Головна

Тема: Історія розвитку теплотехніки

  1.  AFTER-POSTMODERNISM - сучасна (пізня) версія розвитку постмодерністської філософії-на відміну від постмодерністської класики деконструктивізму
  2.  ComNews Review: результати розвитку російського ринку мобільного інтернету за підсумками 2009 р
  3.  I. ІСТОРІЯ ГЕОЛОГІЧНОГО ВИВЧЕННЯ
  4.  I. Короткий хронологічний нарис розвитку інженерно-геологічних вишукувань в Росії і нормативно-технічної бази.
  5.  I.1. Аналіз досвіду реалізації державної молодіжної політики в Російській Федерації. Етапи розвитку державної молодіжної політики, проблеми, тенденції
  6.  I.1. Періоди розвитку римського права
  7.  I.III. Історія розвитку структурної геології

Теплотехніка - наука, яка вивчає методи отримання, перетворення, передачі і використання теплоти, а також принципи дії та конструктивні особливості теплових машин, апаратів і пристроїв. Розробка теоретичних основ теплотехніки необхідна для встановлення найбільш раціональних способів теплової енергії, аналізу економічності робочих процесів теплових установок і створення нових, найбільш досконалих типів теплових агрегатів.

Теплота використовується у всіх областях діяльності людини. Найбільш древнє застосування сили пара приписується Архімеда, який, за словами Леонардо да Вінчі винайшов парову гармату.

Наступне за часом використання теплової енергії належить превеликий винахіднику всіх часів і народів Герону Олександрійському, що жив в I столітті нашої ери.

 Мал. 1. Герона куля
 Герон куля - еоліпіл (в перекладі з грецького «кулю Еола - бога вітрів») став прообразом реактивної парової турбіни. Він представляв собою порожнистий металевий кулю з упаяними в нього на протилежних півкулях двома Г-подібними патрубками-соплами. Куля міг обертатися в трубчастих опорах. По трубках, що грає роль осей, надходив в кулю від котла, встановленого під кулею. Потім він виривався з трубок, створюючи реактивні сили, під дією яких досить швидко обертався. Побудований сучасними вченими за кресленнями Герона еоліпіл розвивав до 3500 оборотів в хвилину!

Але внесок Герона в розвиток теплотехніки не обмежується еоліпілом, на його рахунку є і різні автоматичні пристрої, що працюють під дією тиску гарячого повітря або пара. Так пристрій для автоматичного відкривання дверей храму по суті є прообразом парових насосів Севері.

Пристосування Герона для автоматичного відкривання дверей храму. Вогонь, запалений в бронзовому жертовнику, викликає розширення повітря в обсязі ?, в результаті витіснена вода по сифона переливається в бак ?. Він стає важче, опускається і повертає двері на петлях. Після охолодження жертовника повітря в посудині ? розріджується, і вода перетікає в нього назад, а двері храму закриваються.

Мал. 2. Пристрій для автоматичного відкривання дверей храму

Однак всі винаходи Герона Олександрійського, засновані на використанні енергії тепла залишилися майже незатребуваними. Низький рівень науки і техніки і відсутність потреби в тепловому двигуні у рабовласницького суспільства зупинили розробку теплових машин більш ніж на півтора тисячоліття.

Але в кінці XVII століття, коли почався бурхливий розвиток гірничодобувної, металургійної, металообробної, верстатобудування й інших галузей виробництва виникла гостра потреба в значно потужніших джерелах механічної енергії, ніж м'язова сила людей і тварин, енергія води та вітру. Увага винахідників звернулося до рушійну силу пари або вогню.

У творі французького архітектора Соломона де Ко (1615 г.) йдеться про можливість підйому води за допомогою дії вогню.

 Мал. 3. Турбіна Дж. Бранка
 В 1629 році італійський математик і інженер Джованні Бранка запропонував проект турбіни у вигляді укріпленого на вертикальній осі диска з лопатками, що обертається струменем пара, яка підводилася по дотично до дис  ку. Турбіна Бранка призначалася для приводу ткацьких верстатів, проте внаслідок малої продуктивності і дуже низькою економічності вона не отримала промислового застосування. Принцип роботи колеса Бранка ліг в основу активних парових турбін

Застосування парових турбін було дуже привабливим, оскільки в них відразу виходить рівномірний обертальний рух ротора, і немає необхідності в механізмах, що перетворюють поступальний рух поршня в обертальний вала, як це відбувається в парових машинах і ДВС. Однак виготовлення парової турбіни можливо тільки при високому рівні технології, наявності спеціальних матеріалів і методів дуже точної обробки металів. Крім того, створення парової турбіни вимагає знання властивостей пара і законів його закінчення. Без усього перерахованого ККД парових турбін знаходився на надзвичайно низькому рівні, і вони могли грати тільки роль цікавих іграшок.

З цих причин винахідники зайнялися створенням більш простий у виготовленні поршневий парової машини. Відкриття атмосферного тиску і науково поставлені досліди Е. Торрічеллі, Б. Паскаля і О. фон Геріке спонукали використовувати його в якості рушійної сили. Для цього необхідно було створити в циліндрі, забезпеченому поршнем розрідження. Поршень в цей момент повинен знаходитися в крайньому положенні і зробити хід під тиском повітря. Це і лягло в основу створення атмосферних машин.

Перші пропозиції таких машин належать абата Готфейлю (1678 - 1681 рр.) І Х. Гюйгенсу (1681). Вони запропонували для створення розрідження використовувати не пар, а вибухи пороху всередині робочого циліндра і вважається піонером, які висунули ідею ДВС.

Дені Папен (1647 - 1712), який працював у Гюйгенса асистентом, переконався в небезпеці і незручність використання пороху і запропонував здійснювати розрідження за допомогою водяної пари. У 1690 році в Марбурзі він створив паровий двигун, який здійснював корисну роботу за рахунок нагрівання і конденсації пари. Вода в циліндрі при нагріванні перетворювалася на пару і рухала поршень вгору. Через спеціальний клапан пар виштовхував повітря, а при конденсації пари створювалося розріджений простір і зовнішній тиск рухало поршень вниз. Опускаючись, поршень тягнув за собою мотузку з вантажем. Двигун Папена не міг здійснити безперервну дію. Щоб змусити поршень піднімати вантаж, необхідно було маніпулювати стрижнем-клапаном і стопором, переміщати джерело полум'я і охолоджувати циліндр водою. Недоліком машини Папена було також об'єднання в циліндрі функцій котла, циліндра і конденсатора. Заслугою Папена є винахід парового котла, оснащеного запобіжним клапаном, що дозволяє регулювати тиск пара.

З багатьох винахідників першим успіху домігся англійський механік і винахідник. Томас Севери (1650 - 1715). У 1698 році він винайшов працює без поршня паровий насос «друг рудокопів» для відкачування води з шахт.

Мал. 4. Схема роботи парового насоса Томаса Севери

Паровий насос Томаса Севери складався з парового котла і робочого циліндра. Таким чином Севери відділив котел від судини, де проводилася конденсація. У машини було два робочих циклу: цикл всмоктування і цикл виштовхування.

Всмоктування води відбувалося шляхом конденсації пара і створення розрідженого простору над рівнем води в посудині. Для цього кран у всмоктувальній трубі відкривають, а кран подачі пари і кран в напірної трубі закривають. Потім робочий циліндр обливають холодною водою, і пара, що знаходиться в ньому, починає конденсуватися. У робочому циліндрі створюється розрідження, і в нього з шахти під дією атмосферного тиску надходить вода.

На циклі виштовхування робочий обслуговуючий насос відкриває кран в напірної трубі і закриває кран в трубі, що подає, після чого відкриває паровий кран. Вода виштовхується з робочого циліндра під тиском пари. Висота підйому води залежить від тиску пари, і фактично обмежується механічною міцністю всіх систем. Зазвичай вона не перевищувала 30 м, тому в глибоких шахтах доводилося ставити одну машину над іншою.

Незважаючи на те, що ця парова машина коштувала дорого, загрожувала вибухом і володіла низькою економічністю, вона знайшла широке застосування.

Згодом парова машина Севери була значно вдосконалена Джоном Теофілом Дезагюлье (1683 - 1744). Він запропонував для конденсації пари впорскувати воду всередину циліндра. Це дозволяло значно скоротити час на конденсацію пари, і машина Севери стала працювати значно швидше. Крім того Дезагюлье впровадив запобіжний клапан і двухходовой розподільний кран. Машини, вдосконалені Дезагюлье, будувалися до початку XIX століття.

Найгострішою була тоді проблема відкачування води з все поглиблюються шахт. Більш радикально цю проблему вирішив Томас Ньюкомен (1663 - 1729). Машина, створена ним в 1707 році, являє собою майстерну комбінацію ідей Севери і Папена. У ній пар приготовлявся в окремому котлі, а поршневий двигун був відділений від відкачує воду поршневого насоса. Система клапанів регулювала надходження пара і води в циліндри. Ці машини широко застосовувалися, і остання з них була демонтована в Англії в 1934 р

Однак промисловість дедалі гостріше потребувала універсальному двигуні, не що залежить, як водяні колеса, від місця або, як вітряні, від погоди. І в 1763 р російський інженер І. ??І. Повзунів запропонував, а до 1766 р побудував таку машину. Вона працювала на вугіллі, холостий хід виключався за допомогою двох циліндрів, які працювали на загальний вал, паророзподіл було автоматичним, правда, машина залишалася пароатмосферной. Винахідник помер до пуску машини, яка після невеликої неполадки була зупинена і забута.

В результаті слава створення першого універсального паропоршневого двигуна дісталася англійцю Дж. Уатту. У 1769 році він отримав патент на удосконалення ньюкоменовской водопідйомною машини: відділення конденсатора від циліндра і використання в якості рушійної сили замість атмосферного тиску пружності пари, що подається зверху поршня. У 1782 р Уатт ввів подвійну дію (пара по черзі надходив зверху і знизу поршня), золотниковое паророзподіл, перетворення поступально-зворотного руху в обертальний, а в 1788 р - і відцентровий регулятор оборотів. Схема установки стала майже сучасної.

Число винаходів різних типів двигунів швидко зростає, пропонується чимало «вічних двигунів», і в 1775 р, за 70 років до встановлення закону збереження енергії і за 90 років до відкриття другого закону термодинаміки, Паризька Академія наук першою в світі приймає рішення їх більше не розглядати.

Далі шлях людської думки веде в створення теплових двигунів з газоподібним робочим тілом - газових двигунів.

У 1801 р француз Ф. Лебон патентує поршневий двигун, що працює на горючих газах від сухої перегонки деревини з запалюванням їх електричної іскрою і згорянням всередині циліндра. У 1805 р швейцарець І. Ріваз пропонує двигун на водні.

У 1816 р англійський священик Р. Стірлінг отримує патент на універсальну теплову машину, що складається з циліндра з двома по-різному рухомими поршнями і регенератора-теплообмінника і здатну працювати на різних паливах як двигун зовнішнього згоряння, як холодильник і як тепловий насос (обігрівач) . Низький рівень науки і техніки не дозволив тоді створити високоефективні «стирлинги», проте в наш час у цієї машини хороші] перспективи.

У 1824 р основоположник термодинаміки С. Карно пророкує робочий цикл чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), відповідний чотирьом ходам поршня: 1-й - всмоктування повітря; 2-й - стиснення його, в кінці якого подача і згоряння палива; 3-й - робочий хід - розширення газоподібних продуктів згоряння; 4-й - випуск їх.

У 1860 р французький механік Ж. Ленуар починає будувати і продавати ДВС, що працюють на світильному газі, з запалюванням від електричної іскри, але без попереднього стиснення повітря, що обмежило їх ККД 3-6% (як і у парових машин).

І тільки в 1877 р німецький винахідник-комерсант Н. Отто створює, нарешті, чотиритактний ДВС з іскровим запалюванням і ККД 16 - 20%. У 1892-1897 рр. німецький інженер Р. Дизель розробляє компресорний із запалюванням від попередньо сильно стисненого в циліндрі повітря ДВС, який опинився найекономічнішим. У 1904 р в Росії Г. В. Трінклер створює менш громіздкий і ще більш економічний бескомпрессорний дизель.

Так поступово ДВС перевершують парові двигуни і по компактності і по економічності. Пошуки нових конструкцій двигунів повертають винахідників до турбін, які через відсутність жаростійких матеріалів, малу точність обробки деталей і з інших причин не розроблялись до XIX в. Спроби створити турбінний двигун робляться в багатьох промислово розвинених країнах. Так, за перші дві третини XIX століття було зроблено понад 200 пропозицій на будівництво парових турбін.

У 1884 р англієць Ч. Парсонс патентує парову реактивну багатоступеневу турбіну. У 1889 р шведський інженер Г. Лаваль отримує в Англії патент на розширюється сопло, яке дозволяє на відміну від суживающегося перетворювати в кінетичну енергію потоку високі перепади тиску пара. У 1891 р паротурбінний двигун (ПМД) забезпечується конденсатором, що робить його більш економічним, ніж поршневий, при збереженні переваги над останнім і в питомій потужності, ПТД став основним двигуном електростанцій.

Перший газотурбінний двигун (ГТД) з процесом горіння при постійному тиску спроектував і побудував російський інженер П. Д. Кузьмінський в 1897 р У 1906 р В. В. Караводін розробив, а в 1908 р побудував і випробував більш економічний ВМД - з пульсуючим процесом (горінням при постійному обсязі).

Паротурбінні двигуни поступово витісняють всі інші в електроенергетиці. Їх одинична потужність і економічність швидко ростуть. В останні роки заводи серійно випускають блоки котел - турбіна потужністю 100, 150,200,300,500 і 800 МВт з ККД до 40-42%. При цьому виявляється, що подальші витрати на збільшення одиничної потужності вже майже не окупаються економією матеріалів і пального. Одинична потужність і економічність ГТД все ще нижче, ніж ПТД, тому їх застосовують для покриття пікових навантажень і в особливих випадках. Будуються парогазотурбінних двигуни.

На транспорті застосовуються всі типи теплових двигунів: на судах - паро- і газотурбінні, ДВС; в авіації - турбореактивні і реактивні; на автотранспорті, на будівельних, дорожніх і сільськогосподарських машинах (включаючи трактори) - ДВС.




 II період розвитку науки - середньовічний |  Загальна характеристика середньовічної науки |  Ренесанс і наукова революція |  досягнення медицини |  Загальна характеристика розвитку науки в епоху Відродження |  Наукова революція XVII століття |  поширення знань |  І аналітичний період розвитку науки. |  Революція на транспорті |  Розвиток математичного аналізу в XVIII столітті. |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати