Хронология развития теплоэнергетической техники и науки

Первое упоминание об использовании «движущей силы огня» относится к I веку до н. э. (эолипил Герона Александрийского). Речь идёт о паровой игрушке – прообразе реактивно-турбинного двигателя. Низкий уровень науки и техники и отсутствие потребности в новом двигателе остановили его разработку почти на 1700 лет.

В XVII–XVIII веках в период промышленной революции, когда началось бурное развитие горнодобывающей, металлургической, металлообрабатывающей, станкостроительной и других отраслей производства, что вызвало острую потребность в значительно более мощных и удобных силах, взоры снова обратились к «движущей силе огня».

В 1681 году ассистент Х. Гюйгенса врач и механик Д. Папен изобретает паровой котёл, снабжённый предохранительным клапаном. Чуть позже Х. Гюйгенс, развивая идею Г. Галилея о получении вакуума, предлагает для этого взрывать порох на дне цилиндра под поршнем. Обратно поршень должен был падать под действием атмосферного давления. С этим устройством родились сразу два принципа: атмосферной паровой машины и двигателя внутреннего сгорания.

Трудности работы с порохом заставили Папена заменить порох водой (1690 г.), подогревавшейся на дне цилиндра до образования пара. Обратно поршень опускался после конденсации пара, которую ускоряли обливанием цилиндра холодной водой или впрыскиванием её внутрь.

В книге, выпущенной в 1698 году, Д. Папен впервые дал правильное термодинамическое описание процессов в цилиндре своей машины, но ни ему, ни другим изобретателям не пришло в голову разделить эти процессы по разным агрегатам, что сразу повысило бы эффективность машины и решило проблему создания универсального двигателя.

Первое применение сила пара нашла в паровытеснительных насосах для откачки воды из шахт (англичанин Сэвери получил патент на один из них в 1698 году), не имевших ни одной движущейся части. Однако из-за низкой экономичности эти насосы были вытеснены паро-поршневыми, разработанными в 1705–1712 годах англичанином Т. Ньюкоменом. В них пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделён от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 году.

Однако промышленность всё более нуждалась в универсальном двигателе, не зависящем, как водяные насосы, от места, или, как ветряные, от погоды. И в 1763 году русский инженер И. И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил такую машину. Она работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим, правда, машина оставалась паро-атмосферной. Изобретатель умер до пуска машины, которая после небольшой неполадки была остановлена и забыта.

В результате слава создания первого универсального паро-поршневого двигателя досталась англичанину Джеймсу Уатту. В 1769 году он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской машины: отделение конденсатора от цилиндра и использование в качестве движущей силы вместо атмосферного давления упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 году Д. Уатт ввёл двойное действие (пар поочерёдно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в 1788 году – центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.

Число изобретений различных типов двигателей растёт быстро, предлагается немало «вечных двигателей», и в 1775 г., за 70 лет до установления закона сохранения энергии и за 90 лет до открытия второго закона термодинамики Парижская Академия наук первой в мире принимает решение их больше не рассматривать.

Далее путь человеческой мысли ведёт к созданию тепловых двигателей с газообразным рабочим телом – газовых двигателей.

В 1801 году француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри цилиндра.

В 1805 году швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде.

В 1816 году английский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по-разному движущимися поршнями и регенератора–теплообменника и способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). Низкий уровень науки и техники не позволил тогда создать высокоэффективные «стирлинги», однако в наше время у этой машины хорошие перспективы.

В 1824 году основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырёхтактного ДВС, соответствующий четырём ходам поршня: всасывание, сжатие с последующим сгоранием топлива, рабочий ход – расширение газообразных продуктов сгорания, выпуск продуктов сгорания.

В 1860 году французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающие на светильном газе с зажиганием от электрической искры, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их КПД 3…6 % (как и у паровых машин).

И только в 1877 году немецкий изобретатель–коммерсант Н. Отто создаёт, наконец, четырёхтактный ДВС с искровым зажиганием и с КПД 16…20%. В 1892–1897 годах немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный двигатель с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха, оказавшийся самым экономичным. В 1904 году в России Г.В. Тринклер создаёт менее громоздкий и ещё более экономичный бескомпрессорный дизель.

Так постепенно ДВС превосходят паровые двигатели и по компактности, и по экономичности. Поиски новых конструкций двигателей возвращают изобретателей к турбинам, которые из-за отсутствия жаростойких материалов, малой точности обработки деталей и по другим причинам не разрабатывались до конца XIX века.

В 1884 году англичанин Ч. Парсонс патентует первую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 году шведский инженер К. Г. П. де Лаваль получает в Англии патент на комбинированное сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 году паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним по удельной мощности. ПТД стал основным двигателем электростанций.

Первый газотурбинный двигатель (ГТД) с процессом сгорания при постоянном давлении спроектировал и построил русский инженер П.Д. Кузьминский в 1897 году. В 1906 году В.В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД с пульсирующим процессом (горением при постоянном объёме).

В том же XIX веке открывается принципиальная возможность прямого превращения химической и тепловой энергии в электрическую. Этому способствовали работы Л. Гальвани (1791) по изучению «животного электричества» и последовавшие сразу за этим труды А. Вольта, построившего первый гальванический элемент – «вольтов столб» и открывшего «ряд напряжений металлов». И уже в 1801 году англичанин Г. Дэви изобретает угольно–кислородный «топливный элемент», который, однако, оказался почти неработоспособным из-за малой реакционной способности угля. После многолетних экспериментов Антуан Беккерель в 1833 году создаёт угольно–воздушный топливный элемент, но и ему не удаётся преодолеть возникшие трудности. Приходится от твёрдых топлив отказаться. И в 1839 году У. Гров строит первый водородно-кислородный элемент, оказавшийся работоспособным, но малоэффективным из-за несовершенных электродов и ряда помех при протекании токообразующих реакций.

В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек открывает термоэлектричество – возможность прямого превращения тепловой энергии в электрическую при нагреве одного из двух спаев цепи, состоящей из двух спаянных концами разнородных проводников. В 1834 году французский часовщик Ж. Пельтье, пропуская электрический ток через такую же цепь, как и Зеебек, обнаружил обратный эффект – в зависимости от направления тока один из спаев нагревался, а другой охлаждался.

Наконец, в 1896 году Анри Беккерель открывает естественную радиоактивность, что в конечном итоге привело к созданию атомных электростанций и транспортных средств с ядерными энергетическими установками в качестве движителей (ледоколы и подводные лодки).

Следует упомянуть также о таких нетрадиционных способах энергетического производства, как о солнечной энергетике, гидро- и ветроэнергетике, приливных электростанциях, а также о проектах ионных двигателей и фотонных ракет. В конечном счёте все эти способы, кроме приливных электростанций, имеют в своей основе тепловой источник, т.е. могут рассматриваться как тепловые двигатели.