Развитие теплоэнергетики после промышленного переворота
Эволюция машинного производства в течение XIX в. проходила под знаком постоянно усиливавшейся капиталистической концентрации производства, сопровождавшейся технической концентрацией. Последняя выражается прежде всего в укрупнении производственных единиц машинного производства — заводов и фабрик. Отсюда воз никают два основных требования, предъявляющихся к силовым фабрично-заводским установкам: увеличение единичной мощности теплосиловых установок и увеличение их экономичности. Эти два требования, выражавшие главную тенденцию развития теплоэнергетики в течение XIX в., вызвали существенное изменение единичной мощности и экономичности теплосиловых установок. Единичная мощность теплосиловых установок возросла с 10—20 до 10000— 15 000 л. с Экономический к. п. Д.1 вырос от среднего значения порядка 5% до 15%. Приведенные изменения мощности и экономичности явились неизбежным следствием быстрого роста энергопотребления в течение XIX в. Рост установленной мощности паровых двигателей выразился громадным, числам: в 20 000 раз (с 6 000 л. с. в 1 800 г. до 120 000 000 л. с. в 1900 г.). Такой рост был бы немыслим без увеличения единичной мощности машин, возросшей в среднем в 1 000 раз. Увеличение единичной мощности двигателей сопровождалось ростом экономичности, поскольку крупные единицы, как правило, экономичнее маломощных. Всемерное увеличение к. п- д. приобрело исключительное значение, так как даже при повысившейся втрое экономичности теплосиловых установок мировое потребление топлива к концу XIX в. оценивалось уже суммой в 7 млрд. руб. золотом. Особое значение имело повышение к- п. Д. двигателей для транспортных установок. «Это условие (т. е. расход топлив), — писал М. Хотинский, автор книги «История машины, пароходов и паровозов», изданной в 1853 г.,—необычайно важно в отношении вопроса о пароходстве, одним из главных стеснений которого было огромное количество угля, которым должно запасаться для продолжительных плаваний через океан. Известно, что пароходы, плавающие через Атлантический океан в Америку, потребляют в каждый рейс около 25 ООО пудов угля...». Требования транспортных установок являлись весьма существенными вследствие их преобладавшей доли в потреблении энергии, что хорошо видно из рис. 1-6. Следует заметить, что в настоящее время в связи с громадным ростом автомобильного транспорта и авиации, доля транспорта в энергобалансе остается высокой, составляя около 40% всей потребляемой механической энергии.
Обе главные тенденции развития теплосиловых установок— увеличение единичной мощности и повышение к. п. д. — проявлялись по-разному в двух основных агрегатах теплосиловых установок XIX в.: паровых котлах и паровых машинах. Поэтому целесообразно рассмотреть более подробно процесс развития этих агрегатов. В начальный период развития паровых котлов применялся пар атмосферного давления, а поэтому забота о прочности незначительно отражалась на процессе развития котельных конструкций. Котлы Ползунова, Ньюкомена и ряда других изобретателей исходили из конструкции пи-щеварочных котлов, откуда и возник термин «котел», сохранившийся до наших дней. Рост мощности пароатмосферных двигателей вызвал к жизни первую поныне существующую и действующую тенденцию котлостроения: увеличение паропроизводительности — количества пара, производимого котлом в час, которое достигалось разным», путями.
Английский машиностроитель Д. Смитон устанавливал по два-три котла для питания паром одного цилиндра своих насосных установок. В частности, трехкотельная установка по проекту Смитона была в 1777 г. сооружена для откачивания воды из Кронштадтских морских доков. Другие конструкторы стали увеличивать активную поверхность нагрева котлов, организуя обмуровку таким образом, чтобы газы омывали не только дно, но и боковые стенки котла. Уатт сконструировал «вагонный» котел, получивший свое название по некоторому сходству со старинными вагонами (рис. 3-10) и имевший дымоходы, создававшие довольно развитую поверхность нагрева. Применение в установках Уатта давления, не превосходившего 0.25 ати, позволило получать достаточную прочность за счет слегка вогнутых днища и боковых стенок котла. Низкое давление также давало возможность при потребности в значительных количествах пара использовать опыт сооружения водогрейной аппаратуры, как это сделал американский изобретатель П. Барлоу в 1799 г. Однако если рост единичной мощности паросиловых Установок требовал повышения паропроизводительности Котлоагрегатов, то увеличение к. п. д. неизбежно приводило к конструированию более прочных котлов, так как роста к. п. д. нельзя достигнуть без повышения давления пара. Так возникла вторая поныне существующая и действующая тенденция котлостроения: увеличение давления.
Эффективность увеличения давления становилась все более очевидной уже в 30-е годы XIX в. Изобретатель парового молота английский инженер Нэсмит писал, что в паросиловых установках «..-стали применять высокое давление, ... которое заставило бы инженеров старой школы упасть в обморок от страха. Но так как экономический результат этого повышенного давления пара очень быстро обнаружился в совершенно недвусмысленной форме фунтов, шиллингов и пенсов, паровые котлы высокого давления при конденсационных машинах получили почти всеобщее распространение». Правда, в то время переход к «высоким давлениям» означал только повышение котельного давления с 0,05—0,1 до 0,5—1,0 ати, но наметившаяся тенденция развивалась ускоренно и к концу XIX в. котельные давления достигали значений порядка 13— 15 ати.
Требование к повышению давления вошло в противоречие с требованием роста паропроизводительности кот-лоагрегатов- Шар — наилучшая геометрическая форма сосуда, подвергающегося большому внутреннему давлению,— дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности необходима по возможности развитая поверхность. Наиболее приемлемой мерой для преодоления этого противоречия явилось использование цилиндра—следующей за шаром геометрической формой в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. Возник цилиндрический котел, примененный первыми наиболее решительными и смелыми приверженцами высокого давления. В 1801 г. О. Эванс в США построил паросиловую установку с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 8—10 атм. Котел Эванса имел цилиндрическую форму с цилиндрической же внутренней топкой. В 1824 г. С- В. Литвинов в Барнауле разработал оригинальную паросиловую установку высокого давления с прямоточным котлоагрегатом, состоявшим из оребренных труб. В этой установке насос высокого давления (до 50 атм) должен был подавать питательную воду в нижнюю часть котла 3, названную изобретателем «водокалителем», в которой вода перегревалась без испарения при высоком давлении, а затем через дроссель поступала в «парообразователь» 4, где она при более низком давлении мгновенно испарялась и частично перегревалась. Отработав в цилиндре высокого давления Д) паР направлялся во второй котел б, нагревавшийся отходящими газами, из которого он поступал в цилиндр низкого давления (ЦНД) 2 с меньшей влажностью. Из ЦНД пар выходил в конденсатор, а насос низкого давления в подавал конденсат во вторичный котел 6. Как видно, в предложении Литвинова имеются некоторые элементы и принципы современных паросиловых установок: ступенчатое испарение, прямоточные котлоагрегаты, регенерация тепла. Установка Литвинова не была осуществлена, так как рецензент признал ее непригодной, исходя из того, что таких конструкций нет в Англии. С ростом котельного давления и паропроизводительности необходимо было уменьшать диаметр цилиндра (прочность) и увеличивать его длину (производительность): котел превращался в трубу. Эти тенденции проявлялись в форме дробления котлов агрегатов по двум возможным направлениям: дробились или газовый тракт котла, или водяное пространство. Таким образом, определились два основных типа котлов жаротрубные и водотрубные