В прошлой статье мы описали эволюцию давлений пара в котлах паровых машин за последние 250 лет. Вот эта статья про давления пара в паровых котлах. И увидели- что чаяния многих энтузиастов пара в плане попыток создать простенький котел из старых газовых баллонов, это есть на 100% попытка создать что то примитивное. Ибо такой котел сможет создавать давление пара не выше 5-6 кгс/см2. А это давления характерные для 60-х и 70х годов 19 века. На таких давлениях паровая машина работать, несомненно, будет, но её КПД и мощность будут крайне малы.
Теперь поговорим о другой сладостной мечте многих самодельщиков от темы паровых машин. Это мечта состоит в том, что мечтается взять за бесценок старый изношенный автомобильных мотор от какой - нибудь старенькой «Лады» и умело сделать из него хороший паровой двигатель.
Я знаю, что такой мечте не суждено сбыться никак. Хорошо работать такой двигатель не будет никогда. Ещё как то крутиться его возможно сделать, но вот параметры и режим работы будут самыми примитивными. И сейчас я приведу основные технические аргументы и инженерные факты, которые подтвердят мою позицию.
Итак- паровая машина и бензиновый 4-х тактный бензиновые двигатель внутреннего сгорания работают по совершенно разным принципам преобразования энергии. И эта разница очень ярко отражается в их конструкции. Всё это приводит к тому, что многие узлы и агрегаты ДВС авто-мотора не могут быть применены (или могут быть применены с большими трудностями) для работы в режиме паровой машины.
Давайте перечислим такие трудности и недостатки относительно разных частей авто-мотора:
1. Первый и самый главный недостаток – это конструкция клапанов впуска и выпуска автомотора, как и в целом всей головки блока цилиндров. Мы сейчас будем рассматривать верхнеклапанные 4х тактные ДВС двигатели, которые в настоящее время занимают основное место в производственных линейках. Нижнеклапанные моторы сейчас практически не производятся. Основное противоречие ДВС авто-мотора и паровой машины тут заключается в том, что в этих разных типах моторов «область» создания максимального давления рабочего тела располагается в разных местах. В ДВС авто-моторе «область повышенного давления» возникает внутри цилиндра при поджигании свежего заряда горючей рабочей смеси, впускные и выпускные клапана должны изолировать эту область повышенного давления в цилиндре на время рабочего хода от полостей впускного и выпускного коллекторов. С такой ролью тарельчатые клапаны вполне хорошо справляются.
А в паровой машине- всё строго наоборот, «область повышенного давления» возникает вдали от цилиндра – в паровом котле высокого давления, и на момент расширения пара после момента «отсечки» и последующего расширения пара, котёл с его высоким давлением пара должен быть изолирован от рабочего объёма цилиндра, где в это время давление значительно уменьшается. Т.е. в этих разных типах мотора всё работает совершенно наоборот. Соответственно и тарельчатые клапана в двух разных системах двигателей работают совершенно по - разному. В следующей статье мы вернемся к этому вопросу и распишем эту тему с клапанами подробнее.
-
2. Второй важнейший недостаток авто-ДВС мотора, как исходника для переделки в паровой двигатель – это совершенно разные принципы заполнения рабочим телом высокого давления пространства внутри поршня. У 4-х тактного ДВС рабочее тело подается и сжимается на тактах «впуск» и «сжатие» и имеет чётко ограниченный и отмерянный объём. Поэтому после сгорания свежего заряда рабочей смеси и кратковременного пика скачка давления в районе ВМТ, потом давление только падает по мере рабочего хода поршня. А вот в паровой машине – по мере рабочего хода поршня, по паровой магистрали из котла рабочее тело (пар) продолжает поступать цилиндр и давить на поршень всё с той же силой. Т.е. в паровой машине рабочего тела подается несравнимо больше и дольше, чем в ДВС-моторе. Именно поэтому паровые машины имеют гораздо больший рабочий ход и (соответственно) большую длину цилиндра и ход поршня, а отсюда именно получается и мощный крутящий момент. Но, главное: как некоторые паровозы, так и пароходы (в особенности) имели несколько ступеней расширения. Так паровые установки на пароходах начала века, где давление пара было всего 15 кгс/см2, имели три цилиндра разного диаметра (высокого, среднего и низкого давления) и в довершение на выходе ещё и устанавливалась турбина мятого пара. Т.е. чтобы сработать весь энергетический потенциал пара устанавливались ЧЕТЫРЕ ступени расширения пара… И только тогда достигался приемлемый КПД применения паросиловой установки.
Если вспомнить «рыцаря паровой техники» первой половины 20-го века из США- Абнера Добля, то он на первых своих моделях в конце 10-х и начале 20-х годов прошлого века (модели С и D) он ставил паровые прямоточные машины одинарного расширения, то уже в моделях E и F (это конец 20х и начало 30х годов), Добль устанавливал на своих машинах паровые двигатели двойного расширения. Т.е. там был цилиндр высокого давления диаметром 66 мм и цилиндр низкого давления диаметром 114 мм. Ход цилиндров был 127 мм.
Так же у Добля был спроектирован и выпущен в нескольких экземплярах двигатель для автобуса, где был цилиндр высокого давления диаметром 114 мм и цилиндр низкого давления диаметром 190 мм. Только несколько ступеней расширения дают возможность более-менее эффективно превращать в мощность высокое давление пара.
А как сделать двигатель с цилиндрами разного диаметра и с высоким значением длины рабочего хода, из старого авто-мотора, когда современные авто-ДВС имеют (в лучшем случае) рабочий ход, который примерно равен (или заметно меньше) диаметру поршня??? А у паровых машин длина рабочего хода была примерно в ДВА РАЗА больше, чем диаметр цилиндра высокого давления. Именно поэтому все такие паровые машины делались крейцкопфными (т.е. не тронковыми). Тут даже блок цилиндров от старого дизеля не поможет. Т.е. задача сделать длинноходный паровой двигатель с несколькими ступенями расширения из старого ДВС мотора не осуществима.
3. Третий важнейший недостаток тронкового авто-ДВС мотора для переделки в паровую машину заключается в его тронковой конструкции. Т.е. под рабочими пространствами цилиндров расположен картер, где размещается коленвал и который заполнен маслом для смазки многочисленных узлов трения. В поршневом ДВС попадание горячего воздуха из надпоршневого пространства в картер не является чем-то неприемлемым и не имеет особых последствий. А вот просачивание пара в картер ведет к тому, что такой пар конденсируется в воду, эта вода смешивается с маслом и разносится по всей системе смазки… Последствие такого процесса следующие:
- вместо масла по каналам смазки начинает циркулировать масляно-водяная эмульсия, которая смазывает значительно хуже масла.
- вода присуствующая в этой эмульсии начинает вызывать ржавление – корозию во всех частях мотора, начиная от рабочих поверхностей цилиндров и шеек коленвалов, до клапанов системы парораспределения, элементов маслонасоса и пр и др.
В итоге мотор очень быстро выйдет из строя и во многих местах заржавеет изнутри.
По поводу проникновения пара в картер могу сказать следующее- перегретый пар во много раз более текучая и проникающая среда чем горячий воздух.
Давайте сравним плотность и кинематическую вязкость воздуха и водяного пара. Плотность воздуха при Т в 100 град С 0,946 кг/м³. Плотность пара при 100 град С – 0,598 кг/м³. Т.е. плотность водяного пара значительно меньше, следовательно он гораздо легче проникает в различные неплотности и микроскопические щели. При сильном нагреве разница в плотности воздуха и пара начинают различаться еще сильнее, и пар становится еще более легкоприникающим и текучим по сравнению с воздухом. Та же ситуация и с динамической вязкостью. На 300 град С динамическая вязкость воздуха - 18.46 мкПа-с, а водяного пара - 12,5 мкПа-с. На 600 град С разница еще сильнее: воздух имеет динамическую вязкость - 30.8 мкПа-с, а водяной пар - 21,5 мкПа-с. Следует учитывать- что данные по пару касаются насыщенного пара, а параметры вязкости для перегретого пара будут еще меньше.
Осознав все приведённые мною факты, читатель может понять. почему все попытки сделать более или менее мощную паровую машину из авто-мотора, оканчиваются провалом. Да- такие моторы могут работать "на холостую" и бодро крутить маховик, но вот мощность из них выжать крайне трудно. Как пример- известный среди любителей паровых поделок видео ролик, где команда вполне грамотных и профессиональных автомехаников пытается сделать паровой автомобиль из старой Лады. Итог таков - по ровному месту это авто как-то еще ездит, а минимальный пригорок ей уже не по силам. Машина не может на него взобраться.... И пар в котле очень быстро заканчивался.
Так же, смыслив все цифры из последнего абзаца, мы можем понять один интересный факт из технической практики: почему в пневоминструменте массово и многообразных конструкциях используются разные ротационные и роторные конструкции. Действительно- на любом шиномонтаже есть пневмогайковерты, основу которого составляет и успешно работает ротационный моторчик от сжатого воздуха.
А вот если в этот пневмогайковерт дунуть перегретым паром- он крутится не будет, а весь пар пойдет во все щели внутри пневмомотора между ротором и корпусом сквозняком на выход… И все дело будет в малой плотности перегретого водяного пара и малой динамической вязкости, по сравнению с воздухом. Отчасти дело будет и в термическом расширении деталек моторчика– они от нагрева расширятся и заклинят. Но основное дело будет в высокой проникающей способности пара просачиваться в любые щели по сравнению с воздухом.
Вывод из этой статьи таков- из старого автомобильного мотора- хоть бензинового, хоть дизельного, даже при очень большом старании получить паровую машину с относительно нормальными характеристиками не выйдет. Она как то крутится сможет, но мощность будет мала, а расход пара- очень большим.
В следующей статье мы более подробно остановимся на возможности конструкции клапанов для парового двигатели и паровой машины.
Так же напоминаю- что автор этого канала и всех его материалов из 8 десятков статей и видео роликов, является производителем малых паровых машин для целей автономной независимой электрогенерации на дешевом твердом топливе. Мой сайт - http://alter-mini-energy.ru
