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»  

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2016 

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

На обложке использовано изображение с сайта https://www.minenergo.tuva.ru

Т34

Тепловая электрическая станция ― это очень просто : 
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. — Екатеринбург : Изд‑во 
Урал. ун‑та, 2016. — 203, [1] с.
ISBN 978‑5‑7996‑1726‑4

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

ISBN 978‑5‑7996‑1726‑4
© Уральский федеральный  
     университет, 2016 

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