Туман.
Я говорил что рабочим телом в Самоваре является туман. Это не моя хотелка это обоснованный вывод.
Какими свойствами должно обладать рабочее тело паровой машины работающей при температурах около 25℃?
Рабочее тело должно конденсироваться и испаряться при температурах около 25℃ так же хорошо как и обычная вода в привычном на паровозе.
Что еще?
Еще рабочий цикл замкнут. В конструкции присутствует ротор т.е. фазовые переходы идут непрерывно. Поэтому скорость переходов чрезвычайно важна.
Что нужно сделать чтобы максимально увеличить скорость испарения и конденсации?
Начнем с испарения.
Мы привыкли к мысли, что самое быстрое/интенсивное испарение это кипение. Если смотреть на ситуацию в лоб, то это действительно так. При атмосферном давлении вода кипит при температуре 100℃. Кипение это испарение по всему объему жидкости. Это значит что любая молекула плавающая в объеме имет возможность испариться. Соответственно, скорость испарения, литры в минуту, зависит исключительно от количества энергии подведенной к воде. Подвел к кастрюльке 50 кВт, вся вода испарится за минуту. Подвел мегаватт испарение произойдет одним хлопком. Регламентирующей величиной является только подведенная энергия.
Если же мы говорим об испарении жидкости при комнатной температуре , то говорим о ситуации когда подводимой энергии недостаточно для того чтобы переход могла совершить абсолютно любая молекула. Испарятся могут только те которые плавают на поверхности. В этом случае регламентирующей величиной является свободная/открытая поверхность жидкости с которой происходит испарение. Если в блюдце и стакан налить одинаковое количество воды, то из блюдца вода испариться быстрее, потому что площадь с которой молекулы выпрыгивают в газовую фазу у блюдца больше, соответственно и прыгунов в единицу времени больше.
Туман это подвешенная в воздухе вода. Капельки маленькие, но их очень много. Суммарная площадь их поверхности огромна. Соответственно, испарение происходит мгновенно.
Это как прикол с легкими. Вроде небольшие, однако площадь активной поверхности у них 250 квадратных метров.
Конденсация.
В предыдущей статье. Я написал.
Вопрос. В каком месте нашей молекуле легче потерять энергию? Взаимодействуя/сталкиваясь с энергичными молекулами газа или взаимодействуя с флегматичными (более медленными) молекулами жидкости?
Естественно, взаимодействуя с молекулами жидкости. Т.е. если молекула пара контактирует с жидкостью, то изменить свое агрегатное состояние шансов у нее больше.
Скорость конденсации выше если молекулы пара контактируют с жидкой фазой. Следовательно скорость конденсации тоже будет зависеть от площади контакта двух фаз. В тумане, пар, в буквальном смысле слова, окружен водой - мелко дисперсными каплями. Скорость конденсации максимальна.
Так что туман, в качестве рабочего тела для низкотемпературной паровой машины, это естественный выбор.
Откуда берется туман в Самоваре?
Для наглядности еще раз приведу рисунок Самовара в разрезе.
Повторю.
Для справки. Исходя из моей трехмерной модели объем воронки составляет 2,6 литра, если по края. Объем каждой трубы ротора 0,7 литра, а их шесть.
И так.
Раскручиваем ротор 8. Заполняем воронку 3. Открываем кран 4 и 2,6 литра поступают в коллектор 6. После него вода нашинковывается лепестками-загребушками. Допустим какое то количество воды в трубы не попадет, а уйдет по внешней стороне ротора в бак 1.
Еще одна картинка из старых.
Допустим воды попавшей в трубы достаточно для заполнения их ниже линии талии. Т.е. на воду будет действовать сила Fцб2=493Н. Хотя нет, сила будет в два раза меньше. Там же водно воздушный паровозик в пропорции один к одному, он в два раза легче. Соответственно Fцб2=246Н, в два раза меньше, условно. Среднее поперечное сечение труб ниже талии примерно 177 мм². Следовательно давление вызванное центробежной силой будет около 246H/177мм² =1,3 или 13 атмосфер. Хорошее давление, между прочим!
Продолжаем.
Вода попавшая в трубы ротора под давлением 13 атмосфер вылетает из сопел и .... Куда ударяет?
В деталь 10 - кольцевой отбойник, который имеет волнистую поверхность.
На волнах отбойника даже краска содрана в тех местах куда били водяные струи.
В сети полно видео как при помощи Karcher-а можно снять краску с автомобиля. Правда в Karcher-е 100 атмосфер а не 13, но и свинцовый сурик, которым покрашен Самовар не автомобильная эмаль.
Короче, при ударе о волнистую поверхность вода разбивается в мелкодисперсную взвесь и бак 1 заполняется ПОЧТИ туманом.
Почему почти? Танцы с бубном №1
В статье "Самовар это электрогенератор?" я высказал подозрение о том, что запуск устройства не так удобен как хотелось бы.
Дело в том, что туман который сейчас получился в баке не совсем тот который нам нужен. Нам нужны капли размером в несколько десятков молекул. Нужны НАНО капли. А у нас, в лучшем случае, МИКРО капли и те которые видно без микроскопа.
Почему нужны нано? Потому что Самовар это центробежный сепаратор!
Пример - циклонный фильтр пылесоса. Пылинка почти ничего не весит, тем не менее, при быстром вращении потока, центробежная сила в циклонном фильтре отделяет ее от основной массы воздуха.
Ротор вращается. Поток в трубах ротора вращается. Причем, скорость вращения в трубах очень высокая. Чем больше/массивнее капля тем бОльшая центробежная сила сепарирует/прижимает каплю к стенке трубы и рабочее тело лишается своего главного компонента. А ведь именно благодаря наличию водяной взвеси рабочее тело может быстро испаряться и конденсироваться.
Нужны капли НАНО размера, чтобы они своей массой не сильно "выделялись" на фоне остальных молекул рабочего тела. Тогда сепарация происходить не будет.
Как получить нано туман?
Проще пареной репы. При запуске, в воронку нужно залить горячую воду, лучше кипяток.
Заливаем в воронку воду с температурой 100℃. Дальше как обычно. Вода в коллектор, загребушки, витые трубы, сопла, отбойник. Металла много, он холодный. В результате в баке у нас получится крупно дисперсная взвесь воды с температурой... ну пусть 60℃.
Условно, воздух в баке был сухим. Нам нужно нано, а у нас пока немного микро и много мили. Т.е. капли не те, но их много. Их открытая поверхность, все равно, большая и они достаточно горячие. Следовательно, происходит испарение какого то количества воды.
В результате в баке у нас получается ... (цифры с потолка, я их привожу для общего понимания) Получается воздух с влажностью 80%, температурой 50℃ и немного микро капель. Все остальное осело, так как слишком большое, тяжелое и не летучее. И вот такое, не до рабочее тело затягивается вентилятором в подающую трубу 2. Когда я говорю затягивается это не значит, что ротор сосет как пылесос. Линейные скорости небольшие.
Подающая труба 2 холодная. Следовательно, наша смесь, извините, влажный воздух почти без капель продолжает в ней охлаждаться. Пусть, на выходе из подающей трубы, температура упадет до 40℃.
Что при этом произойдет?
Воздух при температуре 40℃ не может содержать столько же паров воды сколько содержится в воздухе с влажностью 80% при температуре 50℃.
Лишняя вода выпадет/конденсируется в виде ... НАНО тумана.
У нас получится воздух с температурой 40℃, с влажностью 100% и нано взвесь воды. Тот самый туман который нам нужен, капли которого так малы, что сепарация на них не действует.
Кипятить воду для каждого запуска и бегать с ней в сарай, где стоит Самовар, не очень удобно, поэтому электрогенератор поставили меньше чем планировалось изначально, чтобы он даже в перегруженном состоянии не мог остановить ротор Самовара.
Как циркулирует туман в Самоваре?
Про два контура я уже говорил, вот картинка.
С контуром 1 все понятно. Благодаря ему рабоче тело многократно обменивается теплом с окружающей средой в баке 1. Механизм теплообмена будет рассмотрен в отдельной статье.
Сейчас, давайте разбираться с контуром 2. Начнем с рассмотрения ротора.
Ротор
Это фото я тоже уже приводил. Что еще из него можно вытянуть?
Роль лепестков-загребушек понятна. Загребушки+наклонные каналы в коллекторе+вентилятор обеспечивают напор рабочего тела. Напор очень небольшой.
Можно сказать так. Если каким то образом туман продвинется по витым трубам и это продвижение будет не слишком быстрым, то загребушки и +++, обеспечат своевременное заполнение труб ротора. Однако, они не то что серьезный напор не могут создать, они даже высокую линейную скорость потока не могут обеспечить. Даже если снять с ротора сопла с турбинками. Все равно не могут.
Следовательно, сквозь ротор проходит совсем небольшие объемы рабочего тела. Обычно фантазируют о том, что ротор ураганит не по детски. Отчасти, из-за таких фантазий и не получается понять как работает Самовар.
Видите ли... когда то... Когда я был младше и верил в сказки. Мне самому очень хотелось верить, что в Самоваре гуляют ураганы, потоки под диким давлением вырываются из сопел и т.д. ... Но потом ...
Потом я стал инженером конструктором. Меня научили рассчитывать и анализировать "железо". И теперь я фантазирую, скажем так, только в пределах реального.
Верхняя часть ротора
От загребушек до талии она выполнена с применением обычных конических труб. Вроде бы, для снижения трения лучше применить трубы со спиральным швом, но если линейная скорость не велика...
Обратимся к фактам.
Смотрим в самое начало графика Поппеля и видим, что на малых линейных скоростях гидравлическое сопротивление обычной круглой трубы меньше (ее график лежит ниже) чем у трубы со швом. Почему? Потому что для формирования упорядоченной структуры нужна центробежная сила а ее пока нет. На медленных линейных скоростях спиральный шов слишком медленно вращает поток. Структура еще не формируется. Получается, что шов всего лишь перемешивает поток, создавая дополнительные паразитные завихрения.
На малых линейных скоростях (лучше сказать, на линейных скоростях не достаточных для появления необходимой центробежной силы ) шов - это тормоз. Поэтому, применение конической трубы без шва логично. Еще логичнее взять трубу диаметром побольше. Тогда скорость еще сильнее упадет, а гидравлическое сопротивление будет еще меньше.
Есть еще одна тонкость.
Отвлечемся. Возьмем прямую трубу со спиральным швом. Подадим в нее воду с нужным расходом. Все четко. Структура формируется. Труба работает.
Заглядываем внутрь и видим следующее.
Так как в трубу влетает прямолинейный поток, то нужного вращения в самом начале нет. Шов в первой половине трубы занимается раскруткой потока. Из за этого, в первой половине повышенная турбулизация. Спиральный шов увеличивает гидравлическое сопротивление (увеличивает трение).
Когда поток входит во вторую половину трубы он уже успел раскрутиться до нужных оборотов. Формируется структура. Из спирального шва
начинают выкатываться периферийные вихри и ложатся в структуру как родные. Во второй половине шов снижает гидравлическое сопротивление (снижает трение).
А теперь вопрос: От чего зависит как проявит себя труба со швом, так сказать целиком, по сравнению с трубой без шва?
Ответ. Все зависит от длины второй половины трубы.
Пусть, на раскрутку требуется 50 см. При раскрутке сопротивление увеличивается, это минус. Вторая половина тоже 50 см. В ней упорядоченная структура и сопротивление падает, это плюс. В сумме одно компенсирует другое. Следовательно, труба себя никак не проявит, хотя упорядоченно вихревой поток в ней присутствует.
А вот если вторая половина будет длинной 150 см, это три плюса. В сумме один минус и три плюса. Такая труба проявит себя однозначно лучше чем обычная круглая.
Вывод?
Если место ограничено и мы хотим использовать трубу со спиральным швом по максимуму, то мы должны предварительно раскрутить поток. В противном случае значительная часть трубы со швом будет отдана под раскрутку и тормоза.
Идем дальше.
В статье "Эксперимент Поппеля. Часть 4" я подробно разобрал механизм вращения потока в спиральной трубе. Т.е. если прогнать воду или иную среду через трубу в виде цилиндрической пружины без каких либо швов и завихрителей, поток на выходе будет вращаться.
Смотрим на верхнюю половину ротора... Ой! Да это же трубы закрученные в спираль!!
Я не просчитывал, но подозреваю, что и вращение ротора добавляет оборотов потоку в верхней части.
Подводим итог по верхней половине ротора.
В полном соответствии с законами физики верхняя часть ротора выполнена так чтобы при минимальных потерях на трение придать потоку вращение.
Нижняя часть ротора.
Трубы в нижней части имеют спиральный шов. Они соответствуют ПРЯМЫМ трубам со спиральным швом. Да, да, именно прямым. Вроде бы они уложены в плоскою спираль, но дополнительное вращение возникает только в цилиндрической спирали. Плоская спираль никаких дополнительных вращательных эффектов не создает.
Мысленно вытянем одну из труб в прямую линию и рассмотрим ее. Что видим?
- Некоторая конусность присутствует, но она незначительна. Непонятно, действительно хотели отформовать трубу с очень плавным уменьшением поперечного сечения или так получилось непредумышленно. При укладке в спираль, шов кое где раскрылся, кое где сжался.
Будем считать, что конусность все же есть. А раз она очень маленькая, то функция труб нижней части заключается НЕ в увеличении линейной скорости потока. Потому что если есть конус то это однозначно увеличение линейной скорости, а раз его нет... Намек на сужение начинается только в 10 см от сопел. - Спиральный шов очень плавный. Хорошо если делает один оборот вокруг трубы. В видео ролике "Горизонтальный вихрь. Общий обзор" Я показаваю, что чем плавнее/прямее периферийный вихрь (или шов который его формирует), тем меньше у структуры линейная скорость и тем больше скорость вращение.
Получается следующая картина.
Верхняя часть ротора предварительно раскручивает поток. Далее, он входит в трубы со спиральным швом. Т.к. вращение уже есть на формирование структуры " тратится" минимальная длина. В трубах ниже талии формируется структура "заточенная" под высокие обороты и малое линейное перемещение. Всю длину труб нижней части ротора поток проходит с малой линейной скоростью и очень высокими оборотами. При этом обеспечивается минимально возможная в данных обстоятельствах сила трения.
Сама конструкция труб указывает на то, что по какой то причине, ее рассмотрим ниже, необходимо добиться максимально возможной скорости вращения потока.
Повторяю.
Нужна высокая скорость вращения потока прямо перед ... ТУРБИНКАМИ в соплах. Это вывод сделан на основе законов физики и формы труб ротора.
Сопла.
Смотрю на них и меня начинаю терзать смутные сомнения. Где то я их видел..
Толи на старом автогене, толи на бензиновом резаке. Подозреваю, что сопло это тоже стандартная/покупная деталь. Отсюда ниточка к подозрительно не явной конусности витых труб.
Вполне вероятно, что сужение это не хитрая хитрость, а так получилось. Стандартные сопла имеют размерный ряд. Следующий размер в ряду был слишком большим или маленьким. Взяли тот который был наиболее подходящим, но пришлось трубы на конце немного поджать, чтобы сопрячь с резьбой. В любом случае сужение незначительное и погоды не делает.
Я забежал вперед. Давайте сделаем шаг назад. Посмотрим не на сопло, а на то с чем сталкивается поток в первую очередь. Это турбинка. Неподвижная. Смотреть нужно на угол атаки ее лопаток, а он примерно 45°.
Танцы вокруг турбинки
Когда я не сильно углублялся в тему, при просмотре фотографий Самовара меня всегда смущала форма турбинки перед соплом. Кстати, тогда я, как и многие, считал, что через ротор проходит вода в чистом виде.
Подозрительные непонятности.
- У турбинки два конуса спереди и сзади. Она симметрична. Лично я подозреваю, что ее можно устанавливать любым концом. В чем подозрительность? Да, в том что деталь стоит внутри однонаправленного потока. Для подобных условий самая обтекаемая форма, вызывающая минимум завихрений это капля, а не веретено. Обычно это так. Посмотрите на форму подводных лодок.
- Диаметр канала в резьбовой втулке припаянной на конце труб ротора, где то 10-12 мм, не так уж и много. При этом бОльшую часть поперечного сечения перекрывает веретено - массивная центральная часть турбинки. Для прохождения потока остается совсем небольшой кольцеобразный зазор, сечение которого, по идее, нужно экономить. Потоку нужно определенное проходное сечение чтобы свободно двигаться. Это я к тому, что веретенообразная часть турбинки, следуя логике, могла бы быть и потоньше.
- Дубовые лопатки. Это я к тому что лопатки турбинки должны быть тоненькими. Сечение канала и так уже почти перекрыто жирным веретеном.
Я бы изготовил турбинку следующим образом. Взял бы веретено, раз уж по другому ни как, но взял бы тоненькое. Вырезал бы лопатки из тонкой листовой меди. Согнул бы их так как надо. Поместил все это в оправку и спаял тугоплавким припоем. Так проще и быстрее. На ротор нужно шесть турбинок. А если Самовар выпускался серийно...
Почему то, простым путем не пошли. Судя по однородности цвета, турбинка выполнена из единого куска металла. И выглядит дубовой или лучше сказать излишне массивной и прочной.
Вопросы и ответы.
- Какую роль выполняют конусы спереди и сзади турбинки? Так как ничего просто так не делается, то функции у конусов есть. А раз поток однонаправленный, то спереди и сзади функции разные.
- Почему турбинка монолитно-дубовая, а веретенообразная часть такая массивная?
- Какую функцию она (турбинка) вообще выполняет?
Исходя из формы спирального шва, движение потока в трубе я оцениваю так. За один оборот рабочее тело продвигается на 1-2 мм. Мне ближе значение 2 мм.
Затем поток встречается с первым конусом. Его назначение понятно. Он не дает потоку воткнуться в центр турбинки. Отжимает его от центра и направляет на лопатки.
Лопатки турбинки стоят под углом 45° Если поток пойдет по лопаткам турбинки, то за один оборот он продвинется на 15-20 мм. Получается что при помощи лопаток линейная скорость потока резко увеличивается.
До турбинки у потока была маленькая кинетическая энергия линейного перемещения и большая кинетическая энергия вращения. Турбинка, по сути, перераспределяет эти энергии. Обороты уменьшаются, но резко увеличивается линейное перемещение.
Идем дальше.
Пройдя лопатки поток попадает в кольцеобразный зазор между вторым конусом и стенками съемного сопла.
По мере движения диаметр кольцевого зазора уменьшается и в самом конце превращается в отверстие диаметром 3 мм. Т.е. конический корпус сопла это камера сжатия, а неподвижная турбинка это компрессор. В обычном компрессоре вращается турбинка, а здесь вращается поток на входе в турбинку.
Что произойдет с нашим рабочим телом в камере сжатия?
Так как рабочее тело находится в состоянии термодинамического равновесия, то достаточно совсем небольшого давление чтобы качнуть это равновесие в нужную нам сторону. А именно, в сторону конденсации - образования более крупных капель воды.
Так как вода перешла в жидкую фазу из-за повышения давления, то после того как давление упадет капля выстрелит испаряющимися молекулами. Это произойдет в сечении выходного отверстия диаметром 3 мм, после которого давление опять становится атмосферным.
Вроде бы все логично, но остался вопрос. Зачем нужен второй конус?
Может его отпилить? Посмотреть что изменится ?
Ничего не изменится! Давление в камере сжатия возникает не потом что у турбинки конус на выходе, а потому что площадь сечения каналов S1 на входе в камеру больше площади выходного отверстия S2.
Значит, есть еще какой то нюанс с которым мы еще не разобрались. Ведь второй конус для чего то все таки нужен.
А не разобрались мы с самым важным вопросом.
Как передается импульс от выстрела на ротор Самовара?
Как это конкретно происходит?
Для наглядности оставлю турбинку в "урезанном" виде, без второго конуса.
При попадании рабочего тела в камеру сжатия под воздействием давления часть газообразной воды переходит в жидкость. Т. е. нанокапли значительно увеличиваются в размере + становятся теплыми.
Положение 1. Жирная капля и молекула на ходятся на границе испарения, но еще не разделились. Выстрел еще не произошел. Капля и молекула движутся как единое целое вправо.
Положение 2. Произошел выстрел. Молекула получила импульс m1V1 направленный вправо. Капля получила импульс m2V2, направленный влево.
Вопрос: Как капля передаст свой импульс ротору?
Ответ: Никак!
Данная ситуация соответствует следующей.
Представьте, что человечек перед броском подпрыгивает вертикально вверх и бросает мяч находясь в воздухе. Будет лодка двигаться? Нет!
Чтобы лодка двигалась, человечек во время броска, должен сидеть. Упираться своей пятой точкой в сиденье. Именно через пятую точку импульс от броска передается лодке.
Чтобы импульс от выстрела передался ротору, капелька во время выстрела должна опираться своей пятой точкой на какую то деталь, жестко связанную с ротором.
Логика подсказывает что эта деталь - второй конус турбинки. Остается только один вопрос.
Как усадить каплю на конус ?
Можно, конечно, пофантазировать о том, что величина зазора между конусом и корпусом сопла очень мала. Часть капелек прижмет и размажет по конусу. Водяная пленка будет смещаться потоком в сторону острия и выстреливать молекулами. И все будет работать.
Ну-у-у-у... Вероятно, такое возможно. В том смысле, что капельки прижмет и размажет. В остальном я не сомневаюсь. Проблема в том, что ни один движок не работает на слове "вероятно". Обычно это слова 100%-но или железобетонно.
К сожалению, нет четких фотографий как турбинки так и самого сопла. По этому я выскажу свое предположение.
Я бы не стал полагаться на случай и сделал бы так чтобы капля сама образовывалась/конденсировалась на поверхности конуса.
А чтобы конденсат появился на какой либо поверхности эту поверхность нужно что? Правильно. Поверхность нужно охладить! Причем, сильно не надо. Совсем чуть чуть будет достаточно.
Реализовать эту дичь очень просто. Именно из-за простоты, я уверен, что все так и есть.
Нужно поколдовать с зазором между конусом турбинки и корпусом сопла.
Зона давления начинается, условно, от центру турбинки и заканчивается самым маленьким сечением - диаметром 3 мм. Далее сопло начинает расширяться, а это значит, что давление резко падает и рабочее тело испаряется. Если высунуть кончик конуса в зону испарения он будет интенсивно охлаждаться, а жизнеутверждающая массивность турбинки обеспечат минимальный температурный градиент. Т.е. вся турбинка будет на пару градусов холоднее чем поток который ее омывает. А это значит что поверхность турбинки будет крайне привлекательной в плане образования конденсата.
Далее конденсат будет стекать по конусу в зону испарения и стрелять молекулами.
Как я уже сказал, турбинка выглядит излишне прочной, но если учесть что импульсы от выстрелов будут передаваться сперва на конус, с конуса на лопатки, с лопаток на ротор, то излишняя прочность оправдана.
Благодарю за внимание. Продолжение следует...
Strashela