различные автоматические устройства, работающие под действием давления горячего воздуха или пара. Так устройство для автоматического открывания дверей храма по существу является прообразом паровых насосов Сэвери.

Приспособление Герона для автоматического открывания дверей храма. Огонь, зажженный в бронзовом жертвеннике, вызывает расширение воздуха в объеме υ, в результате вытесненная вода по сифону переливается в бак ξ. Он становится тяжелее, опускается и поворачивает двери на петлях. После остывания жертвенника воздух в сосуде υ разрежается, и вода перетекает в него обратно, а двери храма закрываются.

Рис. 2. Устройство для автоматического открывания дверей храма

Однако все изобретения Герона Александрийского, основанные на использовании энергии тепла остались почти невостребованными. Низкий уровень науки и техники и отсутствие потребности в тепловом двигателе у рабовладельческого общества остановили разработку тепловых машин более чем на полтора тысячелетия.

Но в конце XVII века, когда началось бурное развитие горнодобывающей, металлургической, металлообрабатывающей, станкостроительной и других отраслей производства возникла острая потребность в значительно более мощных источниках механической энергии, чем мускульная сила людей и животных, энергия воды и ветра. Внимание изобретателей обратилось к движущей силе пара или огня.

В сочинении французского архитектора Соломона де Ко (1615 г.) говорится о возможности подъема воды посредством действия огня.

Применение паровых турбин являлось очень заманчивым, так как в них сразу получается равномерное вращательное движение ротора, и нет необходимости в механизмах, преобразующих поступательное движение поршня во вращательное вала, как это происходит в паровых машинах и ДВС. Однако изготовление паровой турбины возможно только при высоком уровне технологии, наличии специальных материалов и методов очень точной обработки металлов. Кроме того, создание паровой турбины требует знания свойств пара и законов его истечения. Без всего перечисленного КПД паровых турбин находился на чрезвычайно низком уровне, и они могли играть только роль занимательных игрушек.

По этим причинам изобретатели занялись созданием более простой в изготовлении поршневой паровой машины. Открытие атмосферного давления и научно поставленные опыты Э. Торричелли, Б. Паскаля и О. фон Герике побудили использовать его в качестве движущей силы. Для этого необходимо было создать в цилиндре, снабженном поршнем разрежение. Поршень в этот момент должен находиться в крайнем положении и совершить ход под давлением воздуха. Это и легло в основу создания атмосферных машин.

Первые предложения таких машин принадлежат аббату Готфейлю (1678 – 1681 гг.) и Х. Гюйгенсу (1681). Они предложили для создания разрежения использовать не пар, а взрывы пороха внутри рабочего цилиндра и считаются пионерами, выдвинувшими идею ДВС.

Дени Папен (1647 – 1712), работавший у Гюйгенса ассистентом, убедился в опасности и неудобстве использования пороха и предложил осуществлять разрежение с помощью водяного пара. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Вода в цилиндре при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство и наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом. Двигатель Папена не мог осуществить непрерывное действие. Чтобы заставить поршень поднимать груз, необходимо было манипулировать стержнем-клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой. Недостатком машины Папена было также объединение в цилиндре функций котла, цилиндра и конденсатора. Заслугой Папена является изобретение парового котла, снабженного предохранительным клапаном, позволяющим регулировать давление пара.

Рис. 4. Схема работы парового насоса Томаса Севери

Паровой насос Томаса Севери состоял из парового котла и рабочего цилиндра. Таким образом Севери отделил котел от сосуда, где производилась конденсация. У машины было два рабочих цикла: цикл всасывания и цикл выталкивания.

Всасывание воды происходило путем конденсации пара и создания разреженного пространства над уровнем воды в сосуде. Для этого кран во всасывающей трубе открывают, а кран подачи пара и кран в напорной трубе закрывают. Затем рабочий цилиндр обливают холодной водой, и пар, находящийся в нем, начинает конденсироваться. В рабочем цилиндре создается разрежение, и в него из шахты под действием атмосферного давления поступает вода.

На цикле выталкивания рабочий обслуживающий насос открывает кран в напорной трубе и закрывает кран в подающей трубе, после чего открывает паровой кран. Вода выталкивается из рабочего цилиндра под давлением пара. Высота подъема воды зависит от давления пара, и фактически ограничивается механической прочностью всех систем. Обычно она не превышала 30 м, поэтому в глубоких шахтах приходилось ставить одну машину над другой.

Несмотря на то, что эта паровая машина стоила дорого, угрожала взрывом и обладала низкой экономичностью, она нашла широкое применение.

Впоследствии паровая машина Севери была значительно усовершенствована Джоном Теофилом Дезагюлье (1683 – 1744). Он предложил для конденсации пара впрыскивать воду внутрь цилиндра. Это позволяло значительно сократить время на конденсацию пара, и машина Севери стала работать значительно быстрее. Кроме того Дезагюлье внедрил предохранительный клапан и двухходовой распределительный кран. Машины, усовершенствованные Дезагюлье, строились до начала XIX века.

Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из все углублявшихся шахт. Более радикально эту проблему решил Томас Ньюкомен (1663 – 1729). Машина, созданная им в 1707, представляет собой искусную комбинацию идей Севери и Папена. В ней пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 г.

Однако промышленность все более остро нуждалась в универсальном двигателе, не зависящем, как водяные колеса, от места или, как ветряные, от погоды. И в 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил такую машину. Она работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим, правда, машина оставалась пароатмосферной. Изобретатель умер до пуска машины, которая после небольшой неполадки была остановлена и забыта.

В результате слава создания первого универсального паропоршневого двигателя досталась англичанину Дж. Уатту. В 1769 г. он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской водоподъемной машины: отделение конденсатора от цилиндра и использование в качестве движущей силы вместо атмосферного давления упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в 1788 г. — и центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.

Далее путь человеческой мысли ведет в созданию тепловых двигателей с газообразным рабочим телом – газовых двигателей.

В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри цилиндра. В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде.

В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня: 1-й – всасывание воздуха; 2-й – сжатие его, в конце которого подача и сгорание топлива; 3-й – рабочий ход – расширение газообразных продуктов сгорания; 4-й — выпуск их.

В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающие на светильном газе, с зажиганием от электрической искры, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их КПД 3–6 % (как и у паровых машин).

И только в 1877 г. немецкий изобретатель-коммерсант Н. Отто создает, наконец, четырехтактный ДВС с искровым зажиганием и КПД 16 – 20 %. В 1892–1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха ДВС, оказавшийся самым экономичным. В 1904 г. в России Г. В. Тринклер создает менее громоздкий и еще более экономичный бескомпрессорный дизель.

Так постепенно ДВС превосходят паровые двигатели и по компактности и по экономичности. Поиски новых конструкций двигателей возвращают изобретателей к турбинам, которые из-за отсутствия жаростойких материалов, малой точности обработки деталей и по другим причинам не разрабатывались до XIX в. Попытки создать турбинный двигатель предпринимаются во многих промышленно развитых странах. Так, за первые две трети XIX века было сделано свыше 200 предложений на постройку паровых турбин.

В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс патентует паровую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 г. шведский инженер Г. Лаваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности, ПТД стал основным двигателем электростанций.

Первый газотурбинный двигатель (ГТД) с процессом горения при постоянном давлении спроектировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский в 1897 г. В 1906 г. В. В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД — с пульсирующим процессом (горением при постоянном объеме).

Паротурбинные двигатели постепенно вытесняют все прочие в электроэнергетике. Их единичная мощность и экономичность быстро растут. В последние годы заводы серийно выпускают блоки котел — турбина мощностью 100, 150,200,300,500 и 800 МВт с КПД до 40–42 %. При этом обнаруживается, что дальнейшие затраты на увеличение единичной мощности уже почти не окупаются экономией материалов и горючего. Единичная мощность и экономичность ГТД все еще ниже, чем ПТД, поэтому их применяют для покрытия пиковых нагрузок и в особых случаях. Строятся парогазотурбинные двигатели.

На транспорте применяются все типы тепловых двигателей: на судах – паро- и газотурбинные, ДВС; в авиации – турбореактивные и реактивные; на автотранспорте, на строительных, дорожных и сельскохозяйственных машинах (включая тракторы) — ДВС.

Историю энергетики с известной долей условности можно разделить на следующие пять периодов.

Четвертый период начался в середине XX в. с освоения энергии деления ядер урана. Он закончится полным исчерпанием (или использованием в допустимой, по соображениям глобальной безопасности степени) ядерного и термоядерного топлива. В этот период будут расходоваться последние запасы невозобновляемых энергетических ресурсов Земли и проблема охраны окружающей среды станет особенно важной.

Мы живем в начале четвертого периода, основными энергетическими проблемами которого являются: воспроизводство ядерного топлива деления в реакторах на быстрых нейтронах, техническое освоение контролируемого термоядерного синтеза, все более широкое использование возобновляемых энергоресурсов, повышение доли потребления каменного угля и повышение энергетической эффективности всех типов энергетических установок и энергопотребляющих устройств.

Трудности работы с порохом заставили Папена заменить его в 1690 г. водой, подогревавшейся на дне цилиндра до образования пара. Обратно поршень опускался после конденсации пара, которую ускоряли обливанием цилиндра холодной водой или впрыскиванием ее внутрь.

В книге, выпущенной в 1698 г., Папен впервые дал правильное термодинамическое описание процессов в цилиндре своей машины, но ни ему, ни другим изобретателям не пришло в голову разделить эти процессы по разным агрегатам, что сразу повысило бы ее эффективность и решило проблему создания универсального двигателя.

Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из все углублявшихся шахт. И первое применение сила пара нашла в паровытеснительных насосах. Англичанин Сэвери получил патент на один из них в 1698 г., не имевших ни одной движущей части. Однако из-за низкой экономичности эти насосы были вытеснены паропоршневыми, разработанными в 1705—1712 гг. англичанином Т. Ньюкоменом. В них пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 г.

Однако промышленность все более остро нуждалась в универсальном двигателе, не зависящем, как водяные колеса, от места или, как ветряные, — от погоды. И в 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил такую машину. Она работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим, правда, машина оставалась пароатмосферной. Изобретатель умер до пуска машины, которая после небольшой неполадки была остановлена и забыта.

В результате слава создания первого универсального паропоршневого двигателя досталась англичанину Д. Уатту. В 1769 г. он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской водоподъемной машины: отделение конденсатора от цилиндра и использование в качестве движущей силы вместо атмосферного давления упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в 1788 г. — и центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.

Далее путь человеческой мысли ведет в созданию тепловых двигателей с газообразным рабочим телом — газовых двигателей.

В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня: 1-й — всасывание воздуха; 2-й — сжатие его, в конце которого подача и сгорание топлива; 3-й — рабочий ход — расширение газообразных продуктов сгорания; 4-й — выпуск их.

В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающие на светильном газе, с зажиганием от электрической искры, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их к. п. д. 3—6% (как и у паровых машин).

И только в 1877 г. немецкий изобретатель-коммерсант Н. Отто создает, наконец, четырехтактный ДВС с искровым зажиганием и к. п. д. 16—20%. В 1892—1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха ДВС, оказавшийся самым экономичным. В 1904 г. в России Г. В. Тринклер создает менее громоздкий и еще более экономичный бескомпрессорный дизель.

В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс патентует паровую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 г. шведский инженер Г. Л аваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности, ПТД стал основным двигателем электростанций.

Первый газо(паро)турбинный двигатель (ГТД) с процессом горения при постоянном давлении спроектировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский в 1897 г. В 1906 г. В. В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД — с пульсирующим процессом (горением при постоянном объеме).

В 1821 г. немецкий физик Т. Зеебек открывает термоэлектричество— возможность прямого превращения тепловой энергии в электрическую при нагреве одного из двух спаев цепи, состоящей из двух спаянных концами разнородных проводников. В 1834 г. французский часовщик Ж. Пельтье, пропуская электроток через такую же цепь, как и Зеебек, обнаружил обратный эффект — в зависимости от направления тока один из спаев нагревался, а другой охлаждался.

Наконец, в 1896 г. Анри Беккерель открывает естественную радиоактивность, после чего начинаются интенсивные исследования атомных ядер, приведшие к техническому освоению ядерной энергии.

Так в XIX в. закладываются основы теплоэнергетики XX в.

Паротурбинные двигатели постепенно вытесняют все прочие в электроэнергетике. Их единичная мощность и экономичность быстро растут. В последние годы заводы серийно выпускают блоки котел — турбина мощностью 100, 150,200,300,500 и800МВт с к. п. д. до40—42%. При этом обнаруживается, что дальнейшие затраты на увеличение единичной мощности уже почти не окупаются экономией материалов и горючего. Единичная мощность и экономичность ГТД все еще ниже, чем ПТД, поэтому их применяют для покрытия пиковых нагрузок и в особых случаях. Строятся парогазотурбинные двигатели.

На транспорте применяются все типы тепловых двигателей: на судах — паро- и газотурбинные, ДВС; в авиации — турбореактивные и реактивные; на автотранспорте, на строительных, дорожных и сельскохозяйственных машинах (включая тракторы) — ДВС.

Разрабатываются энергетические установки (мощностью до 200— 300 кВт) на дорогостоящих радиоактивных изотопах.

С 1958—1960 гг. на современном уровне науки и техники началось создание энергоустановок на основе давно известных явлений, позволяющих непосредственно генерировать электроэнергию: топливных элементов, термоэлектрогенераторов, магнитогазодинамических электрогенераторов, солнечных электрогенераторов и т. д. Интенсивно ведутся работы по теплофикационному использованию солнечной энергии.

Такова хронология истории теплоэнергетики, развившейся только в последние 150 лет. А как формировалась теплотехническая наука? В начальный период промышленной революции она отставала от практики, которая служила мощным стимулом ее развития.

В те же годы независимо от Больцмана создает законченную систему статистической термодинамики скромный преподаватель колледжа США Д. У. Гиббс. По цельности, глубине и охвату она превосходит теорию Больцмана, но утверждает в принципе те же идеи. В отличие от классической термодинамики, решающей задачи на основе опытных зависимостей между макроскопическими параметрами системы (температура, давление и т. п.), статистическая термодинамика позволяет вычислять макроскопические характеристики и устанавливать зависимости между ними по данным о состоянии микрочастиц систем — их расположении, скоростях, энергии. Д. У, Гиббс внес немалый вклад и в классическую термодинамику, разработав метод потенциалов, установив правило фаз и др.

Так был заложен фундамент термодинамического метода и началась разработка его приложений, прежде всего к теории тепловых машин.

Быстрый и мощный скачок в разработке теории поменял ее местами с практикой — теория стала освещать путь практике, служить указателем направлений и пределов совершенствования энерготехники. В результате на основе достижений НТР масштабы и темпы развития энергетики и потребления энергоресурсов достигли столь высоких значений, что в отдельных направлениях уже близки к предельным.

На выработку электроэнергии в развитых странах расходуется порядка 30—35 % энергоресурсов, предполагается, что к 2000 г. эта цифра вырастет до 40—50%. Остальная часть энергоресурсов идет на транспортные двигатели и на получение тепла для промышленности и отопления. При этом непосредственно используются тепловая (около 75%), механическая (около 24%), электрическая и световая (в сумме порядка 1%) энергии.

В нашей стране до революции энергетика была развита слабо. В 1913 г. мощность всех электростанций составляла порядка 1 млн. кВт, а выработка электроэнергии — до 2 млрд. кВт-ч. Интересно отметить, что 70% своей потребности в энергии Россия удовлетворяла за счет ветряных мельниц, перемалывая на них почти все свое зерно.

Энергетическое хозяйство СССР достигло уровня, для которого характерны: резко возрастающая концентрация производства энергоресурсов и электроэнергии со все большей централизацией их распределения; широкие технические возможности и экономическая целесообразность взаимозаменяемости полезных видов энергии, энергетических установок и энергоресурсов. На этой основе образовались большие системы энергетики, управляемые автоматически и включающие электроэнергетические (и входящие в них теплоснабжающие), нефтеснабжающие, газоснабжающие и углеснабжающие системы, среди которых формируется и система ядерной энергетики.

В связи с необходимостью экономить нефть и газ, запасы которых быстро истощаются, а новые месторождения требуют больших затрат для их разработок, центр тяжести переносится на использование низкокалорийных углей, ядерных топлив и гидроэнергии, пригодных лишь для электростанций. Для транспортной энергетики в будущем предполагается перерабатывать твердые органические горючие в жидкие и получать водород. Последний выгоднее, так как сжигается без загрязнения окружающей среды, потери энергии на его транспортировку ниже, чем для электроэнергии, и т. д., но его широкое применение требует дорогостоящей и длительной подготовки. В резерве остаются электрохимические аккумуляторы, которые пока не позволяют увеличить однозарядный пробег электромобиля свыше 100 км и тоже требуют немало средств для подготовки к их широкому применению. Для технологических нужд промышленности и отопления помимо водорода предполагается использовать ядерную энергию, что требует налаживания промышленного производства высокотемпературных (900— 1100° С) реакторов, которые пока имеются в единичных исследовательских экземплярах.

ГОСТ

Теплотехникой принято называть науку, исследующую методы, с помощью которых получают, трансформируют, транспортируют и применяют теплоту. Занимается она принципами действия, конструкциями тепло и парогенераторов, тепловых машин и устройств.

Роль русских ученых в возникновении и развитии теплотехники

Русские ученые, инженеры и конструкторы внесли большой вклад в развитие теплотехники.

Еще в XVIII веке М.В. Ломоносов занимался теоретическими исследованиями и эмпирическими изысканиями в области теории теплоты.

заложил основы молекулярно-кинетической теории вещества;
установил связь между теплотой и механической энергией.

осуществил фундаментальные исследования в теории теплоемкостей;
научно обосновал подземной газификации топлива;
установил существование критических температур для веществ;

К.Э. Циолковский, К.В. Кирш, А.А. Радциг, В.И. Гриневский и ряд других ученых в конце XIX начале XX веков своими трудами, подготовили основы научного проектирования для множества тепловых агрегатов:

котлов;
тепловых двигателей;
ракет и др.

В первые годы Советской власти был разработан план ГОЭЛРО (Государственный план электрификации России), в соответствии с которым за 10-15 лет было необходимо построить 30 электростанций. К 1935 году этот план был перевыполнен.

Значение теплотехники как науки

Разработка теоретических основ теплотехники необходима для:

предложения самых рациональных способов использования теплоты;
проведения анализа экономичности процессов, текущих в тепловых установках;
создания комбинаций тепловых процессов для увеличения их эффективности;
создания и совершенствование тепловых агрегатов.

Без проработки теории было бы невозможно создание мощных паро- и газотурбинных установок с высокими начальными характеристиками пара и газа, реактивных двигателей, межконтинентальных баллистических ракет и множества других тепловых установок.

Готовые работы на аналогичную тему

Различают два разных направления применения теплоты:

При энергетическом применении теплота трансформируется в механическую работу.

При технологическом использовании теплоты, она служит для целенаправленного изменения свойств разных тел. Так, изменяя тепловое состояние тела можно его расплавить или добиться затвердевания, изменить структуру, механические и физические свойства и т.д.

В настоящее время энергетика в основном занимается трансформацией теплоты в механическую работу. Механическая работа при помощи генератора превращается в электрическую энергию, которая удобна в транспортировке на расстояние. Требующуюся для этих целей теплоту получают, сжигая топливо в топках паровых котлов или в двигателях внутреннего сгорания.

В структуру теории теплотехники входят:

техническая термодинамика;
теория теплообмена.

Техническая термодинамика

Термодинамикой можно назвать науку, которая исследует энергию и ее свойства. Основой термодинамики служат два эмпирических закона: первое и второе начала термодинамики. Эта наука стала интенсивно развиваться тогда, когда были сформулированы данные законы.

Первое начало термодинамики – это приложение закона сохранения энергии к тепловым явлениям.

$\Delta Q=\Delta U+A\, \left( 1 \right)$,

где $\Delta Q$ – количество теплоты, подводимое к системе, $\Delta U$ – изменение внутренней энергии системы; $A$ – работа термодинамической системы.

Второе начало термодинамики определяет направление тепловых процессов, идущих в природе:

$\Delta S\ge 0\left( 2 \right)$.

Энтропия ($S$) в замкнутой термодинамической системе не может убывать. Развитие процессов происходит в направлении увеличения энтропии.

Круг вопросов, подверженных рассмотрению и цели исследований делят термодинамику на:

физическую (общую);
химическую;
техническую.

Физическая термодинамика дает представление об общих теоретических основах термодинамики и законах превращения энергии при разнообразных физических явлениях.

Химическая термодинамика исследует тепловые эффекты разных химических реакций, определяются условия химического равновесия и т.д.

Техническая термодинамика рассматривает применение законов термодинамики к процессам трансформации тепла и работы. Получив исчерпывающую информацию о механизме реального термодинамического процесса, можно создать его схему течения для осуществления его полного термодинамического анализа. Смысл составления такой схемы в том, что из системы всех принимающих участие в процессе тел, выделяют рабочее тело (при его помощи реализуется процесс), остальные тела рассматривают в качестве источников (или поглотителей) тепла.

Главным содержанием прикладной термодинамики является определение полезной работы процесса и количества переданной теплоты в нем.

Для глубины понимания физического смысла исследуемых процессов прикладная термодинамика совместно с методами термодинамики использует молекулярные и статистические исследования.

Теория теплообмена

Теория теплообмена – это наука, исследующая законы распространения и передачи теплоты между телами.

Выделяют три варианта теплообмена:

теплопроводность (кондукция),
конвекция,
тепловое излучение.

Теплопроводность – перенос тепла, который появляется при непосредственном контакте тел.

В жидкостях совместно с процессом теплопроводности теплота может распространяться при перемещении и перемешивании более и менее нагретых частей жидкости. Данный вид переноса теплоты называют конвекцией.

Конвективным теплообменом (теплоотдачей) называют явление теплопередачи при соприкосновении стенки с жидкостью в результате теплопроводности и далее распространение теплоты в жидкости в результате конвекции. Теплоотдачей называют и процесс, текущий в обратном направлении.

Лучеиспусканием (тепловым излучением) называют перенос энергии электромагнитными волнами между двумя излучающими поверхностями.

При тепловом излучении идет двойной переход энергии:

тепловая энергия переходит в лучистую энергию на поверхности тела, которое излучает тепло;
лучистая энергия переходит в тепло на поверхности тела, которое поглощает тепло.

Процессы теплопроводности, конвекции и лучеиспускания часто идут одновременно.

Читайте также: