«История электроэнергетики»
Скачать 8.43 Mb.
|
Об этапах развития окружающей среды Научно-технический прогресс определяется тремя основными факторами — знаниями (информацией), энергией и материалами, эффективность взаимодействия между которыми зависит от характера общественно-экономических отношений. В развитии знаний различают эпохи, отделяемые научными революциями, сменами научной картины мира; в развитии материалов — «века»: каменный, бронзовый, железный и т.д.; в развитии общественно-экономических отношений — формации: первобытно-общинную, рабовладельческую, феодальную, капиталистическую, социалистическую, коммунистическую и др. Различные же этапы в развитии энергетики определяются господствующими источниками энергии и зависящей от них энерготехникой. Эпоха мускульной энергетики Начало ее теряется в глубине тысячелетий, конец можно отнести к VIII-Х вв. В это время источником энергии служила химическая энергия пищи, превращающаяся в мускульную силу человека, а позже и прирученных животных. Тепло солнца, а затем и огня использовалось для обогрева и технологических нужд — приготовления пищи, выплавки металлов и т.п.; теплоэнергетики еще не было. Эта эпоха делится на два «механических периода»: 1) когда применялась только мускульная сила и 2) когда мускульная сила приумножалась с помощью простых механизмов — рычага, ворота и т.п. Овладение стихией огня прошло три этапа: 1) «безогневой», когда огонь не использовался; 2) «огнесохранительный», когда естественно возникавший огонь (от молнии, трения или гниения древесины) сохранялся искусственно; 3) «огнеполучительный», когда огонь стали получать искусственно — трением. «Добывание огня трением впервые доставило человеку господство над определенной силой природы и тем окончательно отделило человека от животного царства», — писал Ф. Энгельс. Энергетические ресурсы в эту эпоху не только полностью восстанавливались, но и накапливались. Эпоха механоэнергетики на возобновляющихся энергоресурсах Охватывает период примерно с VIII-Х до XVIII в. В это время человек в дополнение к мускульной стал использовать механическую энергию возобновляющихся энергоресурсов — энергию движущейся в реках воды и ветра. Часть работы выполнялась при помощи водяных колес и ветряных крыльев — человек получил в свое распоряжение силы, во много раз превосходящие и его собственные, и силы домашних животных. Так, самое раннее упоминание в России о водяных мельницах встречается в XIV в. (1375 г.). Огонь, как и в предыдущую эпоху, применялся только для обогрева и технологических нужд. Освоение техники получения огня и печного отопления позволило человеку заселять холодные климатические районы Земли. Энергетические ресурсы и в эту эпоху полностью восстанавливались. Окружающая среда оставалась чистой. Именно в эти длительные периоды развития человечества начали формироваться определенные устойчивые связи между уровнем энергообеспеченности человеческой жизни и показателями ее качества. Изложим здесь не в алфавитном, а в относительно хронологическом порядке основные этапы развития энергетического оборудования на длительном пути цивилизованного человеческого развития. Первое обогревательное средство. Примененным еще в глубокой древности, им стал обычный костер, который служил одновременно и для приготовления пищи, и для обогрева. Пожалуй, в течение многих веков открытый очаг (костер) являлся также и центром общественной жизни людей. Когда человек стал строить жилища, он перенес в них и открытый огневой очаг. Подобная схема обогрева, приготовления пищи в какой-то мере используется и до сих пор коренными жителями Крайнего Севера и в ряде восточных стран. Применение открытого огня в закрытых помещениях обеспечивает максимальное использование теплоты газов, но способствует интенсивному загрязнению воздушной среды. Баня по-черному. Именно такая схема отопления очень долго и широко использовалась в России в банях. Авторам данного издания еще довелось видеть такие сооружения, в которых, по сути дела, разжигался костер, а дым выходил через дверь, оконце и просто неплотности в потолке. Каменка. До сих пор широко известное изобретение, которому многие столетия. Это, пожалуй, первый тепловой аккумулятор в виде камней, которые раскалялись на открытом огне, а затем медленно остывали, отдавая тепло. Такая каменка до сих пор используется и для производства пара. Рабы и энергосбережение. Изменения в общественном строе нередко были связаны с энергетическими проблемами человечества. Один из первых энергетических кризисов, с которым столкнулось человечество, произошел в эпоху рабовладения. Труд рабов был малопроизводителен. В этот период Катон Старший (234-149 гг. до н. э.) в своем трактате «О земледелии» предлагал советы по рациональному использованию рабов. Его советы, по существу, не что иное, как перечисление ряда энергосберегающих мероприятий в сельском хозяйстве, конечно, соответствующих уровню развития общества того времени. И как свидетельствуют некоторые исторические документы, именно в этот период застоя рабовладельчества началось наиболее активное развитие революционных для того времени видов энергетической техники, а также сохранились свидетельства по совершенствованию отдельных энергосберегающих мер. Зарубежные каменки для индивидуальных финских бань и отечественные печи-каменки для индивидуальных бань.  Считается, что галстук или шейный платок появился в Древнем Риме. Легионеры повязывали его для утепления (считай, что энергосбережение). Но есть археологические подтверждения, что в Китае такими галстуками пользовались воины (220 г. до н. э.). Нередко и сейчас некоторые мужчины носят галстук для утепления. Именно к этому периоду времени относятся достоверные свидетельства появления достаточно производительной энергетической техники. Покажем это на примере использования энергии ветра для сельскохозяйственного производства — основного в этот период вида человеческой деятельности. Ветряная мельница — одно из самых древних приспособлений, применяемых людьми для того, чтобы «запрячь» ветер. Историки считают, что первые подобные сооружения появились в Китае, Персии и Египте. Во всяком случае, остатки ветряных мельниц, построенных в Египте во II-I вв. до н. э., сохранились до сих пор. В Европе такие мельницы появились значительно позднее — приблизительно в X в. н. э. Первое (из сохранившихся) письменных упоминаний о ветряной мельнице в Европе относится к 1105 г. во французских хрониках 1180 г. и английских 1190 г. уже прямо говорилось о работающих ветряных мельницах — изображение одного из первых таких сооружений было приведено в рукописи «Водно-мельничный Псалтырь», датированной 1270 г. Надо сказать, что первые ветряные мельницы выглядели весьма неуклюже. На деревянном срубе устанавливались большие вращающиеся лопасти. Причем, чтобы они всегда были подставлены ветру, все сооружение приходилось поворачивать вручную с помощью примитивного рычага. В дальнейшем конструкции ветряных мельниц непрерывно совершенствовались трудами многих поколений. В средние века огромных успехов в использовании энергии ветра достигла Голландия. Голландские ветряки славились на весь мир. В сельском хозяйстве этой страны ветряные мельницы также сыграли исключительную роль. С их помощью не только мололи любые продукты (зерно, кофе, какао, перец), но и сбивали масло, выделывали бумагу, строгали доски и даже отвоевывали землю у моря. Для откачки воды во многих областях этой страны были выстроены ветряные мельницы с водоотливными колесами, которые ставили в низинах возле канав и каналов. В XVII в. некоторые голландские ветряки достигали высоты современного десятиэтажного дома, размах их приближался к 24 метрам, а мощность — к 50 л.с. Устройство голландских мельниц настолько заинтересовало Петра I, что он даже поработал на постройке одной их них. Ветряные мельницы стали неотъемлемой частью голландской истории. Поэтому в настоящее время в этой стране создана особая ассоциация, которая следит за тем, чтобы ни один из сохранившихся до наших дней ветряков (а их более 900) не исчез с лица земли. В XVIII в. вопрос экономии энергоресурсов на повестке дня не стоял, однако ветряки были так необходимы, что их усовершенствованием занялись математики и механики, среди которых были и знаменитости — Бернулли, Эйлер. Новый импульс развитию ветряной техники (в виде ветроэнергетических установок) дал XX в. Рассмотрим эту проблему ниже уже с учетом современных представлений об использовании энергии. Вентиляция. Пожалуй, одна из самых сложных проблем, с которой столкнулись древние люди, — это организация в помещениях регулируемого воздухообмена, благоприятного для человека, а впоследствии и для животных, оборудования, продуктов и т. д. Современное слово «вентиляция» имеет латинский корень: ventilatio — проветривание. Вначале появились системы естественной вентиляции, эффективность которых зависит от состояния окружающей среды, точнее, от погоды. Так возникла необходимость в специальных устройствах — дефлекторах. Это название произошло от латинского глагола — отклонять. Дефлектор — далеко не новинка техники. Известен он очень давно. Конструкции дефлекторов даже при самом поверхностном обзоре поражают своим разнообразием: начиная с печной трубы и кончая такими замысловатыми формами, что описать хотя бы внешний вид весьма затруднительно. Один напоминает летающую тарелку, другой — рыцарские доспехи. Столь же разнообразны, а иногда и причудливы названия дефлекторов. Большинство из них названо по фамилии изобретателей. Названия некоторых прямо указывают на их назначение. Есть дефлекторы «морские» и «трамвайные», «ламповые», дефлектор «самовар» и даже «Общество судостроительных заводов». Среди изобретателей разного рода дефлекторов такие известные ученые и инженеры, как Черепановы, Кардан, Франклин, Сте-фенсон. Дымоводы — первые трубы — появились еще в VI веке на севере Италии. Во времена средневековья трубы возвышались уже почти по всей Западной Европе. Размеры их были настолько велики, что в них свободно пролезал взрослый человек — трубочист. Однако такие трубы поглощали много тепла, плохо тянули. Но постепенно их конструкции усовершенствовались, и такие модернизированные трубы до сих пор широко применяются в различных областях деятельности человека. Для защиты от дождя, снега трубы стали прикрывать колпаком. Карниз на конце трубы — тоже совсем не архитектурное излишество, а очень важный функциональный элемент. Основная его задача — предотвратить «опрокидывание тяги». Хорошая печная труба при горизонтальном направлении ветра независимо от разности температур в помещении и атмосфере позволяет получить вполне удовлетворительную для небольших помещений скорость удаляемого воздуха. Камин (от лат. — очаг). Исследователи древнего периода жизни людей считают, что камин был первым устройством для организации перехода на систему с отводом продуктов сгорания от очага через дымовые каналы в атмосферу. Камин выполнялся в виде каменной ниши с выложенным в нем костром. Очевидно, от названия «камин» произошло и слово «комната», то есть отапливаемое помещение. Организованный вывод дыма из жилища в атмосферу позволил резко улучшить воздушный режим и гигиеническую обстановку в нем. Поэтому переход от очага к камину можно определить первым качественным скачком в отопительной технике. Но проблема качества атмосферы была решена за счет роста количества используемого на отопление топлива. Испытания каминов в наши дни показали, что их тепловой КПД весьма низок (10-12%). Этого не могли не понимать предки современных людей. Поэтому каминная и другая отопительная техника постоянно совершенствовалась. Причем развитие отопительно-варочной техники на территории современной России существенно отличалось от зарубежной практики. На территории Западной Европы с мягким климатом были умеренные требования к отоплению и большее внимание уделялось пищеварочным устройствам. Покажем это на примерах. Каминопечи. Некоторые этапы развития каминной техники приведены на рисунке на следующей странице. Наиболее простой вид камина приведен на рис. а.  Камины и каминопечи. а - камин: 1 - дымовая труба; 2 - под; б - камин с трубой: 1 - душник; 2 - дымовая труба; 3 - воздушный канал; в - каминопечь: 1 - дымооборотный газоход; 2 - топочная дверца; 3 - воздушные каналы; 4 - душник Здесь топливо горит на слошном поду 2, продукты горения удаляются в дымовую трубу 1. Причем каминопечи, по крайней мере в России, получили развитие уже за пределами эпохи мускульной энергетики. В XVII в. в России был создан камин, в который встраивался металлический канал (короб). При работе камина в этот короб поступал холодный воздух, который нагревался и проникал в помещение. Далее камины стали оснащаться дымооборотами и превращаться, таким образом, в каминопечи. Варианты таких попыток показаны на рис. б, в. Во всех этих случаях дымовые трубы заключались в дымовые каналы, в которых нагревался циркулирующий наружный или комнатный воздух. Холодный воздух поступал снизу, нагревался в каналах и выходил вверху через так называемые душники. Стенки дымовых каналов выкладывались толщиной в V4 кирпича и заключались в металлические футляры. Приведем некоторые варианты развития каминной техники. Системы отопления церквей. Каминопечи получили в свое время широкое распространение для обогрева церквей, а именно залов, предназначенных для богослужения. Обычно в низкой части церкви сооружалась печь (камин), в которой выполнялась система каналов, окруженных воздушными каналами, которые встраивались в ограждающие конструкции здания. Дымовые газы выбрасывались в атмосферу, а теплый воздух поступал через душники в помещение здания. Аналогичным образом отапливались помещения и других общественных зданий (гимназии, магазины и т. п.). Системы отопления жилых домов. Длительный зимний период наблюдается практически только в России. В большинстве же стран низкая температура наружного воздуха — это больше исключение из правила. Тем не менее люди и здесь искали свои варианты отопления жилых помещений. В северных районах Кореи кое-где до сих пор сохранились системы печного отопления дома, когда дымовые каналы выкладывались в каменном полу, а печь опять же размещалась в подвальном помещении. Металлические печи. Такие печи обычно использовались для быстрого обогрева помещений, предназначенных для кратковременного пребывания в них людей. Такие печи до сих пор используются в странах с умеренным климатом при стихийных бедствиях или в случае проживания в летних домиках. Печи повышенной теплоемкости. В местах с относительно низкотемпературным зимним режимом постепенно отрабатывалась конструкция печей, которые бы могли обеспечить периодическое одно-двухразовое ежесуточное отопление стационарных помещений. Здесь наибольшее распространение получили кирпичные отопительные печи повышенной теплоемкости. Они выкладывались из кирпича, обладающего малой теплопроводностью и сравнительно большой удельной теплоемкостью. При отоплении кирпичная кладка постепенно разогревается, накапливая теплоту, а по окончании топки — медленно охлаждается, отдавая накопленную теплоту. Наибольшее распространение здесь получили так называемые голландские печи с глухим подом, с вертикальными и горизонтальными дымооборотами и горизонтальными дымооборотами (газоходами). Уже в XX в. эти печи неоднократно совершенствовались и изобретались новые (проф. В. Е. Грум-Гржимайло, И. И. Свиязев и др.). |
