Топливо для стимпанковой подлодки

[Serg]

Все же в котлах греют именно газы.

Котельное хозяйство сильно разное бывает. Есть такие где и расплавленный металл в качестве теплоносителя.

[letbur]

Лучшие тепловые аккумуляторы (на солях лития) при использовании с паровой машиной примерно в 5 раз менее эффективны чем электрические.

По моим прикидкам не все так печально. Допустим, есть фторид лития. Мы нагреваем его до 848 градусов и плавим. При кристализациии он нам даст 1 МДж/кг тепла, при охлаждении до 300 градусов - еще 0,85 МДж. Того около 1,85 МДж. Какой там КПД паровой машины? Пусть будет 10%. Это дает 0,18 МДж МЕХАНИЧЕСКОЙ работы! А что там у свинцово-кислотных аккумуляторов? Их энергоемкость 0,1-0,2 МДж/кг. И это без учета КПД электродвигателя (который велик, но меньше 100 %). То есть тепловой аккумулятор на солях лития будет эффективнее, чем свинцово-кислотный электрический аккумулятор. Правда, хранить в ПЛ такую адскую ванночку с расплавленным фторидом лития...

 

Эффективность теплового аккумулятора на расплаве поваренной соли я уже приводил, и она не сильно хуже электрического. Во всяком случае не в 5 раз.

Изменено 1 Feb 2016 пользователем letbur

[letbur]

Может статься , что для данной задачи придётся балластом забить шашку до полной потери смысла . Очень уж бурная реакция .

Я так подумал... А почему бы не перемешать термит с обычной поваренной солью? Температура плавления - 800 град, температура кипения - 1400. Температура плавления низкоуглеродистой стали - 1500 град. То есть если смешать соль с термитом в таком соотношении, чтобы тела при горении термита как раз хватало для выпаривания всей соли? Термит с сотльу жгется в небольшой топке, пары соли выходят наружу, там конденсируются и греют котел. Потом конденсируется, и опять стекает в топу с термитом.

[Нкоро_]

Мы нагреваем его до 848 градусов и плавим.

1. Мы не сможем нагреть до такой температуры заметный объем. Конструкционные материалы и решения нужные для этого, это далеко не стимпанк. А греть надо сотни тонн. Поэтому только смеси нитратов и фторидов с температурой плавления порядка 150 градусов.

2. 20% эффективность это не потому что тепловой аккумулятор накапливает в 5 раз меньше энергии, а потому что паровая машина имеет КПД в 20% а не в >90% как электромотор.

3. Жечь термит с солью можно, но при таких температурах у вас натрий будет летать отдельно от хлора. Конструкция топки и системы питания - опять никак не стимпанк.

[sergey289121]

1. Мы не сможем нагреть до такой температуры заметный объем. Конструкционные материалы и решения нужные для этого, это далеко не стимпанк. А греть надо сотни тонн. Поэтому только смеси нитратов и фторидов с температурой плавления порядка 150 градусов.

Это просто похороны металлургии до 20 века.

3. Жечь термит с солью можно, но при таких температурах у вас натрий будет летать отдельно от хлора. Конструкция топки и системы питания - опять никак не стимпанк.

А что сложного? Не инжектор ДВС же.

[Нкоро_]

Не инжектор ДВС же.

Подозреваю, что инжектор ДВС гораздо легче сделать

[sergey289121]

Подозреваю, что инжектор ДВС гораздо легче сделать

??? Наоборот, это даже не дизель со сверх давлением. Жаропрочные материалы есть, легировать или применить сплав стойкий к корозии, можно использовать Иридий например и готово.

[Нкоро_]

можно использовать Иридий например и готово.

А чего сразу не адамантий?

[sergey289121]

А чего сразу не адамантий?

https://ru.wikipedia.org/wiki/Иридий 

[Zenitchik]

https://ru.wikipedia.org/wiki/Иридий 

Ни слова про историю его промышленной добычи и переработки.

А греть надо сотни тонн.

Я что-то упустил. Сколько энергии нам нужно запасти?

[Tungsten]

Сколько энергии нам нужно запасти?

Много . Банальная сода аккумулирует в идеале 1,03 кДж/кг на каждый градус , т.е. тонна соды , нагретая на сотню градусов запасает нам 100 МДж .

Свинцово-цинковый аккумулятор грубо говоря , может на килограмм дать 170 кДж/кг , т.е. при нагреве более чем на 170 градусов , сода сохранит больше энергии . Проблема в другом , она и остывает , как ни изолируй , и КПД паровой машины аховый , по сравнению с электродвигателем , и воду в пар превратить не так просто .

[Serg]

Я что-то упустил. Сколько энергии нам нужно запасти?

Первым подлодкам, ~500 тонн 200-300 л.с. 400-500 миль, требовалось около 6-7 тонн бензина. В пересчете на уголь и пар будет наверно порядка 20 тонн. На поднырнуть относительно долго 2-4 тонны теплоносителя. Если заменить его на бескислородное топливо, скажем серо-металлические смеси, подводный ход увеличится в 3-4 раза.

[letbur]

Мы не сможем нагреть до такой температуры заметный объем. Конструкционные материалы и решения нужные для этого, это далеко не стимпанк. А греть надо сотни тонн.

Я прикинул возможность установки теплового аккумулятора на подводную лодку "катюша". Пусть вес фторида лития - 200 тонн. Плотность - 2,6 т/м3. Если аккумулятор будет иметь форму шара, то получим 78 метров кубических. Покрываем этот шар теплоизоляцией из асбеста толщиной 1 метр. Получаем шар 7,2 метра диаметром. Как раз в один из отсеков катюши помещается. Правда нужно делать переход между отсеками снаружи жесткого корпуса (ИМХО, не такая уж и проблема). Каковы потери тепла? Температура плавления асбеста 1450. То есть при 840 градусов он не расплавится. Теплопроводность - 0,15 Вт Вт/(м•К)  (реально она еще  меньше). Тогда получем утечку тепла 10 КВт. У катющи два электромотора 1200 л.с. - 17 МВт мощности. Какие-то 10 кВт утечки для нее -не проблема. Делать шар и жаровые трубы из низкоуглеродистого железа. При такой температуре оно еще не плавится, но прочность теряет. Жаровые трубы придется делать толстыми. Внешнюю оболочку шара можно делать из любого материала (хоть из дерева) - она до больших температур не нагревается. Вутреннюю - или железо, или керамика (шамотный кирпич).

Банальная сода аккумулирует в идеале 1,03 кДж/кг на каждый градус

Надо её плавить. У того же фторида лития при кристаллизации выделяется больше тепла, чем при охлаждении от 800 до 300 градусов.

Изменено 1 Feb 2016 пользователем letbur

[Serg]

Правда нужно делать переход между отсеками снаружи жесткого корпуса (ИМХО, не такая уж и проблема).

Гладко было на бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить? Куда дели оборудование из занятого отсека? Ненужных механизмов на подлодках между прочим не бывает. Ну и не сказал-бы что спроектировать заново корпус так уж легко. Вы отсек делаете по внешним максимальным габаритам, значит с нарушением прочного корпуса и удалением механизмов и магистралей между корпусами.

Я прикинул возможность установки теплового аккумулятора на подводную лодку "катюша". Пусть вес фторида лития - 200 тонн. Плотность - 2,6 т/м3. Если аккумулятор будет иметь форму шара, то получим 78 метров кубических.

Лодка если сразу не утонет, то мореходной точно перестанет быть. Вы на нее дополнительно нагрузили 200-300 тонн, 

[vashu1]

Лодка если сразу не утонет, то мореходной точно перестанет быть. Вы на нее дополнительно нагрузили 200-300 тонн,

Нагрузили теплоаккумулятор, убрали аккум. Катюша полторы тысячи тонн, аккумы в дизельной подлодке обычно порядка 10% - т.е.  порядка 150 тонн.

Шаров то надо несколько небольших, чтобы в корпус влезть но критичных проблем не создаст.

Только вот маленькая ашыпочка всралась с сухопарником -- он не способен на сдерживание даже слаборастворимых веществ (иначе б не было проблем с выносом солей). Оксид магния в основном содержимом котла, горячей воде -- растворяется, превращаясь в гидроксид, как и "верхние" гидроксиды железа будут в вашей свечке "непосредственного действия", и вся эта хренота и через сухопарник полетит в цилиндры машины, где и останется в качестве абразивов. Добро пожаловать и хорошо, если в ремонт.

А почему они в конденсатор не уйдут?

В цилиндрах вроде был клапан для слива воды, хотя мне всегда казалось что его использовали только перед запуском, а во время работы вода конденсироваться-накапливаться не должна.

Растворенные я так понимаю приносятся с капельками воды в паре и осесть на цилиндр могут только при испарении. А оно откуда в цилиндре появится?

Изменено 2 Feb 2016 пользователем vashu1

[letbur]

Куда дели оборудование из занятого отсека?

В сэкономленное на электрических аккумуляторах место.

Ну и не сказал-бы что спроектировать заново корпус так уж легко.

Так я предполагаю что делать такую ПЛ надо с нуля, а не переделывать из дизель-электрической. А то ведь надо тогда вообще все переделывать - убирать дизеля и ставить топки... Подводную лодку "катюша" я взял, чтобы прикинуть размеры.

Шаров то надо несколько небольших, чтобы в корпус влезть но критичных проблем не создаст.

Тут уже думать надо. Дело в том, что у нескольких шаров общая площадь поверхности (а значит и утечки тепла) будут больше, чем у одного большого шара. Вообще, шар я взял из соображения, что у него самое маленькое отношение площади к объему. Но с точки зрение компоновки цилиндр, например, может оказаться более выгодным.  И я бы не стал размещать в отсеке с тепловым аккумулятором какое-либо дополнительное оборудование. Там же жара будет невыносимая, как его обслуживать?

 

[vashu1]

цилиндр, например, может оказаться более выгодным. И я бы не стал размещать в отсеке с тепловым аккумулятором какое-либо дополнительное оборудование. Там же жара будет невыносимая, как его обслуживать?

Цилиндр тоже вариант.

Откуда жара? Десять квт это пяток обычных бытовых нагревателей при том что стенки помещения железные и охлаждаются водой. Туда греться приходить будут )

[letbur]

Откуда жара? Десять квт это пяток обычных бытовых нагревателей при том что стенки помещения железные и охлаждаются водой. Туда греться приходить будут )

Просто мне кажется, что тощину теплоизоляции могут сделать и меньше метра, чтобы сэкономить на асбесте и на размере аккумулятора. Еще вопрос, а сколько времени лодка должна проводить в подводном положении, например, если ляжет на грунт и будет ждать, когда кто-нибудь подплывает? Толщину теплоизоляции будут рассчитывать, чтобы за это время аккумулятор не успел значительно остыть. Лишняя изоляция не нужна.

[vashu1]

Еще вопрос, а сколько времени лодка должна проводить в подводном положении, например, если ляжет на грунт и будет ждать, когда кто-нибудь подплывает?

Можно глянуть подводную автономность лодки. Для той же катюши

Для регенерации воздуха в подводном положении использовались индивидуальные машинки регенерации с патронами РВ-2, РВ-3 и РВМП с каустической содой, вместе с чистым кислородом, хранившимся под давлением 160 атмосфер в 40-литровых баллонах, обеспечивавшие нахождение под водой до 72 часов. С 1942 года их сменили установки РУКТ-3 конвекционного типа с патронами РВ-5, обеспечивавшие одновременное поглощение углекислого газа и выделение кислорода и позволившие продлить время нахождения под водой до 15 суток, при практически бесшумной работе

Я думаю 1-2 процента потерь в сутки нормально. Полтора МДж на кг, 200 т, итого 3 10^5 МДж.

3-6 10^6 кДж / 10^5 секунд = 30-60 кВт, Скидываем изоляциию в 3-6 раз(на самом деле на цилиндре немного потеряем)

[Serg]

Тут уже думать надо. Дело в том, что у нескольких шаров общая площадь поверхности (а значит и утечки тепла) будут больше, чем у одного большого шара. Вообще, шар я взял из соображения, что у него самое маленькое отношение площади к объему. Но с точки зрение компоновки цилиндр, например, может оказаться более выгодным

Покорежит, Твердое и жидкое состояние, разница по объему ~10%, тепло нужно забирать/подавать очень равномерно по всему объёму, иначе возникнут местные перенапряжения. В итоге крайне сложный неремонтнопригодный агрегат. Любая трещина и нагрев до расплава невозможен.

[letbur]

всему объёму, иначе возникнут местные перенапряжения.

Согласен, это серьезная проблема. Вообще, оптимально подобрать такой теплоноситель, чтобы температура плавления была меньше 700 градусов, тогда можно будет делать внутренние устройства из железа. Да и вообще - а не дороговато ли выйдет, тепловой аккмумлятор из фторида лития? Я бы еще раз обратил внимание на расплав алюминия. Великолепная теплопроводность + температура плавления 660 град - то что нам нужно. Железо при такой температуре еще остается достаточно твердым - аккумулятор гораздо проще сделать. Вот только теплоемкость у алюминия маленькая, а по стоимости он дороговат. Нужна смесь дешевых солей с подходящей температурой плавления. Их можно разлить/рассыпать в небольшие бочечки, которые будут выставлены на стеллажах, и все это окружено асбестовой теплоизоляцией.

[Serg]

Железо при такой температуре еще остается достаточно твердым - аккумулятор гораздо проще сделать

Люминь, да еще расплавленный разрушит железо в считанные часы. У него совершенно дикая абсорция, Расползется по стали, после чего она посыплется даже если ткнуть пальцем. Не гадайте, человечество всё давно уже придумало до вас. В требуемом диапазоне температур относительно массово пользуют с полдюжины веществ. В теме, как ни странно, они не фигурировали. Селитра с каустиком 60/40, мочевина и её аналоги, суперфосфат, растительные масла, ну и всякие натрий/калий, сплавы Розе, Вуда, и прочие интерметаллические сплавы, коих тысячи. Почти всё из этого, за исключением масла, не подойдет. Либо по причинам безопасности, либо низкая теплоёмкость. Хотя полагаю, походив по граблям, всё равно придется вернуться к бескислородному топливу с твердыми продуктами горения.

[letbur]

Люминь, да еще расплавленный разрушит железо в считанные часы.

Будем хранить его в ваннах, футерованных шамотным кирпичом.

мочевина и её аналоги

У мочевины темпаратура плавления 130 градусов. КПД такой паровой машины будет совсем маленьким.

растительные масла

А их то как использовать?

 

Вообще, согласен, пытаться угадать подходящее вещество для аккумулирования тепла - плохое решение. Но что-то не нашел, какие свойства будут у приведенных вами веществ. Может, поделитесь ссылкой?

Вообще, для теплового аккумулятора оптимальная температура фазового перехода где-то 300-500 градусов.

Хотя полагаю, походив по граблям, всё равно придется вернуться к бескислородному топливу с твердыми продуктами горения.

У него два огромных недостатка

1. Дорого.

2. Нельзя регенерировать, сжигая дешевый уголь во время похода. Значит ограниченно число погружений на поход.

 

[Zenitchik]

На поднырнуть относительно долго 2-4 тонны теплоносителя.

А в Джоулях это сколько?

[Serg]

1. Дорого.

Так и задачка нетривиальная. 

2. Нельзя регенерировать, сжигая дешевый уголь во время похода. Значит ограниченно число погружений на поход.

А топливо затрачиваемое на регенерацию у вас значит ничего не весит и места не занимает. И речь в теме о подводной лодке, а не ныряющей.

А в Джоулях это сколько?

В теме оценочные цифры уже давались.