Часть шестая. КПД — не главное
Начинаю небольшой цикл по двигателям своей схемы. В этой части будет описан двигатель, который должен работать за счёт энергии теплого воздуха. Этот двигатель один из многих. Отдельно по этому двигателю я схем не делал. Все детали не указал. Будут вопросы, пишите в комментариях.
#хакнем_изобретения 👈 познавательная рубрика, в которой наши читатели рассказывают о своих изобретениях или открытиях, контент, как для школьников, так и для взрослых 🥳
При описании двигателя указывается КПД (коэффициент полезного действия), сравниваются, и если КПД высокий, то и двигатель хороший.
У меня произошла проблема, КПД ушёл за 100 %, а этого не может быть. А теперь на КПД особенно и не обращаю внимания.
Попытаюсь рассказать про двигатель (условное название «Теремок»), который должен работать за счёт тепла окружающего воздуха. Этот двигатель один из многих, просто на нём удобнее показать КПД.
До этого предлагаю читателям познакомиться с двигателем Тверского Н.Н. (видео есть в интернете, там очень хорошо показан процесс его работы).
Хотя у моего двигателя и у двигателя Тверского Н.Н. имеются различия, но есть и общее. Двигатели роторные, лопастные. В двигателе (в рабочей части) нет системы смазки. В моём двигателе нет охлаждения, как принято понимать в ДВС.
В чём преимущества роторных двигателей? У них выше значение крутящего момента. Плечо крутящего момента в моём случае больше в 6 раз по сравнению с поршневым (мой двигатель имеет форму цилиндра, также, как и электродвигатель, без выступов). Площадь лопастей тоже выше. В общем эти два значения выше в 10 раз и больше по сравнению с поршневыми.
А об этом конструкторы знают? Да, об этом хорошо известно. Но, у роторных двигателей есть проблема: из-за высоких угловых скоростей нельзя сделать уплотнения, дисбаланс и неравномерное нагревание стенок. Да и распирать будет стенки двигателя от внутреннего давления, ну и другие проблемы.
Как сказано, площадь лопастей и плечо крутящего момента выше раз в 10 чем поршневого двигателя тех же габаритов. Значит, для получения крутящего момента, сравнимого с ДВС такого же размера, можно уменьшить третье значение, а именно: среднее рабочие давление и тоже в 10 раз (можно и больше, если это нужно).
Немного истории. Идея возникла ещё в Астраханской мореходке, когда я делал курсовые. Но опыта не было, и знаний маловато, и ещё не хватало одной детали. Когда гораздо позже увидел двигатель Тверского, то нашёл эту деталь — это затвор, надёжное и простое устройство для закрытия полости расширения или сжатия.
Идея двигателя заключается в том, чтобы всё тепло уходило в работу. Для этого необходимо разделить двигатель на зоны, где каждый процесс шёл в оптимальном варианте и поддерживал соседний процесс. Мой двигатель отличается от Тверского тем, что всасывание идёт от центра. Двигатель разбит на компрессор, камеру сгорания, рабочую часть и дополнительные вспомогательные зоны. Двигатель представляет собой цилиндр.
Здесь будет говорится про двигатель, который должен работать только за счёт теплого атмосферного воздуха. Это самое сложное в смысле возможности таковой вообще.
Строение двигателя
Внутри в районе центра — компрессор (имеется ещё вспомогательный радиальный компрессор, на роторе), за компрессором — неподвижная камера сгорания и вокруг всего рабочая часть (почти как авиационный турбо компрессорный двигатель, только расположение иначе). Все детали, которые должны применятся в двигателе, должны быть надежными, и для этого они уже должны быть использованы в технике, и их работа проверена временем. Все узлы, которые требуют обслуживания, находятся в удобном для работы местах и обслуживания. При необходимости можно внутри вмонтировать приборы наблюдения.
Работа
Тёплый воздух затягивается последовательно двумя компрессорами. Входные окна находятся на цилиндрическом корпусе. Двигатель дополнительно оборудован холодильным оборудованием. Воздух в процессе сжатия охлаждается испарителями (как это делает морозильная камера бытового холодильника) для уменьшения объёма воздуха и уменьшения затрат на сжатие. Места и площади для испарителей достаточно. Температура не может опускаться ниже температуры замерзания воды (вода имеется в атмосфере, и она может замерзнуть в двигателе, что не желательно).
В этом двигателе «камера сгорания», которая представляет теплообменник в виде радиатора, вынесен за пределы двигателя (двигатели могут иметь камеру сгорания снаружи или внутри по необходимости). Холодный сжатый воздух двигается по радиатору и нагревается за счёт окружающего воздуха. Это может быть помещение, которое нужно охладить или другое.
Здесь вернусь к среднему рабочему давлению. Двигателю не требуется большое давление, он может работать при очень низких значениях давления. Все возможные утечки воздуха из рабочей или других зон перекрываются противодавлением. Меры эти разнообразны, например, дополнительный радиальный компрессор выполняет эту задачу и, кроме этого, ещё создаёт наддув, уменьшает центробежные силы ротора.
Однако энергии теплого воздуха может быть недостаточно, поэтому необходимо учитывать и теплоёмкость воды. То есть испарять воду капиллярным методом в теплообменнике, тем самым забирая из окружающего воздуха максимальное возможное тепло.
После того, как воздух увлажнился и нагрелся за счёт теплоты окружающего воздуха, этот воздух, который имеет достаточное давление, направляется в рабочую часть. Рабочая лопасть имеет максимально возможное плечо крутящего момента. К рабочей полости подводится тепло, которое забрали при охлаждении во время сжатия. Конденсаторы (на бытовых холодильниках — трубки на задней стенке, которые горячие при работе холодильника) устилают поверхность рабочей полости и нагревают его.
Воздух, попадая из теплообменника в рабочую полость, начинает расширяться и охлаждаться, но, благодаря теплу конденсатора, нагревается и увеличивает объём, а значит и давление. Парциальное давление водяного пара тоже идёт в общую копилку. Утечки воздуха в районе компрессора перехватываются и направляются в рабочую лопасть, где они, выходя в рабочую полость, создают реактивную силу (у меня в рабочей полости газ и пар могут подаваться с двух сторон). Это для увеличения оборотов.
Хочу ещё раз обратить внимание, что энергии в тёплом воздухе очень мало, вот если бы сюда каплю бензина..., но тогда это будет уже другой двигатель.
Я посчитал энергобаланс, вроде выход будет, но...
Итак, какой КПД? Сопротивление воздуха имеется? Да. Холодильное оборудование электричество потребляет? Да. Тепловые потери есть? Нет, их совсем нет. А механические потери, несколько подшипников и приводы затворов. Приводы могут быть разными, включая электрические.
Как считать? По Кельвину. От абсолютного нуля до нуля по Цельсию 273 градуса и плюс температура наружного воздуха. Где-то 300 градусов по Кельвину. Из этих 300 мы «освоим» 30 градусов (надеюсь, больше).
30 градусов — это десятая часть от 300 градусов , то есть 10 %. Из этих десяти процентов половина уйдёт на потери, останется 5 % КПД, и причём этот КПД будет «гулять» в зависимости от температуры наружного воздуха. И теперь много это или мало?
После этого я престал со «священным трепетом» относиться к КПД. Есть, ну и ладно. Вот у электродвигателей КПД 95 %, и когда покупаешь электроинструмент, спрашиваешь мощность, напряжение, обороты, производителя и другое, но никогда не спрашиваешь КПД.
Продолжение здесь.
Автор: Гайнуллин Зуфар Хурматуллович, 55 лет, Казахстан, судоводитель — судомеханик.
Цикл статей автора читайте по ссылкам:
ЧАСТЬ 1 ЧАСТЬ 2 ЧАСТЬ 3 ЧАСТЬ 4 ЧАСТЬ 5 ЧАСТЬ 6 (текущая) ЧАСТЬ 7 ЧАСТЬ 8 ЧАСТЬ 9 ЧАСТЬ 10
Читайте наш канал в телеграм — по этой ссылке
#хакнем_изобретения 👈 если Вы хотите, чтобы о Вашем изобретении или открытии узнали как можно больше читателей, напишите нам о нём на почту: story@haknem.com , и мы опубликуем ваш рассказ на канале Хакнем Школа от Вашего имени
