Geum.ru

Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2010

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития
2.2. Водяные колеса
2.3. Гидравлический двигатель
2.4. Гидроэнергетика и теплоэнергетика
Вопросы для самопроверки
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

ТЕМА 2


Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития

энергетики


2.1. Предпосылки развития гидроэнергетики

Наиболее характерным энергоемким процессом, с которым впервые столкнулся человек, является подъем воды для орошения полей и размола зерна.

Орошение полей и размол зерна требовал от работников длительной, однообразной, изнурительной механической работы. Но, с другой стороны, именно в этой изнурительной повторяющейся работе, не требовавшей ни мышления, ни мастерства, заключалась возможность перехода к применению энергии прирученного животного или неорганической природы, и в первую очередь энергии воды. Так возникла гидроэнергетика, приведшая к замене человека-двигателя (животного-двигателя) механическим двигателем.

Первые сведения об использовании водоподъемных устройств можно отнести к 250 году до н.э, когда греческий ученый Архимед создал учение о гидростатике и использовал "винт" для перемещения воды. Но наибольшее распространение строительство водяных и ветряных мельниц получило лишь в X - XI веках н.э [1].

Время применения гидравлических двигателей насчитывает более чем двухтысячелетнюю историю и может быть разделено на несколько периодов.

Первый, самый длительный, продолжался от постройки первых водяных колес до середины 30-х годов XIX века. Он характеризуется применением водяных колес разной конструкции. Механическая энергия водяных колес использовалась либо на месте ее получения, либо при помощи механических устройств передавалась на небольшие расстояния (несколько десятков метров).

Второй - продолжался от середины 30-х годов до начала 90-х годов XIX века. Был осуществлен переход от водяного колеса к водяной турбине, изучались процессы, происходящие в ней, и усовершенствовалась ее конструкция. Водяное колесо сохранилось лишь в маломощных установках. Механическая энергия водяной турбины также использовалась на месте ее производства либо в непосредственной близости от нее [2].

Только решение проблемы передачи электрической энергии на расстояние положило начало новому этапу (XIX в.) в истории использования гидравлической энергии. При этом осуществлялось превращение механической энергии в энергию электрическую, передававшуюся к месту ее потребления на большие расстояния.


2.2. Водяные колеса

Первые гидравлические установки отражали ранние формы взаимодействия человека с окружающей средой - применение готовой энергии природы (без воздействия на нее).

Ранние водяные колеса очень просто сочленялись с водоподъемными установками : водяное колесо устанавливали на сваях, вбитых в дно реки, в движение оно приводилось сильным потоком воды. На ободе колеса размещались черпаки, поднимавшие и выливавшие воду в отводной желоб. Такие колеса использовали только скоростную составляющую энергии потока воды [1].

Более энергоемким было применение водяного колеса для зерновых мельниц, у которых между жерновами и водяным колесом сооружался передаточный механизм, обеспечивающий вращение водяного колеса вокруг горизонтальной оси, а жернова - вокруг вертикальной. Стремление обойтись без сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к появлению водяных колес с вертикальным валом. Чтобы струя воды, направленная на лопатку колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Но при этом, падая на плоскую лопатку, струя воды сильно разбрызгивалась. Во избежание этого лопатки стали делать изогнутыми. Так возник прототип современных гидравлических турбин.

Увеличивалось число гидравлических установок, накапливался опыт. Недостаток в реках с соответствующей скоростью течения потребовал перехода к более целесообразному использованию водяных ресурсов. Началось сооружение плотин и деривационных комплексов, позволяющих использовать медленно текущие равнинные реки и создавать условия для более рачительного и эффективного использования гидроресурсов [3].

При наличии плотин использовать можно не только скорость потока, но и энергию положения.

Существенным недостатком водохранилищ является необходимость сбора воды в искусственном резервуаре и связанное с этим использование земельных участков, расположенных в месте создания плотины (затопление земель).

На территориях, не располагавших гидроресурсами, сооружались ветровые двигатели. Использование энергии ветра при движении судов известно с глубокой древности. Позднее появились ветровые установки для размола зерна. Однако крайняя неравномерность и низкая концентрация ветровой "готовой" энергии, а также трудности для дальнейшего аккумулирования механической энергии не позволяли энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе.

В сооружении же водяных колес был достигнут значительный прогресс. Для подъема руды из рудников в XVI веке применялись реверсивные водяные колеса.

В 1582 году в г.Лондоне были применены водоподъемные установки на реке Темзе, они состояли из 5 подъемных колес диаметром 6-7 метров, приводивших в движение ряд насосов, перекачивающих в сутки 18000 м3 воды [2].

В середине XVIII века на Алтае была сооружена уникальная гидроустановка для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательно расположенными колесами, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Это было высшим достижение гидроэнергетики своего времени.


2.3. Гидравлический двигатель

Водяное колесо могло работать только при малых напорах воды, которыми обладали равнинные реки. Между тем громадные запасы гидравлической энергии были заключены в водяных потоках со средним (от 8 до 25 метров) и высоким (свыше 25 метров) напором воды. В этих условиях водяное колесо вообще не могло быть установлено. Единственная возможность для освоения громадной энергии таких водяных потоков заключалась в создании гидравлического двигателя, принципиально отличного от водяного колеса. Водяное колесо приводилось во вращение действием веса воды или ударами струи в лопатки. Но можно было использовать и другие физические явления - силу реакции потока воды на лопасти колеса [1].

Практически сила реакции, создаваемой потоком воды на лопасти рабочего колеса, нашла свое воплощение в так называемом сегнеровом колесе (физик Сегнер). Однако недостаточное понимание сущности физических процессов в таком двигателе не позволили Сегнеру в дальнейшем его усовершенствовать.

Тем не менее в несовершенном реактивном двигателе Сегнера Л.Эйлер усмотрел большие практические возможности.

Уже в своем первом докладе, сделанном в Берлинской академии наук (1750 год), Эйлер дал анализ процессов и указал, что низкий КПД получается вследствие потерь энергии при входе и выходе воды из колеса.

В последующих докладах (1751 - 1754 годы) были показаны преимущества Сегнерова колеса перед другими гидравлическими машинами и изложена теория водяного реактивного двигателя.

На основе уравнений сохранения количества движения он вывел уравнение работы гидравлической турбины. Идеи Эйлера о рациональной конструкции гидравлических турбин получили свое окончательное выражение в его предложении делить гидравлическую машину нового типа на две части - неподвижную и вращающуюся. Через неподвижный направляющий аппарат вода поступает во вращающееся колесо, являющееся рабочим органом машины [2].

В таком виде гидравлический двигатель представлял собой переходную конструкцию от сегнерова колеса к гидравлической турбине. Несмотря на полную научную и техническую обоснованность конструкции водяной турбины, предложенной Эйлером, она в XVIII веке по экономическим причинам не вошла в практику. Лишь в 40-х годах XX века в Швейцарии на родине Эйлера была построена действующая модель его турбины (ее КПД составлял 71 % при частоте вращения 180 об/мин.).

Гидравлические турбины разрабатывались и внедрялись в промышленном производстве Франции. Одним из первых проектов, получившим поощрительную премию, был двигатель профессора К.Бюрдена (1822 год), установленный на мукомольной мельнице и названный гидравлической турбиной [1].


2.4. Гидроэнергетика и теплоэнергетика

Водяное колесо являлось основной энергетической базой промышленного производства примерно в течение с IV по XVIII века. Во второй половине XVIII века гидроэнергетика утратила свое ведущее значение, уступив его теплоэнергетике. Новый подъем гидроэнергетики и переход ее на качественно новую ступень был сделан в самом конце XIX века в связи с решением проблемы передачи энергии на большие расстояния.

Ограниченность потенциала водяного колеса прежде всего сказалась в металлургии и рудном деле.

Для получения железа люди добывали руду, дробили ее в ступах, плавили в домнах, нагнетая в нее воздух, а полученное железо проковывали под молотами. Первоначально все это делалось за счет мускульной силы человека. Но так как для привода не требовалось специальных знаний, человек мог заменить себя более мощным двигателем - водяным колесом. Это позволило увеличить размеры агрегатов.

Теперь мощность молота определялась только мощностью водяного потока. Но в горно-рудном деле кроме энергии необходимыми элементами производства являлись руда и горючее (дрова). Природа редко сосредотачивала все это в одном месте. Поскольку водная энергия не транспортировалась, то доставка руды и топлива к месту источника водяной энергии становится элементом производства, в значительной степени определяющим себестоимость продукции. Так энергетика водяного колеса начинала приходить в конфликт с вызванными ею же новыми производственными возможностями.

Наиболее остро кризис водяного колеса сказался в горно-рудном производстве. Действительно, если отсутствие в одном пункте руды и леса означало лишь удорожание продукции или экономическую нецелесообразность производства металла, то отсутствие энергии делало невозможным его производство. Истощив запасы поверхностных руд, человек вынужден был все глубже проникать в недра земли. Вместе с этим росло потребление энергии на откачивания воды из шахт. Все труднее становилось найти счастливое совпадение в одном месте рудного месторождения и достаточно мощного водяного потока.

Главная ограниченность энергетики водяного колеса заключалась в том, что для его работы необходимы водные ресурсы с определенными параметрами (скорость потока воды, возможность ее подъема при использовании плотин и т.п). Поэтому применение водяного колеса имело чисто локальный характер. Так возникла потребность в новой энергетике. Но водяное колесо, потеряв в XVTII веке свое значение как основы энергетики, сравнительно медленно уступало свои позиции. Так, например, в России к 1917 году было установлено 46000 водяных колес. Их суммарная мощность достигала 40% всей установленной в стране мощности [1].


Вопросы для самопроверки

1) Какую основную черту взаимоотношения человека с окружающей средой отражает ранняя гидро- и ветроэнергетика?

2) Чем был вызван переход от водяных колес с горизонтальным валом к колесам с вертикальным валом?

3) Что дает сооружение платин и деривационных каналов и каково их влияние на окружающую среду?

4) Какие недостатки не позволяют энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе?

5) Какая установка явилась высшим достижением гидроэнергетики середины XVIII века?

6) В течение какого времени водяное колесо являлось основой энергетического производства?

7) Когда и почему гидроэнергетика уступила ведущее место теплоэнергетике?

8) В связи с решением какой проблемы и когда начался новый подъем гидроэнергетики?