Анатолий Шейпак - История науки и техники. Энергомашиностроение

© А. А. Шейпак, 2017.

© Издательство «Прометей», 2017.

Прошло 400000 лет с тех пор, как в пещерах и на других стоянках первобытного человека впервые появился огонь. Не менее 100000 лет огонь был неотъемлемой характеристикой нашей жизни, отличая разумного человека от животного мира наряду с речью. Почитаемый как божество и ставший основой многих мифов и произведений искусства, огонь стал важнейшим фактором цивилизации.

Рис. 1.1. Получение огня с помощью сверления дерева

Сначала тепловая энергия использовалась для обогрева жилища, освещения и приготовления пищи. Это позволило человеку расселиться по всей Земле, выйдя из тропической Родины.

Сила рабов, домашних животных, воды и ветра обеспечивала величину «энерговооруженности», например, среднего римлянина не более 1 кВт, а патриция – около 10 кВт. Средние века оставили среднюю энерговооруженность человечества примерно на том же уровне.

Затем двигатели, работающие на природном топливе, заменили мускульную энергию людей и животных и стали предпосылкой возникновения индустриальных обществ с многочисленными городами, промышленными предприятиями и транспортными сетями. Человечество использует в настоящее время энергию, составляющую лишь одну пятнадцатитысячную часть энергии солнечного излучения, мощность которого составляет 178000 Твт. Значительно меньше доля энергии обусловлена движением Луны (энергия морских приливов) и процессами, происходящими в ядре Земли (геотермальная энергия). Лишь незначительная часть – 0,06 % – солнечной радиации расходуется на фотосинтез, благодаря которому на Земле существует все живое и образуются запасы ископаемого топлива (30 % отражается обратно в космическое пространство, 50 % поглощается, превращаясь в тепло, примерно 20 % расходуется на поддержание гидрологического цикла. 18 % получаемой человечеством энергии приходится на возобновляемые источники, включая гидроэнергию и биомассу, и 4 % – на ядерную энергию. Большая часть обеспечивается за счет добычи ископаемого топлива: угля, нефти, газа.

Решение энергетических проблем в прошлом зависело от технических возможностей и от темпов научно-технического развития страны. Начиная с середины XIX в. наметился переход от использования в качестве источников энергии ветра, воды и дров к использованию угля, а позже нефти и природного газа. В основе этого перехода лежит взаимосвязь между энергией и техническим развитием, наличие которой подтверждается тремя фазами промышленной революции. На протяжении первой фазы, начало которой относится к XVIII в. доминирующими технологиями были добыча угля, плавление и выплавка железа, а затем применение паровых двигателей в наземном и морском транспорте. Составляющие этой системы были тесно переплетены: паровой двигатель, изобретенный англичанином Томасом Ньюкоменом и первоначально выполнявший только роль привода насоса для откачивания воды из шахт, позднее был усовершенствован Джеймсом Уаттом и использовался для привода транспортных средств и снабжения плавильных устройств сжатым воздухом. Плавильни в свою очередь позволяли получать металл, необходимый для изготовления паровых двигателей, паровозов, железнодорожного полотна, морских судов и механизмов, используемых для добычи угля. Создание транспортной системы и промышленного оборудования для фабрик и заводов обеспечило условия для быстрой индустриализации. К концу XIX в. мир опять преобразовался благодаря электричеству, двигателям внутреннего сгорания, паровым и газовым турбинам, аэропланам, а также развитию химической промышленности и металлургии. Нефть оказалась незаменимым сырьем для получения горючего и химических материалов. В наше время человечество вступило в третью фазу промышленной революции, характеризующейся переходом к массовому использованию вычислительной техники, новых материалов, оптоэлектроники и биотехнологии.

Электричество в настоящее время является основой современной жизни. Оно представляет собой уникальную форму существования энергии с точки зрения универсальности применения для эффективного выполнения множества задач. Чуть более чем за 10 лет электричество изменило образ жизни населения большинства стран. Освещение, нагрев и охлаждение, электромеханическое оборудование, медицинские приборы, компьютеры, средства коммуникации и множество других услуг обеспечивает электричество.

По мере того как растет численность населения (от нескольких сотен миллионов в начале промышленной революции до 6 миллиардов сегодня) и стремление людей к достижению все более высокого уровня жизни, увеличивается и количество потребляемой в мире энергии. Человечество хочет, подобно Адаму и Еве, досыта вкусить плоды энергетического дерева, выращенного многими поколениями людей. В то же время мы начали испытывать беспокойство за состояние окружающей среды и за истощение запасов энергоресурсов.

Мы живем примерно в 1 миллиарде жилых домов и ездим на 500 миллионах автомобилей. Общее количество потребляемой ежегодно энергии выросло с 1860 года почти в сто раз. Природный газ транспортируется по магистральным трубопроводам общей протяженностью примерно 1 миллион км, а нефть – по трубопроводам общей длиной около 500000 км, не считая локальных систем распределения. Примерно 2600 танкеров с сырой нефтью бороздят океаны, перевозя ее из одной страны в другую, и еще множество морских судов обеспечивают доставку сжиженного природного газа в различные страны мира. В результате растущего потребления энергии запасы ископаемого топлива истощаются в 100000 раз быстрее, чем они успевают накапливаться в недрах Земли. В то же время в ее атмосфере накапливается двуокись (диоксид) углерода и другие вредные компоненты.

Важнейшим достижением прогресса явилось создание электрических станций: гидравлических и тепловых. Затем основной задачей человечества стало использование атомной энергии. Электричество является наиболее гибким видом энергии, который легко преобразуется в различные другие ее виды, легко транспортируется, отличается высокой экологичностью.

Рис. 1.2. Атомная электростанция

Электрические машины и аппараты являются необходимыми составляющими почти любой тепловой, гидравлической и пневматической системы. Появился термин «мехатроника», который относится к системам, включающим в себя механическую часть (гидравлическую и пневматическую как разновидность механической), а также силовую и управляющую электрическую и электронную.