Становление механической энергетики

Развитие технологических и подъемных машин сделало совершенно необходимым обращение к неорганиче­ским источникам энергии, поскольку живые двигатели оказались не в состоянии справляться с все возраставшей потребностью в механической энергии. Так, в свое время возникла гидроэнергетика, приведшая к постепенной замене в энергоемких производственных про­цессах «человека − двигателя» механическим двигателем. Наи­более характерными энергоемкими производственными процессами являлись: подъем воды для орошения полей и размол зерна. Рассмотрим в качестве примера зерновую мельницу. Вращение жернова требовало от работника дли­тельной, однообразной, изнуряющей механической работы. Но, с другой стороны, именно в этой монотонной, непре­рывно повторявшейся работе, не требовавшей ни мышле­ния, ни производственного мастерства, где человек выпол­нял только функцию двигателя, заключалась воз­можность перехода к применению энергии прирученного животного или неорганической природы. Эта возможность был реализована путем использования животных и приме­нения водяных колес.

Рис. 2. Речное водоподъёное колесо. Колесо приводится в движение по ­током воды; на ободе колеса разме­щены черпаки, поднима- ющие воду в выливающие ее в отводной желоб.

Исключительно просто ранние водяные двигатели со­членялись с водоподъемными установками. Водяное колесо, установленное на сваях, вбитых в дно потока (рис. 2), несло на себе ряд сосудов − элементов подъемного устрой­ства, т. е. представляло собой конструкцию, объединявшую транспортную и энергетическую машины.

Для гидравлической установки, показанной на рис. 2, характерно проявление ранней формы взаимоотно­шения человека с окружающей его природой: присвоение готовой энергии природы. В этом присвоении еще не было какого бы то ни было воздействия на природу: свободно стоящие водяные колеса использовали толь­ко скоростную составляющую энергии воды.

Несколько более сложным было применение водяного колеса для зерновых мельниц. В этом случае между жер­новом и водяным колесом необходимо было сооружать пе­редаточный механизм, так как в силу естественных условий водяное колесо должно было вращаться вокруг горизонтальной, а жернов − вокруг вертикальной оси.

Увеличение числа гидросиловых установок, накопленный опыт, а главное недостаток в реках с достаточно большой скоростью движения воды, необходимой для работы сво­бодно стоящих колес, поставили задачу перехода от при­своения энергии в готовой форме к воздействию на приро­ду с целью наиболее целесообразного использования вод­ных энергетических ресурсов. Началось сооружение плотин или деривационных каналов, сводивших естественное паде­ние горизонта потока, растянутого на много километров, к одному пункту, что позволило использовать медленно те­кущие равнинные реки и создавать условия для эффектив­ной утилизации гидроресурсов.

При сооружении плотин можно было использовать не только скоростной элемент располагаемой энергии потока, но и энергию положения, конструируя средненаливные и верхненаливные (рис.3) водяные колеса. Верхненаливные колеса явились в то время наиболее эффективными и их КПД достигал 75%. Именно в этой форме гидравлический дви­гатель стал элементом быстро развивавшейся энергетики феодального общества.

Рис.3. Верхненаливное водяное колесо

На территориях, не располагавших гидравлическими энергоресурсами, утилизировалась энергия воздушных по­токов при помощи ветряных двигателей, преимущественно для привода мельничных жерновов. В Голландии, являв­шейся классической страной ветродвигателей в силу ее равнинного положения, эти двигатели широко применялись на водоотливных работах в много- вековой борьбе голланд­ского народа по отвоеванию суши у моря.

Ветровые установки и до настоящего времени не вышли из фазы присвоения, поскольку остается в силе невозмож­ность воздействовать на направление и силу ветра. Край­няя неравномерность и низкая концентрация природной «готовой» ветровой энергии вместе с трудностью эффек­тивно аккумулировать механическую энергию никогда не выводили ветровую энергию на за­метное место в общем энергетиче­ском балансе мира.

В сооружении водяных колес был достигнут значительный успех и оно являлось основной энергетической ба­зой производства в течение примерно 14 веков (с IV по ХVIII в.). Лишь во второй половине ХIХ в. гидроэнергетика утратила свое качественно ведущее значение, уступив его теплоэнергетике.

Кризис энергетики водяного колеса начал проявляться не в приводе зерновых мельниц натурального и мелкотоварного хозяйства, где водяные мельницы существуют и теперь, а в металлургии и рудном деле в связи с ростом потребности в орудиях труда и материалах для изготовления этих орудий, главным образом в железе. Для получения железа люди копали руду, дробили ее в ступах, плавили в «домницах», нагнетая в них воздух, а полученное железо проковывали под молотами. Двига­телем, приводившим в движение песты дробильных ступок, мехи «домниц», молоты кузниц, был сам человек. Посколь­ку привод в движение перечисленных производственных агрегатов не требовал специальных званий и навыков, человек имел возможность заменить себя более мощным дви­гателем− водяным колесом. С заменой живого двигателя водяным колесом стало возможным увеличить размеры агрегата, которые ранее определялись мощностью «челове­ка – двигателя», а следовательно, увеличить и производство железа. Так, «домница» выросла в домну, ручной молот − в громадный молот, поднимаемый энергией водного потока, и т. п.

К середине XVIIIв были созданы уникальные гидросиловые установки. В качестве примера на рис.4.приведена схема механизации двух железорудных рудников на Алтае. Гидросиловая установка представляла собой каскад с последовательным использованием воды на колё­сах, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Эта установка явилась высшим достижением гидро­энергетики своего времени.

Рис. 4. Схема гидроэнергетической установки 1−плотина длиной 128м и высотой 17,5м; 2 −штольня длиной 443 м; 3 −канал дли­ной 96 м; 4 −водяное колесо диаметром 4,3 м; 5 − лесопилка; 6 −отвод воды к Преображенскому руднику; 7− подземный канал длиной 123 м; 8 − водяное ко­лесо диаметром 4,3 м; 9−рудоподъемник на высоту до 102 м; 10 −подземный канал длиной 64 м;11 − водяное колесо диаметром 17 м; 12 −насосы Екатеринин­ского рудника; 13 − подземный канал длиной 320 м; 14 −водяное колесо диаметром 15 м; 15 −насосы Вознесенского рудника; 16 −рудоподъемник Вознесенского рудника; 17 —отвод в р. Корбалиху

Но в гор­норудном деле и металлургии, кроме энергии, необходимы­ми элементами производства являлись руда и горючее (дрова). Природа редко сосредоточивает в одном гео­графическом пункте ресурсы руды, топлива и водной энер­гии. Поскольку водная энергия нетранспортабельна, транс­порт руды и топлива к месту источника водной энергии становился элементом производства, в значительной сте­пени определявшим себестоимость продукции. Так, энерге­тика водяного колеса начинала приходить в конфликт с вы­званными ею же новыми производственными возможно­стями.

В горнорудном производстве кризис водяного колеса сказался наиболее остро. Действительно, если отсутствие в одном географическом пункте руды и леса означало лишь удорожание продукции или экономическую нецелесообраз­ность производства металла, то отсутствие в том же геогра­фическом пункте источника энергии делало невозможным его осуществление. Истощив запасы поверхностных руд, человек вынужден был все глубже проникать в недра земли. Вместе с углублением рудников росло по­требление энергии на откачивание воды из них как за счет увеличения количества воды, так и за счет увеличения высоты ее подъема. Расчеты показывают, что для откачки из рудника некоторого количества воды в единицу времени требовалось для привода насосов водяными колесами иметь поток с расходом воды, в 100−150 раз большим. С увели­чением глубины рудников все труднее было найти счастли­вое совпадение в одном географическом пункте рудника и достаточно мощного водного потока.

Так возникла потребность в новой энергетике, особенно остро проявившаяся в рудничном водоподъеме.