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;