Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Источники и производство энергии




Когда в 1800 г. истек срок основного патента Уатта, в Вели­кобритании работало немногим более 500 его двигателей, а на континенте — всего несколько дюжин. Несмотря на всю фунда­ментальность своего вклада в развитие паровой техники, двигате­ли Уатта имели множество ограничений в качестве источника ме­ханической энергии. Прежде всего, их коэффициент полезного действия был довольно низким, обычно менее 5% (т.е. они совер­шали менее 5% теоретически возможного объема работы при дан­ном объеме потребленной тепловой энергии). В среднем их мощ­ность не превышала 15 лошадиных сил, что было лишь немногим больше мощности хорошей ветряной или водяной мельницы. Они были тяжелыми, громоздкими и часто ломались. Наконец, они ра­ботали на относительно низком давлении, которое ненамного пре­вышало атмосферное, что в значительной степени ограничивало их эффективность. В качестве причин подобного положения можно указать на несовершенство научного знания, недостаточ­ную прочность металлов, использовавшихся при их изготовлении, и недостаток точных инструментов.

Следующие пятьдесят лет были свидетелями множества важ­ных усовершенствований в технологии парового двигателя. Свой вклад в ее развитие внесло использование более легких и проч­ных металлов, более точных механических инструментов, а также развитие научного знания, включая механику, металлографию, термостатику и теорию газов, а также зачатки термодинамики. Хотя возможно, что ученые больше «учились» у парового двига­теля — кульминацией чего явилось формулирование Гельмголь-цем в 1847 г. первого закона термодинамики — чем внесли вклад в его развитие, их достижения нельзя не принимать в расчет. Од­нако авторами первых усовершенствований были практики — ме­ханики и инженеры, такие как корнуолец Тревизик и американец Оливер Эванс, которые сконструировали и опробовали двигатели на высоком давлении, которые Уатт считал небезопасными и не­практичными. Эти и другие эксперименты привели к началу ис­пользования силы пара для приведения в движение пароходов и паровозов, что имело фундаментальные последствия для развития транспорта. Множество двигателей использовалось и в промыш­ленности. К 1850 г. во Франции было более 5000 стационарных паровых двигателей, в Бельгии — около 2000, в Германии —

 

242 почти 2000 и в Австрийской империи — примерно 1200. Хотя точ­ные цифры отсутствуют, возможно, что Великобритания имела больше паровых двигателей, чем все континентальные страны вместе взятые. Еще в 1838 г. только текстильная промышленность (которая, однако, была самым крупным их потребителем) исполь­зовала более 3000 двигателей. Для сравнения, Соединенные Штаты в 1838 г. имели менее 2000 стационарных паровых двига­телей во всех отраслях экономики.

Мощь и эффективность паровых двигателей также в огромной степени выросли. Двигатели мощностью от 40 до 50 л.с. были обычным явлением, а мощность некоторых превышала 250 л.с. Коэффициент полезного действия был в три раза выше, чем у лучших двигателей Уатта. Были разработаны компаунды, двига­тели двойного и тройного действия. К I860 г. большие морские компаунды могли развивать мощность в более чем 1000 л.с.

Технологический прогресс имел место и в развитии главного соперника парового двигателя на первом этапе его использова­ния — водяного колеса. С 1760-х гг., в то время как Уатт экспе­риментировал с паровым двигателем и совершенствовал его, дру­гие инженеры и изобретатели обратили свои усилия на усовер­шенствование водяного колеса. Они ввели новую, более эффек­тивную его конструкцию, а в результате падения цен на железо в употребление вошли большие цельнометаллические колеса. В на­чале XIX в. некоторые большие водяные колеса могли развивать мощность свыше 250 л.с. Более того, в 1820 — 1830 гг. француз­ские ученые и инженеры изобрели и усовершенствовали гидравли­ческую турбину, высокоэффективное устройство для превращения силы падающей воды в механическую энергию. Хотя этот факт часто не получает адекватного осмысления, но использование силы воды достигло своего пика в третьей четверти XIX в. (если не рассматривать использование гидроэлектрогенераторов, кото­рое началось позже). Только примерно после 1850 г., а в более выраженной форме после 1870 г., энергия пара окончательно по­бедила своего конкурента.

К концу XIX в. были достигнуты пределы мощности возврат­но-поступательного парового двигателя; некоторые морские ком­паунды тройного действия достигали мощности в 5000 л.с. Одна­ко даже эти громадные машины были неадекватны новейшему применению силы пара — выработке электроэнергии. Прежде всего, максимальная скорость вращения коленчатого вала, кото­рой мог достичь возвратно-поступательный двигатель, была слиш­ком низкой и не соответствовала значительно более высоким ско­ростям, которых требовала динамо-машина, или электрический ге­нератор. Кроме того, эффективной выработке электричества пре­пятствовала вибрация такого двигателя. Решение этих проблем было найдено в паровой турбине, изобретенной в 1880-х гг. бри­танским инженером Чарльзом Парсонсом и шведским изобретате-

леи Густавом де Лавалем. Новое устройство быстро совершенство-алось, и к началу XX в. стало возможным вырабатывать более 100 тыс. киловатт на одной установке.

Явление электричества было известно еще в древности, но даже в XVIII в. к нему относились как к курьезу. К концу столе­тия исследования Бенджамина Франклина в Америке и итальян­цев Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, изобретшего гальва­ническую батарею, подняли статус электричества от салонного развлечения до предмета лабораторных исследований. В 1807 г. сэр Хэмфри Дэви открыл электролиз, т.е. способность электри­ческого тока разлагать химические соединения в водных раство­рах, что дало толчок развитию гальванотехники. Следующий этап в изучении электричества связан с именами ученика Дэви Майкла Фарадея, датского физика Ханса Эрстеда и французского матема­тика Андре Ампера. В 1820 г. Эрстед обнаружил, что электричес­кий ток создает магнитное поле вокруг проводника, что привело Ампера к формулированию количественной взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В период 1820—1831 гг. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (выработки электри­ческого тока при вращении магнита внутри катушки металличес­кой проволоки) и изобрел примитивный ручной генератор. Осно­вываясь на этих открытиях, в период 1832 — 1844 гг. Сэмюэль Морзе в США создал электрический телеграф. Однако промыш­ленное использование электричества сдерживалось отсутствием экономически эффективного генератора.

Ученые и инженеры экспериментировали со множеством уст­ройств для выработки электричества, и в 1873 г. один владелец бумажной фабрики в южной Франции подсоединил свою гидрав­лическую турбину, стоявшую на реке, текущей с Альп, к динамо-машине. Это на первый взгляд простое усовершенствование имело важнейшие долговременные последствия, поскольку оно дало воз­можность регионам, не имевшим запасов угля, но богатым водны­ми ресурсами, удовлетворить свои потребности в энергии. Изобре­тение паровой турбины в последующее десятилетие ликвидирова­ло зависимость производства электричества от водных ресурсов и сдвинуло энергетический баланс вновь в пользу угля и пара. Тем не менее, развитие гидроэнергетики стало событием огромной важности для бедных углем стран, находившихся ранее в арьер­гарде промышленного развития.

Одновременно развивалось множество направлений практичес­кого применения электроэнергии. С 1840-х гг. электричество стало использоваться в гальванотехнике и в телеграфной связи. В 1850-х гг. в маяках стали применяться дуговые лампы, и к 1870-м гг. они уже использовались на множестве фабрик и складов, в театрах и в об­щественных зданиях. Совершенствование электрической лампы на­каливания, созданной почти одновременно в 1878 — 1880 гг. Джозе­фом Сваном в Англии и Томасом Эдисоном в Соединенных Шта­тах, сделало дуговые лампы устаревшими и произвело бум в элект-

рической промышленности. В течение нескольких последующих десятилетий электричество ожесточенно конкурировало с двумя другими, незадолго до этого усовершенствованными осветителя­ми — угольным газом и керосином.

Электричество имело множество иных применений, помимо ос­вещения. Оно является одной из наиболее универсальных форм энергии. В 1879 г., в том же году, когда Эдисон запатентовал свою электрическую лампу, Вернер фон Сименс в Германии изобрел электрический трамвай, имевший революционные последствия для развития общественного транспорта в бурно растущих мегаполисах того времени. В течение нескольких лет электромоторы нашли ши­рочайшее применение в промышленности, и изобретатели даже на­чинали задумываться о создании домашних электроприборов. Электричество также можно использовать для выработки тепла, в связи с чем оно нашло применение при выплавке различных метал­лов, особенно открытого незадолго до того алюминия.

Нефть является еще одним основным источником энергии, ко­торый вошел в употребление во второй половине XIX в. Хотя она была известна и спорадически использовалась и ранее, ее коммер­ческая эксплуатация началась с бурения скважины Дрейка в Ти­ту свилле, Пенсильвания, в 1859 г. Как и электричество, жидкая нефть и побочный продукт ее добычи, природный газ, использо­вались первоначально для освещения. Сырая нефть состоит из не­скольких компонентов, или «фракций». Среди них керосин счи­тался сначала наиболее ценным из-за возможности его примене­ния в осветительных лампах. Другие фракции использовались как смазочные материалы, спрос на которые быстро рос по мере рас­пространения машин с движущимися частями, а также для меди­цинских целей. Более тяжелые фракции, первоначально рассмат­риваемые как отходы, со временем стали использоваться в домаш­нем и промышленном отоплении наравне с углем и другими тра­диционными источниками энергии. Самые легкие и летучие фрак­ции, лигроин и бензин, долгое время рассматривались как опас­ные побочные продукты. Однако в это время ряд изобретателей и инженеров, особенно немцы Николас Отто, Карл Бенц и Готфрид Даймлер, проводили эксперименты с двигателями внутреннего сгорания. К 1900 г. появилось несколько вариантов таких двига­телей, большинство из которых использовало в качестве топлива один из продуктов перегонки нефти, таких как бензин и дизель­ное топливо. Самой важной областью применения двигателей внутреннего сгорания стали транспортные средства — легковые автомобили, грузовики и автобусы. В руках таких предпринима­телей, как французы Арман Пежо, Луи Рено и Андре Ситроэн, англичанин Уильям Моррис и американец Генри Форд, автомоби­лестроение превратилось в одну из самых важных отраслей про­мышленности XX в. Двигатель внутреннего сгорания имел также

245 и промышленное применение, а в XX в. он сделал возможным развитие самолетостроения.


Поможем в написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой





Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 328. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.023 сек.) русская версия | украинская версия
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7