Химия и Химики № 7 2014. Искры из пара. Рассказ о гидроэлектрическом генераторе Армстронга

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Таинственный взрыв трех крупных нефтяных танкеров в 1969, казалось бы, не имел какой-либо связи с событиями в одной шахте в графстве Нортумберленд в 1840 году. Однако, нет взрыва опаснее, чем взрыв из-за электризации влажного пара и воды под высоким давлением - по мнению тех, кто отвечает за чистку крупных нефтяных резервуаров.

Было это осенью 1840. Королева Виктория недавно вышла замуж за принца Альберта, который был на престоле три года. Промышленная революция едва набирала полный ход, и оставалось еще два года, прежде чем королева осмелится проехать по железной дороге. Научный мир собрался на заседании Британской Ассоциации в Глазго. На собрании можно было ознакомиться с некоторыми идеями по изучению электричества и магнетизма, которым было уделена весьма скромная часть повестки дня. Только два доклада были представлены на рассмотрение. Профессор Якоби описал свои эксперименты по электромагнитной тяге для судов. Также было сообщение о демонстрации необычайного по силе гигантского электромагнита, которую провел Урия Кларк. В Ньюкасл-апон-Тайн, Уильям Армстронг, молодой неизвестный адвокат с научным уклоном, который позже стал одним из самых мощных промышленников 19-го века, начал исследовать возможность использования гидравлической силы в приводах механизмов.

Первые поражения электрическим током

Угольная Железная Дорога Крамлингтона располагалась недалеко от Ньюкасла и была построена, чтобы перевозить уголь из шахты к реке Тайн. В Сехилле был локомотив в 28 л.с., который использовали для подъема вагонеток по наклонной дороге от шахты к Сехилл, после чего по другой дороге из Сехилл они опускались к Тайн. Однажды, в конце сентября, машинист заметил утечку пара между фланцем предохранительного клапана и его основанием (рис. 1) на одном из двух тяговых котлов [1]. Думая, что давление в котле избыточно, он пытался оттянуть предохранительный клапан. Для этого он должен был стоять в потоке пара и, как только машинист коснулся предохранительного клапана, он почувствовал странное ощущение покалывания на концах пальцев. Поскольку он был окутан облаком пара и не мог видеть должным образом, машинист подумал, что просто сильно ударился пальцами об противовес.

Рис.1 Электризация водяного пара. Утечка пара из-под фланца предохранительного клапана на стационарном котле в Сехилл стала причиной того, что машинист получил удар электрическим током, когда он открыл предохранительный клапан.

В течение следующих нескольких дней погода была хорошей и сухой, и машинист испытал те же ощущения с еще большей силой. 2-го октября он набрался смелости и рассказал все своим коллегам по работе, которые также сталкивались со странными ощущениями. Машинист Паттерсон был наблюдательным человеком, и он организовал некоторые элементарные эксперименты. Он осторожно положил руку на предохранительный клапан и, как только Паттерсон сделал это, он увидел искру. Эксперимент был повторен всем коллективом. Они обнаружили, что самый сильный разряд происходит, когда экспериментатор стоит в прямом потоке пара, а не в окружающем облаке. Также выяснилось, если он стоял на кирпичной кладке, поддерживающей котел, то от экспериментатора могли исходить сильные искры к окружающим людям, когда те протягивали к экспериментатору руки. Наглядное и точное описание наблюдаемых явлений, сделанное Паттерсоном, вызвало интерес в Ньюкасле.

Вскоре весть про "нечто сверхъестественное" [2] дошла до инженера шахты мистера Маршалла. Он подумал, что котел находится во взрывоопасном состоянии (что в те дни было сплошь и рядом), о чем известил подрядчиков - господ Хоукс в Гейтсхеде. Как он тогда выразился: "Если огонь на внешней стороне котла, то я понятия не имею, что там может быть внутри". Мистер Голайтли Хоукс прибыл на место происшествия, признал котел безопасным, а затем вернулся домой, будучи удивленным и озадаченным на счет искр. Он поделился этой проблемой с другом, мистером Смитом, в результате Смит и Хью Ли Паттинсон отправились в Сехилл для проведения расследования 11-го и 12-го октября.

Исследователи обнаружили, что, помещая одну руку в поток пара и касаясь котла перочинным ножом (зажатым в другой руке), они могли получить небольшую, но отчетливую искру. Лучшие эффекты наблюдались, когда экспериментатор держал большую лопату в одной руке и перочинный нож в другой, в результате они получили искру в 3/8 дюйма (≈ 0.95 см). Электрометр давал сильное отклонение [отклонение пластин или стрелки электрометра - показатель присутствия электрического заряда], но возникли проблемы из-за конденсации пара. Поэтому мистер Смит остался стоять на изолированном стуле в котельной, держа лопату в потоке пара, в то время как Паттинсон перешел в паровозное депо, где были несколько более сухие условия. Лопата была соединена с инструментами в котельной длинным куском медной проволоки, которую поддерживали через равные интервалы ассистенты (с помощью палочек сургуча).

К этому времени собралась большая толпа из Пит Роу или шахтерского поселка возле шахты, "толпа, привлеченная новизной и необычностью явлений, заполнила депо и смотрела на нас с большим любопытством и интересом. 16 мужчин и женщин стали в круг и получили, к своему удивлению и радости, мощный разряд от заряженной (Лейденской) банки. Эксперимент был повторен несколько раз, число получавших удар током каждый раз варьировалось от 12 до 20".

Восхищает сообразительность Паттинсона, который нашел такой эффективный способ для управления толпой любопытных зевак и который привил людям здоровое уважение к процессу научного исследования, превратив его в большое общественное событие. Высоких оценок заслуживает и бесстрашное исследование Генри Смита. Многие ли из нас - людей, которым привили понимание опасности электричества, провели бы подобное исследование с таким пренебрежением к личной безопасности?

Между тем появляется конкурирующая группа исследователей, в том числе Уильям Армстронг. Армстронг, не теряя времени, сообщил свои выводы Фарадею. В своем первом письме он описывает явление и их суть, минуя упоминания о жителях Пит Роу.

К моменту написания своего второго письма ученый должен был провести некоторые эксперименты, предложенные Фарадеем, в письме он сообщил о наличии электричества, когда предохранительный клапан был сорван. В третьем письме ученый отметил, что он проводил эксперименты на паровозных котлах, и предложил Фарадею следующее: "я не сомневаюсь, что Вы встретитесь с подобными явлениями (в большей или меньшей степени), если Вы воспользуетесь локомотивными котлами на любой из лондонских железнодорожных станций". Воспользовался ли Фарадей этим предложением, неизвестно. Было интересно узнать, как эту идею восприняли бы железнодорожные компании.

Фарадей отправил первые два письма в Лондонский и Эдинбургский философский журнал (Philosophical Journal), куда они попали вместе с письмами, написанными в журнал непосредственно Паттинсоном. Результатом стала долгая переписка, уходящая в 1843 год, в котором Армстронг принял большое участие.

К ноябрю 1840 г. он и Роберт Николсон, инженер железной дороги в Норт Шилдс, получили 2 электрических разряда от локомотива в локомотивном депо [5]. "При резком поднятии клапана, когда в депо было темно, край рычага и края латунной чаши (окружавшей клапан) стали светящимися от электричества, которое было наиболее сильным в момент поднятия клапана, а затем быстро утихшим, став очень слабым по истечении одной секунды".

Эксперименты

Армстронга заинтересовал вопрос: где пар становился электризованным, как он электризовался. Чтобы получить ответы, он построил специальный аппарат (рис. 2). Измеряя потенциалы в точках е, с и b ему удалось определить, что электризация пара происходит при входе в атмосферу, а внутри котла пар находится в не электризованном состоянии.

Рис. 2. Устройство Армстронга для определения механизма электризации пара. Измеряя электрические потенциалы в точках b, с, е он доказал, что электризация пара происходит в точке выхода пара в атмосферу и отсутствует в котле или когда пар проходит по изолированным трубкам a и d.

Паттинсон не отставал [6]. Он получил 4 искры из Веллингтона, принадлежащего железным дорогам Ньюкасла и Карлайла. В заключительном письме от 18 ноября 1840 года в Философский журнал (Philosophical Journal), он говорит: "Это, конечно, несколько любопытно рассматривать великолепные локомотивы, которые мы видим каждый день, как огромные электрические машины, но, несомненно, они ими являются".

Как видно из последующей переписки (в которой Паттинсон не принимал дальнейшего участия) электричество, полученное с помощью пара, не было до этого неизвестным. Вольта заметил, что раскаленный докрасна уголек, брошенный на изолированную железную сковороду, полную воды, значительно влиял на показания электроскопа. Джон Уильямс из Вустера отметил, что небольшая, изолированная переносная печь получает сильный отрицательный заряд сразу после добавления свежего топлива, причину этого он объяснял тем, что из печи вырывается облако густого дыма. Совокупность фактов, однако, все еще оставалась расплывчатой, и именно эксперименты Армстронга, проведенные с целеустремленностью и энтузиазмом, соорудили прочный фундамент данной дисциплины.

Весь 1842 год Армстронг был занят отчетами о своих экспериментах [7,8]. Он обнаружил аналогичные явления, вызываемые сжатым воздухом (23 января 1841), и вскоре мы находим описания его "испарительного аппарата" (рис. 3) [8]. Это был вертикальный котел из литого орудийного металла с печкой внизу. 30 дюймов высотой и внутренним диаметром в 4 дюйма. Котел и печь находились на стеклянных опорах (для изоляции). В мае 1841 Армстронг пишет, что "получение электричества с помощью пара имеет несколько важных преимуществ по сравнению с обычным способом его получения. Электропаровой аппарат работает самостоятельно, что оставляет оператору постоянную свободу для обработки результатов. Его высокая температура позволяет аппарату работать независимо от влажности атмосферы, которая сильно ухудшает работу электрофорной машины; и, наконец, его крайняя простота защищает аппарат от повреждения или неисправности" [9].

Рис. 3. Первый испарительный аппарат Армстронга. Пар нагревали внутри котла с внешним дымоходом и выпускали в атмосферу через фрикционное сопло. Поток пара контролируется с помощью задвижек. Весь аппарат поддерживался на стеклянных ножках.

К концу 1842 года [11] ученый обзавелся более основательным горизонтальным котлом из кованого железа 3.5 футов в длину и 1.5 футов в диаметре с внешним нагревом и закругленными концами. Котел был установлен на железной раме над топкой: все это поддерживалось стеклянными ножками.

"Несмотря на огромное рассеивание электричества, которое при высокой напряженности происходило из-за пыли, испарений от огня и угловых частей аппарата, я мог получать искры 12 дюймов в длину (≈ 30.5 см). Искры с большой скоростью образовывались на округлых концах котла и, если к устройству был бы прикреплен выступающий шар соответствующих размеров, - вероятно, удалось бы получить более длинные искры" [10]. Ключевой особенностью данного аппарата была конструкция, объединяющая паровой кран и фрикционные сопла, которые, по нескольку штук монтировались на железном сосуде, подключенном к котлу (рис. 4). Назначением железного сосуда было обеспечение контроля над степенью частичной конденсации пара, прежде чем он входил в сопла. Перед выпускным патрубком из твердого дерева находилась латунная крышка, форма которой показана на рисунке. В крышке создавался эффект резкого изменения направления движения пара, для чего служили два прямоугольных изгиба. Изгибы меняли направление потока пара, тем самым, по-видимому, создавая турбулентный поток, в результате трение, а значит и электризация были максимальными. Заряд пара был положительным, а заряд на котле - отрицательным, хотя, как обнаружил Фарадей, небольшая примесь скипидара может поменять полярности на противоположные.

Рис. 4. Детали фрикционного сопла используемого для получения заряда. Пар подается через запорный кран в сопло, изготовленное частично из латуни, а частично из красного дерева. Вихревой поток, предварительно прошедший два последовательных прямоугольных изгиба, приводил к значительному накоплению заряда в деревянной секции.

Армстронг высказался о возможности сооружения более крупной машины, эквивалентной паровой машине локомотива (по мощности продуцирования пара), с сотнями паровых струй. К 1843 такая гигантская машина с 46 форсунками, надлежащей топкой и газоходами была построена для Лондонского политехнического института. Подобная установка была экспортирована в США примерно в то же время [12, 13].

Машина, изготовленная для Политехнического института, наверняка была удивительной и опасной, ибо она давала искры до 22 дюймов длиной (≈ 55.9 см) и извергала огромные количества пара, который, как сказано в одном учебнике по электричеству, "помимо причинения оглушительного шума имел вредное свойство обволакивать все в пределах досягаемости".

Джеймс Уайлд, который много раз использовал машину, рассказал, что "некоторым людям стоило повторить испытание с ударом искры в 2 дюйма длиной; а один сильный мужчина, который случайно получил удар, когда пар выпускался под давлением 90 фунтов (36 атм.) сразу упал и в течение некоторого времени оставался без сознания". Большой собаке породы ньюфаундленд, которая имела несчастье стать частью эксперимента, повезло меньше - она погибла. Экспериментаторы были настолько загипнотизированы машиной, что игнорировали опасность того, что котел выкипит, и эксперимент (а также их собственная жизнь) прекратится в результате взрыва. Однако в те дни это было самое эффективное средство получения высокого напряжения, и даже сегодня такое устройство кажется идеалом: производство электроэнергии без движущихся частей.

Кропотливые исследования Армстронга по электризации пара и развитие его гидроэлектрического генератора принесли автору известность, и в 1846 году он был избран членом Королевского общества по рекомендации Уитстона, Фарадея и других. Впоследствии, он переключил свои интересы на другие области, например, гидравлику и оружейное дело. К концу своих дней, однако, он назвал гидроэлектрическую машину своей "первой электрической любовью" [14], и, будучи стариком в возрасте восемьдесят лет, ученый на короткое время вернулся к ней. К тому времени, были разработаны машины Уимхерста, и он и его коллега профессор Фрауд нашли последние более подходящими для своих целей. Они описали свои результаты в увлекательной книге под названием "Электрические движения в воздухе и воде", на страницах которой есть несколько замечательных фигур Лихтенберга.

Отрицательные стороны эффекта, актуальные в наши дни

Один маленький гидроэлектрический генератор все еще существует и находится за стеклянной витриной в музее Науки и Технике Ньюкасла (рис. 5). Тем не менее, "эффект Армстронга", как он до сих пор известен на Северо-востоке, не так уж и редок. Он продолжает проявляться в самых неожиданных местах и время от времени доставляет значительные неприятности.

Рис. 5. Гидроэлектрический генератор в его окончательной форме. Котел с внутренним дымоходом стоит на четырех стеклянных опорах. Пар подается из котла в сопло трения с множественными выходами. Заряд накапливался на гребёнке, как показано на рисунке. Подобный аппарат находится в Музее Науки и Техники, Ньюкасл-апон-Тайн.

Электричество рождается за счет трения, когда водяной пар выходит из треснувших паровых труб; когда струи аэрозоля вырываются из баллончиков или за счет перемещения частиц пыли. Часто этого электричества бывает достаточно для возникновения искр, которые могут вызвать воспламенение газов и стать причиной взрыва. В больших турбинах низкого давления, где пар очень влажный, подшипники иногда бывают повреждены статическим электричеством, если вал не был заземлен. Роммель был вынужден остановить свои войска во время своего первого быстрого продвижения к Ливии в 1941 году из-за взрывов, которые произошли в немецких танках на передовой [15]. Сначала подумали, что эти взрывы были из-за мин, но в конечном итоге обнаружили, что мелкий песок, гонимый ветром, вызывает накопление статического заряда на танках. Заряд, при достижении танком участка земли с большей проводимостью, внезапно разряжался (стекал в землю) с образованием искры и последующим взрывом. Выход был простым: нужно было заземлить каждый танк с помощью длиной цепи. К счастью (с нашей точки зрения), задержка была достаточной, чтобы изменить дальнейший ход кампании.

Эффект Армстронга также использовался в некоторых конструкциях электростатического распылителя, в котором капельки краски заряжаются до высокого потенциала при трении, когда они выходят из распылительного сопла [16]. Такие распылители используются, потому что они позволяют экономить от 25 до 75% краски; также при этом повышается прилипание краски к острым углам.

Тем не менее, знания об электростатических эффектах, вызываемых движущимися частицами, не очень широко распространены. На самом деле электростатика - это Золушка большинства электротехнических курсов. В декабре 1969 года трем очень крупным нефтяным танкерам [17] был нанесен серьезный ущерб от взрывов в их грузовых резервуарах. Оказалось, что на всех трех танкерах проводили мойку резервуаров с помощью струй воды под высоким давлением, - возникшего от трения заряда было достаточно, чтобы вызвать взрыв. Этот случай показывает, как легко фундаментальные знания, когда-то широко распространенные, были забыты со временем. Если бы судовладельцы приняли во внимание эффект Армстронга они, несомненно, использовали бы для чистки резервуаров другие методы - чтобы избежать опасности.

Круг замкнулся. Мораль такова: мы должны были заинтересовать студентов в прошлом, чтобы избежать дорогостоящих ошибок в настоящем. Искры от пара, воды, муки или песка кажутся безобидными, но они могут стать смертоносными.

Литература:
1) PATTINSON. H.L.: 'Experiments on the electricity of high pressure steam'. Phil. Mag., 1840, 17, pp.375-379

2) 'Obituary of Lord Armstrong' Newcastle Daily Chronicle, 27th Dec. 1900

3) ARMSTRONG. W.G.: 'On the electricity of a jet of steam issuing from a boiler', Phil. Mag., 1840, 17, pp.370-374

4) ARMSTRONG, W.G.: Letter to Michael Faraday dated the 25th October 1840, IEE Archives

5) ARMSTRONG, W.G.: 'On the electricity of effluent steam'. Phil Mag., 1840, 17, pp.452-457

6) PATTINSON. H.L.: 'Further experiments on the electricity of steam'. Phil. Mag., 1840, 17, pp.457-462

7) ARMSTRONG. W.G.: On the electricity of effluent steam'. Phil. Mag. , 1841, 18, pp.50-57

8) ARMSTRONG, W.G.: 'On the electrical phaenomena attending the efflux of condensed air and of steam under pressure'. Phil. Mag., 1841, 18, pp.328-337

9) ARMSTRONG, W.G.: 'Further experiments on the electricity of effluent steam'. Phil. Mag., 1841, 19, pp.25-27

10) ARMSTRONG, W.G.: 'On the efficicncy of steam as a means of producing electricity and on a curious action of a jet of steam upon a ball', Phil. Mag., 1843, 22, pp. 1-5

11) STURGEON, W.: 'Steam electricity'. Annals of Electricity, 1843. 10, pp.199-200

12) ARMSTRONG. W.G.: Description of a colossal hydroelectric machine, with a notice of some phaenomena attending the production of electricity by steam'. BA Report. 1845, Part 2. pp. 30-31

13) WYLDE. J.: Circle of the Sciences. 1, p.172-173

14) DOUGAN, D.: 'The great gunmaker' (Frank Graham, 1970), p.28 and p. 169

15) SALOMON, Т.: 'Harmful effects of electrostatic charges on machinery and lubricating oils'. Paper read to the Institute of Petroleum, 17th Sept. 1958

16) BRIGHT. A.W.: Modern electrostatics - progress in research in electrostatic generators'. Phys. Education, 1974, 9, pp.381-389

17) HUGHES. J.F., BRIGHT. A.W., MAKIN. B.. PARKER, I.F.: ' A study of electrical discharges in a charged water aerosol', J. Appl. Phys., 1973, 6, p.966

Оригинал:
A.F. Anderson - Sparks from steam. The story of Armstrong hydroelectric generator // Electronics & Power, January 1978 [ссылка]

Фигуры Лихтенберга образуются при распространении электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектрика (твердое тело, жидкость, газ)

Нога человека, пострадавшего от близкого удара молнии. Обратите внимание на красную разветвленную линию, которая образовалось в результате прохождения вверх по ноге электрического тока

Комментарии

^К1 Именно по указанной в статье причине произошел пожар на Углегорской ТЭС 29.03.2013. Всего-то - маленькая трещина в рукаве подачи угольной пыли в топку.

^К2 Вот еще цитата с описанием данного эффекта:

"...Ответ подсказывают эксперименты украинского 85-летнего физика-неформала Д.Р. Кезикова из г. Конотопа. Он, будучи на пенсии, осуществил с помощью сына простой опыт, который любой читатель может воспроизвести в домашних условиях. Они поставили на печку металлический чайник с водой, корпус которого заземлили, а на носик чайника надели конец полутораметрового резинового шланга. В шланг почти до самого чайника ввели оголенный провод, конец которого присоединили к клемме миллиамперметра с заземленной второй клеммой. Когда вода в чайнике начала испаряться, конденсируясь затем в шланге, охлаждаемом снаружи льдом, миллиамперметр показывал наличие электрического тока. Если же измерительный прибор на минутку отключали от заземляющего провода, то при последующем подключении его обратно к этому проводу он зашкаливал - столь велик оказывался накопившийся отрицательный заряд.

Знаменательно, что этот эксперимент, который вполне можно назвать одним из последних красивейших и важнейших экспериментов уходящего XX века, впервые был выполнен не в современной научной лаборатории, а в условиях, в каких ставили свои знаменитые эксперименты М. Фарадей и А. Ампер на заре электрической эры..."

Обратите внимание, что под струю пара подставить нужно было только кончик провода.