Тепловая электрическая станция - это очень просто

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ 
СТАНЦИЯ — ЭТО ОЧЕНЬ ПРОСТО 

Учебное пособие 

Под общей редакцией д‑ра техн. наук, проф. Ю. М. Бродова

Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов,

обучающихся по направлению подготовки  
«Энергетическое машиностроение»  

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.311.22(075.8)
ББК 31.37я73
          Т34 
Рецензенты:
заведующий кафедрой энергетики Уральского государственного лесотехнического университета д‑р техн. наук, проф. 
С. М. Шанчуров;
начальник теплотехнического управления Свердловского филиала ПАО «Т ПЛЮС» М. М. Мительман

Т34

Тепловая электрическая станция ― это очень просто 

[Электронный ресурс]: учеб. пособие / К. Э. Аронсон, Ю. М.
Бродов, Н. В. Желонкин, М. А. Ниренштейн ; под общ. ред. 
д‑ра техн. наук, проф. Ю. М. Бродова. — 2-е изд., стер. — М.:
ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 203, [1] с.

ISBN 978-5-9765-3028-7 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1726-4 (Изд-во Урал. ун-та) 

В учебном пособии популярно излагается история развития и эволюции 
конструкций турбин, энергетических котлов, электрогенераторов, а также 
история тепловых станций в целом от первых образцов до современных электростанций различных типов. Рассматриваются также вопросы экологической безопасности работы тепловых станций, принципы управления тепловой энергетикой и перспективы ее развития. Приведены портреты и краткие 
биографические данные ученых‑основоположников, внесших вклад в разработку физических основ и конструкций оборудования тепловых электрических станций.
Учебное пособие предназначено для широкого круга читателей, интересующихся тепловой энергетикой.

Подготовлено кафедрой «Турбины и двигатели» 

Библиогр.: 10 назв. Рис. 111.
УДК 621.311.22(075.8)
ББК 31.37я73

© Уральский федеральный   
     университет, 2016 

ISBN 978-5-9765-3028-7 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1726-4 (Изд-во Урал. ун-та) 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Если вы не можете объяснить что‑то 
простыми словами, значит, вы сами 
недостаточно хорошо это понимаете.
А. Эйнштейн 
С

кажите честно, много ли вы знали о своей будущей 
специальности, когда после окончания школы принесли свои документы в приемную комиссию Уральского федерального университета и решили стать турбинистом? 
И сколько осталось тех, кто потом не пожалел о своем выборе? 
Для того чтобы помочь школьникам сделать правильный выбор, а студентам — понять, чем, собственно, является и какое 
значение для энергетики в целом имеет этот сложный агрегат 
― турбина, авторы решили написать эту книгу.
Учебное пособие предназначено, прежде всего, для студентов первого курса кафедры «Турбины и двигатели» (лучшей в МИРЕ кафедре) Уральского энергетического института (Урал ЭНИН) — структурного подразделения Уральского 
федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, крупнейшего федерального университета 
России. Пособие может быть полезно также учащимся старших классов средних школ, выпускникам колледжей (техникумов) и абитуриентам вузов при выборе будущей профессии 
и конкретной специальности. Эта книга продолжает серию, 
начатую учебным пособием «Турбина ― это очень просто», 

Тепловая электрическая станция — это очень просто

идея которой выношена заведующим лучшей в мире кафедрой 
Ю. М. Бродовым в течение 50‑ти лет работы (и непрерывной 
учебы) в стенах УрФУ (ранее УПИ им. С. М. Кирова, позднее 
УГТУ — УПИ).

Авторы постарались простыми словами, как и советовал 

А. Эйнштейн, рассказать об истории развития главных составных частей электрической станции, основным элементом 
которой является турбоагрегат, о появлении первых тепловых 
станций, об устройстве современной тепловой станции, управлении энергетикой и перспективах ее дальнейшего развития. 
Чтобы читателю было интересно, мы включили в книгу занимательные истории, фрагменты биографий и факты из жизни 
великих ученых, инженеров и изобретателей разных стран, гением которых были разработаны фундаментальные основы теплотехники и электротехники, созданы турбины, генераторы 
и построены первые промышленные электростанции.

Материал учебного пособия изложен на доступном, даже 

популярном уровне, чтобы его могли читать не только студенты, но и школьники, а также люди, далекие от техники, 
но проявляющие к ней интерес. Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные советы и замечания, сделанные 
при подготовке учебного пособия к изданию. Теперь авторы 
и сами намного лучше понимают, как работает тепловая электрическая станция.

Вперед, читатель! Будет интересно!

Глава 1. ОТ ЭНЕРГИИ 
СТИХИЙ К ЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. Энергично об энергии 

Н

аверное, нет более широко употребляемого слова, 
чем энергия. Мы знаем множество громких и звучных словесных конструкций с этим словом. Почитайте только газетные заголовки ― тут и «Энергия созидания», 
и «Энергия разрушения», и «Энергия мысли», и «Энергия действия» и много еще подобного. А сколько разных компаний 
и предприятий носят название «Энергия»! Хотите — потренируйтесь сами и придумайте другие пафосные клише.
Однако кроме словесных упражнений у этого слова есть 
еще и строгий научный, точнее физический смысл. Понятие той физической величины, которую мы теперь называем 
энергией, оставалось неясным до середины XIX века. Ни Галилео Галилей, 
ни Исаак Ньютон — основоположники 
современной науки — не знали этого понятия и не пользовались им. Специальный термин энергия был введен в 1807 г. 
Томасом Юнгом.

Галилео Галилей (Galileo Galilei, 1564–1642) — 
итальянский физик, механик, астроном, философ 
и математик, оказавший значительное влияние 

Тепловая электрическая станция — это очень просто

на науку своего времени. Он первым использовал телескоп для наблюдения 
небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Галилей — основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он 
заложил фундамент классической механики. При жизни был известен как 
активный сторонник гелиоцентрической системы мира, что привело Галилея к серьезному конфликту с католической церковью.

Сэр Исаак Ньютон (Isaac Newton, 1643–1727) — 
английский физик, математик и астроном, один 
из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон 
всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал 
дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цвета и многие другие математические и физические теории. В начальной школе Исаак Ньютон 
учился весьма посредственно. Но ровно до тех пор, 
пока его не избил и не оскорбил лучший ученик 
в классе, нанеся Ньютону моральную травму. После 
этого все успехи Ньютона в учебе были блестящими.
Интересный случай из жизни знаменитого физика. Исаак Ньютон, как 
известно, был членом палаты лордов и посещал заседания палаты самым регулярным образом. Однако на протяжении многих лет Ньютон не проронил 
ни слова на заседаниях. Все замерли, когда наконец великий человек вдруг 
попросил слова. Все ожидали грандиозной и умной речи, но Ньютон в гробовой тишине провозгласил свою единственную речь в парламенте: «Господа, 
я прошу закрыть окно, иначе я могу простудиться!».
Согласно Википедии, энергия (др.‑греч. ἐνέργεια — действие, деятельность, сила, мощь) — это скалярная физическая 
величина, являющаяся единой мерой 
различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. 
Само слово энергия введено Аристотелем в трактате «Физика», однако там 
оно обозначало деятельность человека.

Томас Юнг (Thomas Young, 1773–1829) — 
английский физик, врач, астроном, полиглот 
и египтолог, человек с весьма разносторонними 

вие, деятельность, сила, мощь) — это скалярная физическая 

Глава 1. От энергии стихий к энергетике 

научными интересами. Один из создателей волновой теории света, автор гипотезы о поперечности световых колебаний. Юнг ввел в механику понятие 
модуля упругости (модуль Юнга) и термин «энергия». Разработал теорию 
трехкомпонентного цветного зрения, из которой, можно, несколько утрируя, сказать, выросло цветовое пространство RGB, объяснил процесс аккомодации глаза. С детства знавший латинский, греческий, еврейский и арабский, Юнг занимался расшифровкой египетских иероглифов и был первым 
человеком, прочитавшим имя Клеопатры.

В современной жизни этот термин мы слышим очень часто. 

Говорят об энергоносителях, источниках энергии, энергетической ценности продуктов. Большинство процессов во вселенной связано с изменением энергетических состояний. Переходы энергии из одной формы в другую обнаруживаются 
во множестве природных и бытовых явлений.

Современная физика изучает различные формы движения 

материи, их взаимные превращения, а также свойства вещества и поля. Подобно тому, как из семи нот образуется все 
многообразие музыки, так из различных форм энергии движения образуется все многообразие процессов во Вселенной. 
К наиболее общим формам движения материи относятся 
механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная 
и внутриядерная формы движения материи. Из всех видов 
энергии нас, теплотехников, больше всего интересует тепловая энергия.

Раньше всего человек использовал превращение механической энергии в тепловую, добывая огонь трением. Умение использовать огонь изменило жизнь человечества, стимулировало развитие цивилизации, научило людей широко применять 
в жизни различные процессы, связанные с тепловой энергией. Первичными источниками тепловой энергии в основном 
были и остаются органические топлива (уголь, природный газ, 
нефть, горючие сланцы и др.).

Многообразие форм существования энергии, свойство их 

взаимопревращения позволяют использовать для производства и потребления энергии различные топливно‑энергетические ресурсы и энергоносители.

Тепловая электрическая станция — это очень просто

Понимание единства и эквивалентности разных форм 
энергии сложилось к середине XIX века, когда был накоплен 
большой опыт преобразования одних форм энергии в другие. 
Опыты и наблюдения ученых говорили о том, что тепловая 
и механическая энергия могут переходить друг в друга и что, 
вероятно, можно найти экспериментально механический эквивалент теплоты, то есть количество работы в механических 
единицах, эквивалентное данному количеству теплоты в тепловых единицах.
Еще в 1744–1745 гг. М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях 
о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что 
тепловые явления обусловлены движением частиц тела — его 
молекул. Ломоносов решительно отверг господствующую тогда 
теорию теплорода. Ученый придерживался механической теории теплоты и утверждал, что теплота есть движение мельчайших частиц тела. Опытное доказательство правильности идей 
Ломоносова, значительно способствовавшее установлению механической теории теплоты, было дано лишь в конце XVIII в. 
Это сделал английский физик Бенджамин Румфорд (Томпсон).

Ломоносов Михаил Васильевич (1711–1765) — 
русский ученый, работавший во многих отраслях 
знаний, поэт, просветитель, один из самых выдающихся светил мировой науки. Родился в семье 
крестьянина в деревне Денисовка. В 1730 он пришел пешком в Москву, где получил образование 
в Славяно‑греко‑латинской академии. В начале 
1736 года, как один из лучших студентов, Ломоносов был направлен в университет при Петербургской академии наук, а осенью того же года — 
в Германию, где он изучал философию, физику, 
химию, минералогию. В 1741 после возвращения 
в Санкт‑Петербург назначен адъюнктом физического класса, а в 1745 — профессором химии 
(академиком) Петербургской академии наук. Ломоносов опубликовал труды по теории цвета, открыл (раньше Лавуазье) закон сохранения материи. 
В 1752 он написал на латинском языке «Введение в истинную физическую 
химию». Ломоносов был одним из создателей современного русского языка. 
Умер в Санкт‑Петербурге в зените славы.

Глава 1. От энергии стихий к энергетике 

Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (Benjamin 
Rumford, 1753–1814) — английский физик, член 
Лондонского королевского общества (с 1779). 
Родился в США. Систематического образования не получил. В 1766–1772 гг. работал мальчиком‑помощником в магазинах Сейлема в Бостоне и у врача в Уоберне, штат Массачусетс. 
В 1766–1776 — офицер милиции в Нью‑Хэмпшире, одновременно выполнял секретные задания 
командования Великобритании. В 1776–1781 служил в правительственных ведомствах в Лондоне, 
в 1781–1783 командовал королевским драгунским 
полком в войне за независимость в Северной Америке. В 1799 вернулся в Лондон, был инициатором 
основания Королевского института. С 1802 жил 
в Париже. Научную деятельность начал в 1778 (количественное измерение взрывной силы пороха). 
Кроме этого, Румфорд открыл и исследовал явление конвекции в газах и жидкостях, сконструировал ряд физических приборов и аппаратов (специальные термометры, фотометры для изучения 
поглощения света веществом и т. д.). Считается, 
что он изобрел кухонную плиту, кофеварку, армейскую полевую кухню, печи для обжига кирпича, паровую отопительную 
систему. В честь Бенджамина Румфорда Лондонское королевское общество 
учредило награду для выдающихся ученых — медаль Румфорда.

Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, 
Румфорд обратил внимание на то, что при сверлении и ствол 
пушки, и сверло сильно разогреваются. Румфорд проделал 
опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пу‑
шечного металла. В высверленный канал помещали тупое 
сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся 
во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что 
за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов 
Фаренгейта.
Наблюдая нагревание ствола пушки, он пытался объяснить 
это явление на основе господствующей тогда теории теплорода. 
Румфорд спросил себя: не происходит ли нагревание оттого, что 
получаемые от сверления металлические опилки обладают мень

Тепловая электрическая станция — это очень просто

шей теплоемкостью, чем обрабатываемый металл? В этом случае 
имеющееся в целом куске металла количество теплоты при переходе его в опилки может уместиться в них, только вызвав повышение температуры (это подобно тому, как ведро с водой, смятое 
с боков, содержит ту же массу воды, что и до смятия, но уровень 
ее в ведре становится выше). Однако оказалось, что теплоемкость 
сплошного металла и опилок одинакова, и поэтому дать такое 
объяснение наблюдаемому явлению нельзя. Тогда Румфорд предположил, что при сверлении теплота входит в изделие из воздуха. 
Он проверил это предположение, заливая рассверливаемый ствол 
водой. Результат, однако, получился прежний — в процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Вот тогда‑то 
Румфорд понял, что если можно получить теплоту в неограниченном количестве, для чего достаточно только продолжать сверление, то теплоту нельзя считать веществом (теплородом), и поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.
Немецкий физик и врач Юлиус Роберт Майер, заметив, что 
температура воды в медицинской колбе повышается, если ее 
несколько минут встряхивать, в 1842 г. вычислил механический 
эквивалент теплоты по разности удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме. В то время точные значения этих удельных теплоемкостей еще не были 
известны, а потому его результат был не совсем верным, хотя 
и правильным по порядку величины. Через три года Джеймс Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при 
преобразовании механической работы 
в тепловую энергию, и уточнил результат 
Майера.

Юлиус Роберт фон Майер (Julius Robert von 
Mayer, 1814–1878) — немецкий врач и естествоиспытатель. В работе «Органическое движение 
в его связи с обменом веществ» Майер четко сформулировал закон сохранения энергии и теоретически рассчитал численное значение механичеи правильным по порядку величины. Через три года Джеймс Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при 
преобразовании механической работы 
в тепловую энергию, и уточнил результат 
Майера.

Mayer
испытатель. В работе «Органическое движение 
в его связи с обменом веществ» Майер четко сформулировал закон сохранения энергии и теоретически рассчитал численное значение механиче