Энергетика в феодальном периоде развития человечества.
Originally published at Профессионально об энергетике. Please leave any comments there.
Развитие технологических и подъемиых машин сделало совершенно необходимым обращение к неорганическим источникам энергии, поскольку живые двигатели оказались не в состоянии справляться со 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- Врашение жернова требовало от работника длительной, однообразно-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.
Исключительно просто ранние водяные двигатели сочленялись с водоподъемными установками. Водяное колесо. Установленное на сваях, вбитых в дно потока (рис. 2-32), несло на себе ряд сосудов - элементов подъемного устройства, т. е. представляло собой конструкцию, объединявшую транспортную и энергетическую машины.
Для гидравлической установки, показанной на рис. 2-32, характерно проявление ранней формы взаимоотношения человека с окружающей его природой: присвоение готовой энергии природы. В этом присвоении еще «с бы«ло какого бы то ли было воздействия на природу: свободно стоящие («плавучие») водяные колеса использовали только скоростную составляющую энергии воды.
Несколько более сложным было применение водяного колеса для зерновых мелышц. В этом случае между жерновом и водяным колесом необходимо было сооружать по- редаточный механизм, так как в силу естественных условий водяное колесо должно было вращаться вокруг горизонтального вала.
Стремление обойтись без сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к изысканию для привода мельничных поставов водяных колес с вертикальным валом. Для того чтобы струя воды, направляемая на лопатку такого колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Вход струи на плоскую лопатку с большой относительной скоростью приводил к сильному разбрызгиванию воды, и для того, чтобы избежать этого, стали делать изогнутые лопатки. Так возник прототип со временных активных гидравлических турбин (рис. 2-34).
Увеличение числа гидросиловых установок, накопленный опыт, а главное ‘недостаток в реках с достаточно большой скоростью движения воды, необходимой для работы свободно стоиших 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 те кущие равнинные реки и создавать условия для эффектив ной утилизации гидроресурсов.
При сооружении плоти» можно было использовать не только скоростной элемент располагаемой энергии потока, но и энергию положения, конструируя средненаливные (рис. 2-35) и верхюеналив- ные (рис. 2-36) водяньге колеса. Верхненаливные колеса явились в то время наиболее эффективными и их к. п. д. Достигал 75%. Именно в этой форме гидравлический двигатель стал элементом быстро развивавшейся энергетики Феодального общества.
На территориях, не располагавших гидравлическими энергоресурсами, утилизировалась энергия воздушных полков при помощи ветровых 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 многовековой 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 з общем энергетическом балансе мира.
В сооружении водяных колес был достигнут значительный успех/ Немецкий ученый Агрикола (1490-1555 гг.) дал описание реверсивного водяного колеса (рис. 2-37), применявшегося для подъема руды из рудника.
В 1582 г. была пушена в работу на р. Темзе лондонская водоподъемная установка, состоявшая из пяти подливных (нижне-’ бойнЫ’Х) водяных колес диаметром 6-7 м, приводивших в движение ряд насосов и перекачивавших в сутки 18 000 .и3 воды. В 1685 г. на р. Сене во Франции была сооружена водоподъемная установка для питашя водой фонтанов дзорцового парка Версальского дворца, состоявшая из 14 подливных колес диаметром 12 м, приводивших в действие 235 поршневых насосов, которые поднимали 3 000 м3 воды- в сутки на высоту 162 м. В середине XVIII в. на Алтае К. Д. Фролов соорудил уникальную гидросиловую установку для привода подъемный и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад c последовательным использобаниём воды на КоЛё- сах, наибольшее из который имело диаметр 17 м (рис. 2-38). Эта установка явилась высшим достижением гидроэнергетики своего времени.
Водяное колесо явллялось основной энергетической базой производства в.течение примерно 14 веков (с IV по XVIII в.). Во второй половине XIX в. гидроэнергетика утратила свое ка- чесгвеино ведущее значение, уступив его теплоэнергетике. Новый подъем гидроэнергетики, переход гидроэнергетики на новую качественную ступень наметился в самом конце XIX з. в связи с решением проблемы передачи энергии на большие расстояния электрическим током. Но и водяное колесо, потеряв в XVIII в. свое значение как основы энергетики, сравнительно медленно уступало свои позиции. Так, например, к 1917 г. в России было установлено 46000 водяных колес; их суммарная мощность достигала 40% всей установленной d стране мощности (за исключением транспорта). В экономически отсталых странах Африки, Азии и др. и сейчас еще работает большое число водялых колес.
Кризис энергетики водяного колеса начал проявляться не в приводе зерновььх мельниц натурального и мелкотоварного хозяйства, где водяyые мельницы сущесnвующих и теперь, а в металлургии и рудном деле в связи с ростом потребности в орудиях груда и материалах для изготовления этих орудий, главным образом в железе. Для получения железа люди копали руду, дробили
Теперь границы роста размеров пестов, домен, молотов определялись только мощностью водных потоков. 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, го отсутствие в том же географическом пункте источника энергии делало невозможным его осуществление. Истощив запасы- поверхностных болотных руд, человек вынужден был все глубже проникать в недра земли. Вместе с углублением рудников росло потребление энергии та откачивание воды- из них как за счет увеличения количества воды, так и за счет увеличения вы:- соты ее подъема. Расчеты показывают, что для откачки из рудника некоторого количества воды з 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.
В решении задачи о рудничном водоподъеме прежде всего сказалась глазная ограниченность энергетики водяного колеса, о которой Маркс писал: «-.. употребление водяной сильв, как преобладающей двигательной силы, бы- Ло связано с различными затруднениями. Ее нельзя было повышать до произвольного уровня, ее недостаток нельзя было восполнить; иногда она истощалась и, главное, имела чисто локальный характер»
Так возникла потребность в новой энергетике, особенно остро проявившаяся в рудничном водоподъеме.