Хронология событий эпохи химической теплоэнергетики.

Тысячелетиями люди пользовались тем, что теперь называется «энергия», не задумываясь над сущностью происходящего или сводя все к действию сверхъестественных сил. В течение этого периода та­кие понятия, как энергия, работа, импульс, количество движения, собственно сила и другие, обозначались чаще всего одним термином «сила». Источники всех этих сил рассматривались, как правило, в рамках соответствующих религиозных представлений.

Так было даже тогда, когда человек научился использовать энер­гию ветра и движущейся в реках воды.

Появились реальные тепловые двигатели в виде паровых машин и другие изобретения. Изложим краткую хронологию событий тех лет.

Папен (Papin) Дени (1647-1714), французский физик, один из изоб­ретателей теплового двигателя. С 1675 г. работал в Лондоне (в 1688-1707 в Германии). Изобрел паровой котел с предохранительным кла­паном (1680), несколько машин для подъема воды. В 1690 г. правильно описал замкнутый термодинамический цикл паро-атмосферного па­рового двигателя, но создать работоспособный двигатель не смог.

Ползунов Иван Иванович, сын солдата Екатеринбургской горной роты, родился в 1728 г. (по другим источникам — в 1730 г.). Его по праву называют первым российским теплотехником.

В первой половине XVIII в. в России, так же как и в других стра­нах, широко применялся универсальный двигатель — водяное коле­со.

На протяжении долгих лет, до появления теплового двигателя, именно водяное колесо использовалось для привода механизмов, позволяющих преобразовывать вращательное движение в возврат­но-поступательное и наоборот, связывать два периодически действу­ющих агрегата для непрерывной их работы.

Но постепенно становилось все более очевидным, что растущее производство в России нуждается в более мощном двигателе, не за­висящем от местных условий: водяное колесо, как известно, работает только при наличии расхода воды и перепада высот. Это хорошо понимали передовые люди своего времени, и один из них — механик Ползунов — попытался изменить ситуацию. В докладной записке к проекту теплового двигателя он писал, что наличие руды и леса в одном и том же месте не позволяет организовывать «горный промы­сел», т.к. «...редко угодные к заводам при самих рудниках, купно с лесами, места встречаются... чего для, обычно в Российском государ­стве почти все заводы на реках построены».

В 1742 г.,по окончании арифметического отделения Горной шко­лы, И.И. Ползунов был назначен на должность «механического уче­ника» Екатеринбургского завода. Здесь он впервые познакомился с основными типами горнозаводских машин и устройством водяных колес.

В 1748 г.Иван Ползунов переводится на Колывано-Воскресенс-кие заводы на Алтае. Работая в Барнауле шихтмейстером, он по кни­ге Шлаттера изучает конструкцию паровой машины Ньюкомена. В 1763 г. Ползунов представляет проект «огнедействующей» машины, в которой был впервые использован принцип сдваивания цилиндров, что обеспечивало равномерный ход машины. В рабочих цилиндрах двигались поршни, соединенные между собой цепью, перекинутой через зубчатое колесо. Автоматическое парораспределение, впервые примененное Ползуновым, позволяло подавать пар от котла к нуж­ному поршню. В то же время в другом поршне происходила конден­сация пара за счет впрыска воды, что и обеспечивало перемещение поршней в цилиндрах. Для подвода в цилиндры пара и охлаждаю­щей воды, а также для удаления конденсата из цилиндров имелось автоматически действующее клапанное устройство, механизм кото­рого состоял из двух зубчатых колес, соединенных цепью, и зубчато­го сегмента, регулирующего действие кранов посредством тяг.

С позиций сегодняшнего дня механизм представляется достаточ­но простым, но не следует забывать, что во времена Ползунова еще не существовало теории тепловых процессов, отсутствовала надежная экспериментальная база и необходимые теоретические исследо­вания.

Правда, незадолго до указанного времени, в 1745 г., М. В. Ломо­носов в работе «Размышления о причине теплоты и холода» верно определил природу тепловых явлений и опроверг ложную теорию «теплорода». В те же годы Ломоносов заложил основы кинетической теории и, применяя закон сохранения движения к тепловым явлени­ям, объяснил процесс теплообмена. Развивая теорию теплоты, Ми­хаил Васильевич пришел к утверждению закона сохранения материи и движения.

И все же работы Ломоносова, касающиеся сущности теплоты и ее распространения, не могли дать конкретных указаний для практики создания тепловых двигателей. По существу, практика шла впереди теории, в связи с чем И. И. Ползунов писал: «Теория, а особливо в воздушных и огненных делах, бывает многим слабее практики, пото­му как сила воздушного знания поныне не далеко найдена и при том еще будучи великой тьмой закрыта».

И в этих условиях именно практика решила сложную проблему превращения теплоты в механическую работу, опираясь на весьма неполные знания в области теоретической теплотехники.

После длительной борьбы Ползунову удалось склонить на свою сторону администрацию завода, и ему разрешили приступить к пост­ройке машины. Несмотря на косность чиновников и недостаток ква­лифицированных помощников, в конце 1765 г. Ползунов завершил монтаж своего уникального парового двигателя, который решено было использовать в качестве привода к воздуходувной установке

рудоплавильной печи.

В мае 1766 г.,за несколько дней до пуска машины, Иван Ползу­нов, подорвавший здоровье на тяжелых работах, скончался в возрас­те 38 лет. А установка Ползунова при первом же пуске проработала непрерывно 43 дня. За этот период она не только окупила себя, но и принесла около 12 тыс. рублей дохода. Но, несмотря на такой успех, испорченная неумелым вмешательством машина была выведена из строя и постепенно забыта. А 18 лет спустя универсальный паровой двигатель был создан англичанином Джеймсом Уаттом. Этот двига­тель получил всеобщее признание.

Следует отметить, что в 1769 г.французский инженер Кюньо по­строил трехколесную механическую повозку, снабженную котлом и двухцилиндровой паровой машиной.

Паровая машина Уатта.Впервые патент на универсальную паро­вую машину в 1784 г.получил английский изобретатель Джеймс Уатт. Как и Ползунов, Уатт не имел специального образования. Он рабо­тал мастером-инструментальщиком при университете в Глазго (Шот­ландия). Путь к всемирной славе начался с обычной рутинной рабо­ты. Ему поручили отремонтировать модель машины Ньюкомена. Работа не ладилась до тех пор, пока Уатт не понял, что виновата не модель, а принципы, на которых она была построена.

После долгих раздумий Уатт пришел к идее, которая на многие годы определила путь развития паровых машин. Основная часть его машины — чугунный цилиндр, в котором ходит поршень. Рядом с цилиндром расположен парораспределительный механизм — золот­никовая коробка, сообщающаяся с паровым котлом. Кроме котла коробка соединена еще с конденсатором и с цилиндром посредством двух окон. В коробке находится золотник — стержень с двумя клапа­нами, ведающий переменной передачей пара то с одной, то с другой стороны поршня. Разность давлений в правой и левой частях приво­дит в движение поршень. Для повышения КПД машины Уатт приме­нил конденсатор, в котором пар превращается в воду.

Давление в конденсаторе падало ниже атмосферного, что значительно увеличи­вало разность давлений, действующих на поршень. Вода из конден­сатора направлялась обратно в котел, что позволяло создать замк­нутую систему. Паровая машина Уатта сыграла исключительную роль в прогрессе мировой промышленности и транспорта. А главное ее достоинство состоит в том, что в ней был впервые использован ряд технических решений, которые не забыты до сих пор (конденсатор, золотниковая решетка и др.).

В 1774 г. Пристли и Шесле определили горение как результат со­единения веществ с кислородом.

XVIII— XIX вв.Фултон (Fulton) Роберт (1765-1815), американс­кий изобретатель. Построил (1807) первый в мире колесный пароход «Клермонт». Причем на его пароходе был использован водотрубный котел. А для первых паровозов да и впоследствии использовались дымогарные котлы, в которых дымовые газы проходили внутри тру­бок.

Стефенсон (Stephenson) Джорж (1781-1848), английский изобре­татель, положивший начало паровому железнодорожному транспор­ту. С 1814 г. строил паровозы, создал первые практически пригод­ные модели, в том числе «Ракету» (1829).

Черепановы: отец, Ефим Алексеевич (1774-1842), и сын, Мирон Ефимович (1803-1849), русские изобретатели, крепостные заводчи­ков Демидовых. Построили первый в России паровоз (1833-1834) и железную дорогу длиной 3,5 км.

После появления паровых машин с КПД до 10-15%, где теплота от сжигаемого топлива превращалась в механическую работу порш­ня (под давлением пара), кроме многозначного понятия «сила» стала рассматриваться отдельно «движущая сила огня», «живая сила». Пос­ледней начали оценивать интенсивность движения тел в виде произ­ведения массы тела т на квадрат скорости ωего движения mω².