Тепловой двигатель каменного века.

[Эрнесто де Сырно]

В общем, предлагаю рассмотреть тепловую машину, которую можно построить в каменном, либо раннем медном веке. 

Медный век отличается от каменного не так сильно. Доступные металлы, медь, золото, серебро, бронза очень дорогие и широким массам недоступны. Широко используются каменные орудия труда. И коммерчески успешный двигатель не должен иметь металлических деталей, иначе будет слишком дорогим. 

Первый коммерчески успешный двигатель из нашей реальности - машина Ньюкамена. Для его изготовления требовалась очень точная подгонка поршня к цилиндру, что в каменном веке недоступно, и металлический котел, что тоже недоступно. Из доступных в каменном веке материалов большой котел сделать слишком сложно. 

Поэтому предлагаю двигатель без поршня и котла. Газ подаётся из топки сразу в цилиндр, а вместо поршня используется зеркало воды. 

Принцип работы такой. 

Имеется деревянный (обмотанный кишками для герметичности) цилиндр. Внизу находятся два отверстия. Через одно вода в вытекает, через другое вытекает. К впускному отверстию приделана труба с обратным клапаном. Рядом с впускным находится клапан с ручным управлением. 

 

Цикл работы двигателя. 

1. Под выпускное отверстие ставится небольшая топка (либо открывается труба, соединяющая его с топкой, топка раздувается мехами и цилиндр наполняется горячим дымом. Отработанные газы выходят через то же отверстие. 

2. Топка убирается или отсоединяется, выпускное отверстие замыкается клапаном и заливается водой. 

3. Дым остывает и всасывает воду через впуск.

4. Выпускное отверстие открывается и через него сливается вода. Начинаем сначала. 

Двигатель предназначен для перекачивания воды, но может использоваться и для других целей. Например, для привода водяного колеса. Эта простейшая модель двигателя... И её можно усовершенствовать. 

Теоретически такой двигатель имеет довольно большой (по сравнению с машиной Ньюкамена) КПД. 

Его главные плюсы: гораздо более высокая температура рабочего вещества. У мвшини Ньюкамена она ограничена температурой кипения воды и термостойкостью котла и уплотнений, в предложенной схеме таких ограничений нет. Для эффективной работы машины желательно максимально быстрое заполнение цилиндра дымом, чтобы тот не успел остыть до закрытия впускного клапана. 

Какие коллеги предложат усовершенствования? Реален ли такой проект? 

Изменено 28 Sep 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[sigulin.maxim]

коммерчески успешный двигатель

в каменном веке? а коммерцию когда выдумали?

[Эрнесто де Сырно]

в каменном веке?

Речь идет о неолите и первых цивилизациях. Тогда уже было производящее хозяйство. И даже подходящая задача для двигателя: орошение полеполей. 

Изменено 28 Sep 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[Alexander Nekrasov]

орошение полеполей.

Рабы всегда дешевле.

Я еще понимаю, ворочать блоки для пирамид, или там моаи через рычаги. Или пилить камень водяным колесом. Но орошение-то чем лучше? Плотинами и арыками, да хоть кяризами, орошать проще и удобнее.

Паровая машина стационарная, кроме откачки воды из шахт для угля для её же работы никак не нудна никогда до ПР.

[Эрнесто де Сырно]

Рабы всегда дешевле.

Рабов, как минимум, надо кормить. И в механическую работу они преобразуют дорогостоящую высококалорийную пищу. И не желают работать на торфе, соломе, угле, дровах, кизяках. 

Ближайший конкурент такого двигателя - быки. могут есть дешевую солому и обладают сравнимым КПД. Но быков надо кормить постоянно, а двигатель - только когда работает. 

Но орошение-то чем лучше?

Орашение - массовая задача, для него надо много двигателей. В качестве подъемной машины он не очень подходит: тяжелый, стационарный. Можно использовать для пиления камней. Но придется ттратить много усилий для доставки камней к пиле. Впрочем, есть идеи как увеличить мощность... 

Плотинами и арыками, да хоть кяризами, орошать проще и удобнее.

Не везде воду можнотранспорьировать самотеком. 

[maxab]

И не желают работать на торфе, соломе, угле, дровах, кизяках. 

а это все добро с неба валится? У такой машины КПД будет 0.01%, так что топливо она будет жрать десятками тонн. И кочегаров с механиками понадобится уйма (кстати, они тоже не дураки пожрать). Так что проще дать этим кочегарам ведра, они натаскают воды быстрее и больше, чем машина.

[Эрнесто де Сырно]

а это все добро с неба валится? У такой машины КПД будет 0.01%

У машины Ньюкамена КПД 1%. У предложенной машины он может быть больше. Нет котла - нет потерь на ограниченный КПД котла. Пар в машине Ньюкамена мгновено конденсируется на холодных деталях, нагревая их до свосвоей температуры. В моей машине этот процесс идет намного медленнее. При контакте дыма с холодной поверхностью образуется пограничный слой, который является теплоизоляцией. У пара этот слой мгновенно конденсируется. 

Температура дыма выше температуры пара, это увеличивает КПД. 

Изменено 28 Sep 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[sanitareugen]

Температура газов ограничена температурой воспламенения дерева. Если кто сомневается - то пусть лучше предложит заменить в русских печах дымоходы деревянными. Поэтому в 400^оК я поверю, а выше нет. При этом при охлаждении до 300^оК объём сократится на четверть (у Ньюкомена - пар конденсировался, то есть образовывался полноценный вакуум, пусть и невысокий). То есть воду он будет подымать с 2.5 метра, не выше. Предположим (предельно смело и в пользу изобретаста), что воды подымется на всю четверть объёма, на кубометр "цилиндра" 250 кг, итого 6250 Дж. Кубометр газов это примерно 50 молей, 600 граммов углерода. К.П.Д., исходя из теплотворной способности угля, 0.039%. За день шахтёр вручную добывал 450 кг угля (это на рабочего в шахте, не на весь персонал), что для данной машины даст 4.7 МДж. Раб на ступальном колесе со средней скоростью 0.5 м/с и массе тела 60 кг при 8-часовом рабочем дне выработает 8.64 МДж.

[Эрнесто де Сырно]

Температура газов ограничена температурой воспламенения дерева.

Длаем внутри цилиндра брызголку. В горячей фазе дерево не успевает нагреться(спасибо пограничному слою)  А в холодной фазе цилиндр обрызгиваетмя вводой изнутри. Это ускоряет охлаждение газа, увеувеличивает мощность и охлаждает дерево, не давая ему перегреться. Вода в брызголку подаётся за счёт снижения давления в холодной фазе. 

 

В Современных двигателей внутреннего сгорания температура внутри цилиндра намного больше температуры его стенок. 

. 

[maxab]

"Дым остывает и всасывает воду через впуск"

КПД 0,01% это я погорячился. В реале будет еще раз в сто меньше. Разница между температурой окружающей среды и дыма будет мизерная.

[Эрнесто де Сырно]

дыма будет мизерная.

Почему?

Если температура газов будет даже 300-400 КПД составит до 1,5%. Если я правильно pv диаграмму понял. 

Кубометр газов это примерно 50 молей, 600 граммов углерода. К.П.Д., исходя из теплотворной способности угля, 0.039%.

Никто не обязывает сначала сжишатсжишать уголь, а потом охлаждать дым до температуры двигателя. Есди у двигателя слишком большие проблемы с термостойкостью,  то можно просто смешать горячий дым с холодным воздухом и получить нужную температуру. От этого упадет КПД, но не потеряется энергия. 

Но таких проблем как раз нет, по причине низкой теплопроводности дыма: цилиндр просто не успеет нагреться за один рабочий ход. 

Ещё раз вспомните современные ДВС. Они не нагреваются до температуры газов. 

При температуре до 600 К КПД будет 8%. И это не предел...

 

Изменено 28 Sep 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[sanitareugen]

Длаем внутри цилиндра брызголку. В горячей фазе дерево не успевает нагреться(спасибо пограничному слою)  А в холодной фазе цилиндр обрызгиваетмя вводой изнутри. Это ускоряет охлаждение газа, увеувеличивает мощность и охлаждает дерево, не давая ему перегреться. Вода в брызголку подаётся за счёт снижения давления в холодной фазе. 

Ну, то есть принципиально исключаем всякую возможность работать?

[Эрнесто де Сырно]

Ну, то есть принципиально исключаем всякую возможность работать?

Во время гаполнения цилиндра горячим дымом брызгалка не работает, так как давление внутри цилиндра равно атмосферному. Брызгалка включается, дымовое отверстие закрывается.Давление начинает снижаться, и засасывает из брызгалки  воду в цилиндр. Брызголка ускоряет охлаждение газа, и заодно охлаждает стстенки цилиндра.

 

Теперь о способах улучшения такого двигателя. Одна из главных проблем: охлаждённый газ будет всасывать воду, пока разница давлений между ним и атмосферой больше, чем между бьефами.... Но в начале всасывания вода поступает с избыточной скоростью, а в конце - поступление воды прекращается, хотя пониженное давление в цилиндре ещё есть, и оно могло бы ещё совершить работу... Но не может. Предлагаю решить эту проблему так. Сделать трубу достаточно длинной и толстой, чтобы масса воды в трубе была больше массы воды в цилиндре. И обязательно раструб на конце, чтобы уменьшить сопротивление. Тогда вода в начале всасывания разгонится, а затем будет поступать по инерции. И даже может выдавить из цилиндра отработанный газ (через обратный клапан). А когда вода сливается из цилиндра, она может сама засасывать горячий дым. Меха не нужны. Да и обратный клапан на впуске тоже... 

 

 

Изменено 28 Sep 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[Эрнесто де Сырно]

Дальнейшие улучшения двигателя...

Основные пути потери энергии и способы борьбы с ними. 

1. Через стенки цилиндра. Уменьшить теплопроводность или увеличить температуру стенок нельзя: они деревянные. Единственный выход: увеличивать скорость работы двигателя, чтобы уменьшить продолжительность контакта горячих газов с ними. 

2. Чтобы совершить работу, приходится охлаждать ещё горячий дым. А ведь он ещё мог бы совершить дополнительную работу. 

Чтобы уменьшить эти потери надо перед охлаждением газ расширить, чтобы снизить его температуру, и желательно окончательное охлаждение делать через регенератор, чтобы выловить оставшееся тепло. Но второе довольно сложно...

3. Потри через стенки печи, дымовые трубы и дымовой клапан. Стенки сложены из глины, и должны иметь минимальную теплопроводность.  Дымовой клапан и часть труб деревянные, охлаждаются водой и могут забирать у дыма много тепла. 

Чтобы уменьшить потери надо делать трубы короче. Можно сжигать топливо с недостаточным доступом кислорода. Тогда температура пламени снизится (а вместе с ним потери), а дым станет горючим. Дым дожигается в цилиндре, для дожигания через отдельный клапан подаётся дополнительный воздух. 

 Если на впускной трубе не делать обратный клапан, то цикл работы двигателя можно сделать таким. 

1. Вода сливается в верхний бьеф и через впускную трубу в нижний бьеф. В цилиндр всасывается горючий дым и воздух, смесь догорает в цилиндре.

2. Закрываются все клапаны. Вода по инерции выливается через впускную трубу. Давление снижается. Адиабатическое охлаждение. 

3. Включается брызголка (вода в брызголку доходит из нижнего бьефа). Газ охлаждаетя. 

4. Всасывание. Газ сжимается и одновременно охлаждается. Брызголка работает, пока в цилиндре пониженное давление. 

5. Выпуск газа.брызгалка отключается и продувается отработанным газом. 

6. Цилиндр полностью наполнен водой. Часть воды вытекает через обратный клапан. Открывается выпускной клапан. Начинаем сначала. 

[maxab]

КПД тепловых машин зависит от разницы температур рабочего тела. Температура печных газов сразу на выходе из топки - 450-500 градусов, а уже на вьюшке - 150 градусов за счет смешивания дыма с наружным воздухом. В открытых печах этого не избежать, надо жечь топливо как в ДВС, внутри рабочего цилиндра. То есть у нас перепад температур, даже в идеале, градусов 100 не более. Второе, КПД теплового двигателя зависит от массы рабочего тела. Почему в паровозах греют воду, а не воздух? Ведь если бы в котлах грели воздух, а его всегда много, не надо было бы возить воду для котла. Так вот, масса рабочего тела зависит от плотности, плотность дыма примерно 75% от плотности воздуха, т.е. его масса мизерна, а плотность водяного пара, за счет давления в котле  гораздо выше плотности воздуха, и масса рабочего тела уже существенна. Поэтому пуская просто дым без давления в цилиндр, нельзя передать большую энергию, нужна еще и масса. Есть еще зависимость потерь от времени процесса, но там уже идет высшая математика, но суть простая, чем короче по времени цикл - тем выше КПД, если цикл занимает минуты (а в этом случае так и есть) - КПД будет практически нулевым.

[чукча]

Давление снижается. Адиабатическое охлаждение.  3. Включается брызголка (вода в брызголку доходит из нижнего бьефа). Газ охлаждаетя.  4. Всасывание. Газ сжимается и одновременно охлаждается. Брызголка работает, пока в цилиндре пониженное давление.  5. Выпуск газа.брызгалка отключается и продувается отработанным газом.  6. Цилиндр полностью наполнен водой. Часть воды вытекает через обратный клапан.

[sanitareugen]

В общем, берёте и делаете. И тогда мы все снимем шляпы. А если не просто заработает, а покажет К.П.Д. выше Ньюкомена - снимем и съедим.

[Reymet_2]

Рекомендую автору прочитать: http://fai.org.ru/forum/topic/29131-antichnyiy-stimpank/

Изменено 28 Sep 2023 пользователем Reymet_2

[Эрнесто де Сырно]

Температура печных газов сразу на выходе из топки - 450-500 градусов, а уже на вьюшке - 150 градусов за счет смешивания дыма с наружным воздухом.

Обычно печи делаются для отопления. Кто бы мог подумать... Довольно простыпростые решения могут значительно повысить температуру на выходе из печи, не сильно усложняя коконструкцию... Как минимум, увеличить скорость газов за счет принудительного всасывания, сделать печь из пустотеловго кирпича для теплоизоляции, стключить смешивание дыма с холодныхолодным воздувоздухом, дожигать дым в цилинцилиндре... 

И Для сравнения... У паропаровозов испольиспользуется гораздо болболее высокая, чем приведенная Вами разность температур, хотя пар оххлаждается гогораздо быстрее, чем дым.

[Эрнесто де Сырно]

плотность дыма примерно 75% от плотности воздуха

Вообще... При том же давлении и температуре плотность пара меньше плотности дыма. СравниСравниваем мы с паровой машиной ньюкамена, у которого пар при атмосферном давлении...

[Эрнесто де Сырно]

Реально для повышения КПД надо повышать температуру, для повышения мощности - давление  и обороты. 

Почему в паровозах греют воду, а не воздух?

От пара проще получить высокое давление. Его не надо сжимать.

[Paltus]

Придумайте экономически обоснованное применение такой машине. 

[Эрнесто де Сырно]

Придумайте экономически обоснованное применение такой машине. 

По моим сомнительным прикидкам КПД будет припримерно 20-30% процентов со всеми наворотами. Дожигание газа в цилиндре, наличие фазы расширасширения без охлаждения, достаточно быстрая работа брызгалки.Точнее посчитать сложно из за непонятных потерь через сьенки цилиндра.

 

Допустим двигатель используется для орошения полей. Ближайшие конкуренты: использования для подъема воды быков или рабов. И у тех и у других КПД примерно 20%. Рабам требуется дорогостоящая пища, и они бы могли делать другую работу. Зато могут делать работу при минимальной механизации. 

Бык. И бык и двигатель могут потреблять солому. Но быка надо кормить круглый год, а двигатель-только когда работает. Солома - это отходы при обмолоте злаковых. Её можно считать очень дешёвым топливом, которое ещё и не требует специальной заготовки. Солома остаётся после уборки урожая. При этом если кормит быка соломой, то КПД снизится до 10%, так как он плохо переваривает этот корм. Если кормить сеном или травой, то придется отнимать пастбища у мясных и молочных животных. 

 

Так что даже если бык сам щиплет траву, она ни разу не бесплатная. Для быка требуется специальный подъемный механизм. Который по сложности может быть сопоставим с тепловой магиной, даже со всеми улучшениями. При этом для работы быка требуются погонщики, по одному на 4 быка. Машине требуются операторы. 

 

Впрочем, быки в любом случае нужны для распашки полей. А значит и для орашения, помола муки и т.п. их можно использовать при минимальных доп затратах. 

Двигатель выгодно использовать только в местах с дешёвым топливом. В месторождениях угля или торфа. Как ИРЛ первые двигатели и использовались ... 

На фоне всего этого очень странно выглядят ветрянный мельницы. И как она выдержала конкуренцию с мельницей с приводом от быков. 

Вплоть до 20 века быки должны быть дешевле и эффективнее тепловых машин. Должны существовать бычьи электростанции. Но всего этого ИРЛ нет. А значит я сильно переоцениваю эффективность быков ...

 

Изменено 29 Sep 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[sanitareugen]

По моим сомнительным прикидкам

Первое достоверное утверждение.

с тепловой магиной,

Поручик, маааалчать!!!

[Владимир Станкович]

Вроде были паровые двигатели сделанные из дерева -как курьез - с паровым котлом из дуба... Но это уже новое время - со всеми знаниями по паровой технике...