Новые источники энергии в конце XIX - начале XX века

РЕФЕРАТ

ПО ИСТОРИИ

НА ТЕМУ: «НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В КОНЦЕ XIX – НАЧАЛЕ XX ВЕКА».

Выполнила:

Ученица 9 –«А» класса

Гимназии № 1

Моркова Ольга

Источник: В.С. Виргинский, В.Ф. Хотеенков «Очерки истории науки и техники 1870-1917 г.г.», стр. 44 -59.

Севастополь

2003

Промышленное применение электроэнергии.

 

Одной из крупнейших проблем, решенных в рассматриваемый нами период, было получение и использование электроэнергии — новой энергетической основы промышленности и транспорта.

Переход к массовому, непрерывному и автоматизированному производству требовал перевода системы машин на новый двигатель. Им стал электропривод, (электромотор), обеспеченный соответствующей передачей электроэнергии от генератора.

Предпосылкой для решения этой технической проблемы стало изобретение итальянским физиком А. Пачинотти (1841 —1912) в I 1860 г. и независимо от него бельгийским мастером 3. Т. Граммом t (1826—1901) в 1869—1870 гг. динамо-машины, т. е. самовоз­буждающегося генератора постоянного тока. Именно благодаря конструкции, предложенной Граммом, изобретение получило распространение на практике.

Первые электрогенераторы были машинами небольшой мощности и разнообразной конструкции (генераторы Ф. Хельнера — Альтене-ка—1873 г., Т. А. Эдисона—1878 г. и др.). Коэффициент полез­ного действия (КПД) этих машин был невелик.

В начале 70-х гг. принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен. Эти машины могли использоваться и в качестве генератора, и в качестве двигателя.

В 70—80-х гг. генераторы постоянного тока были настолько усовершенствованы, что, по сути дела, приобрели основные чер­ты современных машин.

Другой предпосылкой стало осуществление передачи электро­энергии по проводам на значительные расстояния. Первую передачу электроэнергии на расстояние 1 км демонстрировал фран­цуз И. Фонтен в 1873 г.

Однако практического применения этот опыт не получил. Более того, сам Фонтен считал, что подобная передача энергии возможна только для незначительных мощностей и на небольшое расстояние.

Теоретические обоснования и основы расчета электропередач были сделаны в 1880 г. в работах Д. А. Лачинова (1842—1902) и французского ученого М. Депрё (1843—1918). Лачинов и Депре независимо друг от друга пришли к выводу о возможности и эко­номической целесообразности передачи электроэнергии на боль­шие расстояния при условии повышения напряжения. В 1882 г. Депре осуществил передачу электроэнергии по проводам на рас­стояние 57 км между Мюнхеном и Мисбахом. Получив финансовую поддержку банкира Ротшильда, Депре построил несколько линий электропередачи во Франции.

Дальнейшее развитие передачи электрической энергии на рас­стояние связано с именем М. О. Доливо-Добровольского, который в 1888 г. изобрел систему трехфазного переменного тока. В 1891 г. Доливо-Добровольский вместе с инженером Броуном органи­зовал передачу электроэнергии на расстояние 170 км от Лауфена-на-Некаре до Электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне. Это событие можно считать началом зарождения исполь­зования трехфазного тока, вызвавшего переворот в промышленности, транспорте и быту.

В 1892 г. электропередача трехфазного тока была осуществ­лена в Швейцарии и Германии, а в 1893—в США. Первая промыш­ленная установка трехфазного тока в России была построена в 1893 г. для Новороссийского элеватора.

Внедрение трехфазной передачи электроэнергии встретило со­противление в США — Эдисона, в Англии — Свинберна, в Австро-Венгрии— Дери, в Швейцарии — Броуна, специализировавшихся на выпуске машин и аппаратов постоянного, однофазного или двух­фазного переменного токов. Любопытно отметить, что намеченный Доливо-Добровольским в 1899 г. обобщающий доклад о преимущест­вах электропередачи трехфазного тока был запрещен правлением крупнейшего треста германской электротехнической промышлен­ности «АЭГ», как задевающий интересы этой фирмы.

Решение вопроса об электропередаче на значительные рассто­яния на основе практического использования системы трехфазного переменного тока позволило сконцентрировать производство элек­троэнергии на особых предприятиях — электростанциях, где в ка­честве первичных генераторов служили тепловые или водяные дви­гатели.

Следует заметить, что сооружение первых электрических стан­ций относится к концу 70— началу 80-х гг. Эти электростанции (блок-станции, как их тогда называли), производившие постоян­ный ток, могли обеспечить ограниченное число потребителей, ос­ветить небольшие районы города (см. подробнее в гл. 5). Имен­но в этом крылся недостаток использования постоянного тока.

В 80-х гг. начали строить электрические станции переменного тока, которые позволили расширить область применения электро­энергии. В 1884 г. в Англии была пущена первая электростан­ция переменного тока. В 1889 г. вблизи Портленда (США) была построена крупная гидростанция однофазного переменного тока мощностью 720 кВт.

В конце 90-х гг. для снабжения электроэнергией промышлен­ных районов и городов развернулось широкое сооружение районных электростанций, строившихся вблизи источников сырья или у рек.

Ожесточенная борьба развернулась вокруг огромных источников энергии Ниагарского водопада (США). Эдисон предлагал строи­тельство электростанций по производству постоянного тока. Вестингауз ратовал за сооружение гидростанций переменного тока. Добыв с помощью разведки чертеж генераторов переменного тока Вестингауза, Эдисон воспроизвел такой же и предложил сенату своего штата законопроект о запрещении переменного тока как необычайно опасного. Эдисон добился того, чтобы казнь на электри­ческом стуле проводилась только с помощью постоянного электри­ческого тока. Он развернул кампанию в газетах, где выставлял переменный ток противным человеческой природе, морали и библии, призывал не проводить в дома переменный ток. Но все было на­прасно. Несмотря на все попытки опорочить переменный ток, он стал широко использоваться для передачи электроэнергии на рас­стояние.

В 1896 г. вступила в строй первая районная гидроэлектро­станция на Ниагаре. На станции были установлены три турбины переменного тока по 5 тыс. л. с. каждая. Динамо-машины выраба­тывали ток в 2 тыс. В. Для передачи электроэнергии потребителю напряжение поднималось трансформаторами до 50 тыс. В. Электро­передача осуществлялась на расстояние до 550 км.

В начале столетия была открыта мощная гидроэлектростанции в Брузио (Швейцария) напряжением 7,7 тыс. В. После прохождения трехфазного тока через трансформаторы он повышался до 50 тыс. В и передавался на расстояние 400 км.  I

Идеи сооружения гидроэлектростанций в России зародились 70-е гг. XIX в. Военный инженер Ф. А. Пироцкий с 1874 г. неоднократно предлагал использовать силу рек и водопадов, расположенных недалеки ко от Петербурга, для производства электроэнергии, могущей найти использование в столице. 1

В 1889 г. инженер В. Ф. Добротворский высказал идею строительства гидростанции для снабжения Петербурга электричеством!

В 1892 г. русский изобретатель Н. Н. Бенйрдос предложил проект постройки гидроэлектростанций на Неве мощностью «в десяток-другой тысяч сил». 1

В последующие годы в России были разработаны проекты комплексного использования рек Волхова (проект Г. О. Графтио — 1910 г.) и Волги (проект Г. М. Кржижановского—1913 г.) и сооружения на них гидроэлектростанций. Эти проекты были осуществлены только при Советской власти. 1

Первая промышленная гидроэлектростанция в России мощностью 300 кВт была построена в 1895—1896 гг. под руководством инженеров В. Н. Чиколева и Р. Э. Классона (1868—1926) для электро­снабжения Охтинского порохового завода в Петербурге. В 1899 г. были введены в эксплуатацию гидроэлектростанции на Бакинских нефтяных камнях и на кавказском курорте Боржоме. В 1903 г. бы­ла пущена электростанция «Белый уголь» в Ессентуках. В 1909 г. закончилось строительство крупнейшей в дореволюционной России Гиндукушской ГЭС мощностью 1350 кВт на реке Мургаб (ныне тер­ритория Туркменской ССР). В 1914 г. для электроснабжения Москвы в Богородске (ныне Ногинск) была построена самая крупная в мире теплоэлектростанция «Электропередача», работавшая на торфе.

В результате сооружения районных электростанций промышленные предприятия были избавлены от необходимости строить собст­венные мелкие электростанции или устанавливать свои электрогенераторы.

Электроэнергия производилась на государственных, городских (муниципальных), а также на частных электростанциях, причем ко­личество частных электростанций значительно превышало число государственных и городских. Так, по сведениям Русского техни­ческого общества в 1913 г. из 20 крупных были электростанций 16 были частными.

Электростанции производили электрический ток специально для продажи потребителям. Заводам и фабрикам стало выгоднее поку­пать электроэнергию и направлять ее к рабочим машинам, снабженным электроприводом, нежели производить ее на собственном пред­приятии. Претерпел изменения и электродвигатель. Вместо синхрон­ного двигателя со специальным возбудителем (или однофазного дви­гателя с дополнительным двигателем для разгона) был изобретен асинхронный трехфазный электродвигатель, который начинал вращаться сразу при включении напряжения. Заслуга в создании та­кого двигателя (1889 г.) принадлежит М. О.Доливо-Добровольскому.

В начале 90-х гг. XIX в. широкое распространение получили электрифицированные машины в горнодобывающей промышлен­ности, на металлургических заводах для производства проката и для загрузки мартеновских и доменных печей.

Стали создаваться электрометаллургическое и электрохимиче­ское производства, основанные на использовании электронагрева. В области производства цветных металлов большое значение имела постройка в США в 1884 г. братьями Коульс электрической печи промышленного значения для восстановления алюминия и полу­чения его сплавов.

Наряду с превращением электроэнергии в механическую для промышленных целей развитие энергетики позволило осуществить во всерастущих масштабах ее превращение в световую, звуковую, теп­ловую и, наконец, химическую энергию.

В США в результате концентрации и централизации монопольное значение приобрела фирма «Дженерал Электрик», которая основала ряд дочерних фирм в Европе.

В 1907 г. американский и германский гиганты электричества заключили договор о разделе сфер деятельности в глобальном масштабе. В частности, был установлен взаимный обмен изобре­тениями и опытами. Заводы обоих концернов вырабатывали самые различные электротехнические и иные товары: «...от кабелей и изолятора до автомобилей и летательных аппаратов».

Применение электроэнергии в различных областях промышлен­ности и в сфере быта произвело на современников такое же силь­ное впечатление, как освоение паровых машин в период промыш­ленного переворота.

Совершенствование

паровых двигателей и котельных установок.

Поршневая паровая машина выступает в рассматриваемый период и в прежней своей роли как двигатель, непосредственно приводящий в

действие рабочие машины посредством механической передачи, и в новой роли первичного двигателя, приводящего в действие электро­генератор (динамо-машину), энергия которого передавалась мо­тору. В наиболее развитых странах это новое применение паро­вых машин становится решающим.

Однако и сам паровой двигатель, и обслуживающая его ко­тельная установка оказалась теперь не в состоянии полностью удовлетворить предъявляемые к ним требования.

Для увеличения выработки электроэнергии и выполнения новых задач, поставленных промышленностью, требовалось увеличение мощности первичных двигателей, приводивших в действие электро­генераторы. Машиностроители добились повышения КПД и увеличе­ния мощности паровых машин.

Компаунд-машины двойного и тройного расширения достигали теперь мощности от 6 до 8 тыс. л. с. Строились паровые машины с числом оборотов от 200 до 600 в минуту, предназначенные спе­циально для электростанций. Все большее распространение полу­чало применение перегретого пара. В конце XIX в. немецкий ин­женер В. Шмидт изобрел новый паровой котел с пароперегревате­лем (температура перегрева пара в этом котле достигала 350°) и соответствующую паровую машину.

В 1908 г. инженер Штумпф в Германии сконструировал прямо­точную паровую машину.

Большие успехи отмечались и в области котлостроения. Производительность паровых котлов была значительно увеличена, повышено рабочее давление пара. Особенно удачными оказались конструкции секционных водотрубных котлов, сконструированный фирмой «Бабкок и Вилькокс» в Англии, Стирлингом в США и Гарбе в Германии. Большой вклад в создание котлов внес В. Г. Шухова, разработав надежный котел малой металлоемкости и обладающий хорошей транспортабельностью. Котел конструкции Шухова собирался на месте из отдельных секций. Поверхность нагрева наиболее крупных котлов этого времени достигала 1—2 тыс. м2

Однако силовые установки с поршневыми паровыми машинам имели значительные недостатки: оставались относительно тихоходными, тогда как промышленность и транспорт ощущали растущую потребность в быстроходных двигателях. На изготовление поршневых машин расходовалось много металла, а неоднократные попытки снижения их веса не давали должного эффекта, хотя это представлялось особенно важным для зарождавшихся автомобильного транспорта и авиации.  

Не удавалось преодолеть и громоздкость двигателей. Так, при сооружении в 1898 г. в Нью-Йорке электростанции мощностью 30 тыс. кВт пришлось установить 12 паровых машин и 87 котлов, для чего потребовалось здание в несколько этажей. Это обусловило разработку новых типов первичных двигателей, более быстроходных, компактных и экономичных.

Новые тепловые двигатели. Паровые турбины.

В рассматриваемый период впервые были созданы и получили применение паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания, которым суждено было сыграть в дальнейшем огромную роль не только в промыш­ленности, но и на транспорте, в сельском хозяйстве, в военном деле.

Активная паровая турбина была изобретена шведским инжене­ром К. П. Густавом де Лавалем (1845—1913) в 1883—1889 гг. Лю­бопытно, что Густав де Лаваль намеревался первоначально при­менить ее в молочном деле для вращения сепараторов.

В 1884—1885 гг. англичанин Ч. О. Парсонс (1854—1931) изобрел реактивную многоступенчатую паровую турбину. Дальнейшая I работа по усовершенствованию этой турбины привела Парсонса к созданию в 1894 г. нового образца реактивной турбины, которая и стала основным типом паровых турбин того времени.

Паровые турбины при производстве электроэнергии объединя­ли на одном валу с электрогенератором. Таким образом был соз­дан турбогенератор, испытание которого было проведено в 1890 г. на Эльберфельдской электростанции в Германии.

Паровые турбины продолжали совершенствоваться и дальше (системы О. Рато —1899 г., Ч. Кертиса — нач. XX в. и др.).

С начала XX в. возникает систематическое фабричное про­изводство паровых турбин в Германии, Швейцарии, Чехосло­вакии, входившей тогда в состав Австро-Венгрии, США и Фран­ции.

В России собственное производство паровых турбин и турбо­генераторов было налажено слабо. Использовали в основном им­портное оборудование. Первый отечественный турбогенератор сис­темы французского инженера О. Рато (1899) был построен лишь в 1907 г. К началу первой мировой войны турбина мощностью 1 тыс. л. с. в России считалась очень крупной, тогда как за грани­цей строились паровые турбины на 40-50 тыс.л. с.

Использование турбогенераторов дало возможность увеличить мощность электростанций, поднять напряжение, увеличить даль­ность передачи электроэнергии.

Двигатели внутреннего сгорания.

 Выше мы отмечали три характерные черты технического развития рассматриваемого периода: применение электроэнергии во всех областях производства и быта, вытеснение железа сталью и растущие добыча и переработки нефти. К ним следует добавить четвертую — распространение двигателей внутреннего сгорания, явившееся необходимой предпосылкой для перехода некоторых отраслей к машинной ступени производства (безрельсовый транспорт, сельское хозяйство) или даже для самого возникновения данной отрасли (авиация).

Принцип четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, в котором горючая смесь перед воспламенением подвергалась предварительному сжатию, был высказан еще в 1862 г. французским инженером Альфонсом Бо де Роша (1815—1890) в рукописной брошюре. Однако у него не было средств для изготовления двигателя. Практически его идеи использовал немецкий конструктор Н. А. Отто (1832—Л891), создавший в 1876 г. новый тип газового двигателя. Топливом для такого двигателя служил газ, получаемыйпутем простой перегонки антрацита и кокса. I

В 1883 г. вездесущие сотрудники патентного бюро обнаружили брошюру А. Бо де Роша и воспользовались ею, чтобы аннулировать часть патентов Отто. I

Стремясь повысить мощность двигателя Отто, русский конструктор Б. Г. Луцкой разработал и изготовил в 1885 г. четырехтактный многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Однако решающее значение для развития двигателя внутреннего сгорания имел его перевод на жидкое топливо. I

В середине 80-х гг. немецкие изобретатели Г. Даймлер (1834— 1 1900) и К- Ф. Бенц (1844—1929) создали типы двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, и применили их на безрельсовом транспорте.

В конце 80-х гг. проект бензинового двигателя с карбюрато­ром мощностью 80 л. с. разработал в России О. С. Костович (1851 —1916), предложив применять этот двигатель для дирижабля («аэроскафа»).

В 1896—1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель (1858—1913) создал новый тип двигателя внутреннего сгорания с самовоспла­менением от сжатия, рассчитанный на тяжелое жидкое топливо и получивший имя изобретателя.

В 1913 г. дизель-моторы стали производиться на рынок. В том же году для ведения переговоров Дизель, взяв с собой наи­более секретные документы по изготовлению двигателя, отплыл в Англию. Однако до Англии он не добрался, а бесследно исчез с палубы корабля при неизвестных обстоятельствах. Высказывались подозрения, что он погиб от рук агентов немецкой разведки, опасавшейся продажи Дизелем его секретов англичанам.

Большой вклад в усовершенствование дизельных двигателей вне­сли русские изобретатели. Б. Г. Луцкой проектировал и строил многоцилиндровые двигатели различного назначения — автомобильные, авиационные, судовые, лодочные. В 1896 г. Г. В. Тринклер (1876—1957) построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания. В 1910 г. Р. А. Корейво (1852—1920) сконструировал дизельный двигатель с противоположно движущимися поршнями и передачей на два вала. А. Г. Уфимцев (1880—1936) разработал двухцилиндровый, а в 1910 г. шестицилиндровый карбюраторный двигатель для самолетов.

В России дизельные двигатели получили широкое распростра­нение. Перед первой мировой войной они производились в Петер­бурге, Москве, Сормове, Риге, Ревеле, Воронеже и других горо­дах.

Водяные турбины.

Наряду с использованием паровых турбин в качестве наиболее совершенного двигателя на тепловых и гидро­электростанциях применяются и усовершенствованные водяные (гидравлические) турбины. Большинство типов таких двигателей было создано еще в предыдущий период1.

В рассматриваемый период гидротурбины подверглись усовершенствованию. После внедрения в практику линий электропередачи были разработаны более быстроходные и мощные турбины, непосред­ственно соединяемые с электрогенератором.

В 1880 г. американский изобретатель Л. А. Пёльтон (1829— 1908) сконструировал водяную турбину, рассчитанную на работу при больших напорах воды. Ковшеобразные лопатки-колеса этой турбины позволяли с большей эффективностью использовать силу струи воды, поступавшей под большим давлением по трубе.

Водяная турбина Л. А. Пельтона нашла широкое признание уже в 80-е гг. XIX в.

Наряду с ней получила распространение усовершенствованная турбина Жонваля. Мощность турбин Жонваля к 1900 г. достигла 1200 кВт в одном агрегате и продолжала расти. В 1910 г. уже изготовлялись радиально-осевые турбины мощностью 8—10 тыс. кВт.

Важным этапом в развитии гидротурбин стали работы чешско­го инженера В. Каплана (1876—1934). Им, в частности, были вве­дены поворотно-лопастные турбины (1912—1916), которые в дальнейшем применялись на большей части вновь сооружаемых ГЭС.

Опыты с газовыми турбинами.

Мысль о создании газовой тур­бины относится к концу XVIII в., но ее долго не удавалось осу­ществить.

В 1872 г. инженер Штольд запатентовал в Германии газовую турбину, но из-за низкого КПД турбины проект не был реализован.

Первую попытку создания и практического применения газовой турбины предпринял инженер-механик русского флота П. Д. Кузь­минский (1840—Г900). В 1897 г. он построил небольшую радиаль­ную газовую турбину. Однако смерть изобретателя в 1900 г. не позволила закончить начатую работу.

В 1906 г. французские инженеры Арманго и Лемаль, русский изобретатель В. В. Каравардин изобрели целый ряд газовых тур­бин, однако их КПД был невелик.

Большую работу в области создания и усовершенствования га­зовых турбин проделал немецкий инженер ГбльцвальД. В 1914— 1920 гг. он сконструировал несколько газовых турбин мощностью до 2 тыс. л. с. с КПД 13—14%.

Все разработанные в тот период газовые турбины не нашли широкого применения.

Идея использования атомной энергии.

Одной из важнейших составных частей переворота в естествознании конца XIX— нача­ла XX в. явились успехи атомной физики после открытия в 1898 г. супругами П. и М. Кюри явлений радиоактивного распада и раз­работки Э. Резерфордом и Ф. Содди в 1903 г: общей теории ра­диоактивности.

У колыбели нового учения о строении атома и его превраще­ниях стояли крупнейшие ученые. Теоретические результаты их ис­следований имели поистине революционный характер. Однако очень долго обнаружение колоссальной энергии, кроющейся в атомах, не приводило ученых к мысли о практических возможностях ее ис­пользования.

Отчасти это было связано с тем, что тогда был известен лишь естественный распад радиоактивных веществ, а установок для осуществления искусственной радиоактивности не существовало. Следует отметить, что и значительно позже, после постройки первого циклотрона (1932), после доклада Ф. и И. Жолио-Кюри об открытии искусственной радиоактивности (1934), Э. Резерфорд высказы­вал сомнения, что получение ядерной энергии в количествах, доста­точных для практического использования, когда-либо будет возмож­ным1. Не была ли такая позиция знаменитых ученых вызвана предчувствием того, что капиталистический мир использует эту энер­гию прежде всего в военных, а не в созидательных целях? Не хо­телось ли им задержать атомного джинна в лабораторных стенах, чтобы он дольше не угрожал человечеству?

Так или иначе, но картину использования атомной энергии в мирных и в военных условиях впервые дал не физик, а известный писатель-фантаст Г. Уэллс в романе «Освобожденный мир» (1913): «...Только через двадцать лет искусственно вызванная радиоак­тивность обрела свое практическое воплощение»,— пишет Уэллс, относя начало применения атомной энергии к 50-м гг. XX в. Пи­сатель ошибся лишь на десятилетие. Осуществление Э. Ферми первой цепной реакции в уранографитовом реакторе (к сожалению, не в мирных целях) произошло в 1942 г. Уэллс не представлял себе всю опасность для живого организма результатов атомного распада и показал в книге атомный двигатель как нечто подобное двигателю внутреннего сгорания. Радиоактивные отходы («по­бочные продукты») казались ему ничуть не опаснее выхлопных га­зов автомобиля, и он наделил их даже привлекательными чертами: «...В 1953 г. первый двигатель Холстена-Робертса поставил ис­кусственно вызванную радиоактивность на службу промышленному производству, заменив паровые турбины на электростанциях. Поч­ти немедленно появился двигатель Дасса-Тата... Он применялся главным образом для автомобилей, аэропланов, гидропланов и то­му подобных средств передвижения...

К осени 1954 г. во всем мире начался гигантский процесс смены промышленных методов и оборудования... Это процветание во многом объяснилось и тем фактом, что ...одним из побочных продуктов было золото, смешанное с первичной пылью висмута и вторичной пылью свинца, а этот новый приток золота совершенно естественно вызвал подъем цен во всем мире».

Разумеется, такая фантастическая картина кажется сейчас на­ивной. Но ведь суть не в деталях. Уэллс в 1913 г., когда капита­лизм был общественной системой, господствовавшей во всем ми­ре, пришел к прозорливому выводу, что даже такой, придуманный им безопасный атомный двигатель, порождающий не губительную радиацию, а золотую пыль, станет источником бедствий: «Чело­вечество не было готово к тому, что произошло: казалось, чело­веческое общество разлетится вдребезги благодаря собственным2 великолепным достижениям. Ведь этот процесс шел вслепую...» Уэллс описывает, как применение атомной энергии вызвало массо­вую безработицу, обострение классовых противоречий и разжига­ние политиканами ведущих стран шовинизма для отвлечения от внутренних проблем: «...Политическое устройство мира в те годы решительно повсюду необычайно отставало от уровня знаний, на­копленных обществом.