Тепловой двигатель каменного века.

[Voldi]

И бык и двигатель могут потреблять солому.

Бык может. Двигатель на соломе мягко говоря не особо. Ему дрова нужны. Их кстати каменным и медным (кто ж его под это дело даст?) рубить не очень хорошо. И привезти, кстати да, нужно. Потому как вокруг нужного места они быстро заканчиваются. Привезти дрова - воз и дорога. И тот же бык. Ну и считайте дальше.

[John D. Long]

Можно ли построить тепловой двигатель в каменном веке?

Теоретически, если очень заморочиться и напрячь все доступные ресурсы - да, можно, правда двигатель выйдет откровенно скверный.

Нужен ли он в каменном веке?

Нет, нафиг не сдался.

[чукча]

Можно ли построить тепловой двигатель в каменном веке? Теоретически, если очень заморочиться и напрячь все доступные ресурсы - да, можно, правда двигатель выйдет откровенно скверный.

Не, нельзя. Надо хотя бы приблизительно представлять что такое двигатель, воздух итд. Что не про неолит

[Paltus]

По моим сомнительным прикидкам КПД будет припримерно 20-30% процентов со всеми наворотами.

По моим сомнительным прикидкам описанная вами хрень даже при изготовлении в 20 веке швейцарскими ювелирами дай бог просто сможет работать. Мне особенно нравится идея клапанов в каменном веке. От идеи до воплощения. А чтобы это говно давало 30% КПД, там нужно в каждый каменный клапан десять демонов Максвелла посадить. А ваш троллинг просто невозможно терпеть уже.

[чукча]

А ваш троллинг просто невозможно терпеть уже.

Это вы со зла. Коллега открывает темы в своем неповторимом стиле. Они в принципе прикольны и креативны, хотя и полностью бредовы, такое вот единство противоположностей. В техническом разделе обычно скучное перелопачивание матчасти, с абсолютно нулевой креативностью, а здесь креативность с нулевой матчастью.  

 

  20 hours ago, Эрнесто де Сырно said: По моим сомнительным прикидкам КПД будет припримерно 20-30% процентов со всеми наворотами. По моим сомнительным прикидкам описанная вами хрень даже при изготовлении в 20 веке швейцарскими ювелирами дай бог просто сможет работать

20-25% это КПД современного автомобильного ДВС. Более древнего, без всяких наддувов и электронных впрысков - 10-15%

Изменено 29 Sep 2023 пользователем чукча

[Эрнесто де Сырно]

Вроде были паровые двигатели сделанные из дерева -как курьез - с паровым котлом из дуба...

Но в предлржнном двигателе нет котла и поршня. Что очень все упрощает. 

Но это уже новое время - со всеми знаниями по паровой технике...

Будем считать что её делает попаданец. Впрочем, это не принципиально. 

[Эрнесто де Сырно]

Мне особенно нравится идея клапанов в каменном веке.

А что Вам не нравится? Римляне делали поршнеаые насосы для перекачивания воды. Клапан - просто деревянная крышка, покрытая войлоком и обильно смоченная водай для герметичности. Это самая простая деталь двигателя. 

[Эрнесто де Сырно]

20-25% это КПД современного автомобильного ДВС. Более древнего, без всяких наддувов и электронных впрысков - 10-15%

У древнего ДВС КПД тоже будет 25-30%, если он будет работать в наиболее удобном для себя режиме. Беда автомобильных двигателей - длительная работа на  малой мощности и необходимость большого запаса мощности для разгона, что КПД снижает. Всякая электроника впрыск и т.д. нужны для расширения удобного диапазона. Стационарные двигатели работают в удобном режиме и развивают как раз максимальный КПД. 

Предложенный двигатель очень похож на ДВС, и КПД Будет сравнимый. 

[maxab]

Какой ДВС? Откуда? Автор про теорию горения вообще слышал?

[vashu1]

Взрослая парореактивная лодка.

4 горелки - мощность корядка дестка киловатт, судя по скорости полезная мощность порядка ватт. В общем КПЛ порядка 0.01%

Если лесоруб обрабатывает в день несколько центнеров дров - порядка 10 гр в секунду, 100 кВт тепла в обмен на сотню ватт усилий - в общем усиление в тысячу раз.

[Voldi]

Два пацаненка с ведром и веревкой уделают эту машину не перенапрягаясь.

[Эрнесто де Сырно]

Взрослая парореактивная лодка. 4 горелки - мощность корядка дестка киловатт, судя по скорости полезная мощность порядка ватт. В общем КПЛ порядка 0.01%

Проблема всех паровых двигателей, и особенно приведенного на видео - слишком быстрая конденсация пара на любых олодных частях. Из за особенностей пограничного слоя. Дым при той же разности температур охлаждается намного медленнее и его можно использовать другими спомобами. 

[sergey289121]

Двигатель выгодно использовать только в местах с дешёвым топливом. В месторождениях угля или торфа.

Только если будет нефть на поверхности, чтобы можно было ведрами черпать, тогда можно будет использовать.

[digger]

 Можно надувать мех паром, правда, не знаю, сколько он выдержит. Керамический котел, трубка, надуваем мех, который, например, сжимает мех для наддува кричного горна.Открываем клапан - пар выходит, груз сжимает мех обратно, закрываем клапан и по кругу. Можно объединить костер для котла с горном.

[maxab]

Можно объединить костер для котла с горном.

атомный реактор на схеме условно не показан. Какой кричный горн в каменном веке?

[digger]

 Ранний железный.Не принципиально, идея использовать мех вместо поршня и им что-то толкать.

[Эрнесто де Сырно]

Можно надувать мех паром, правда, не знаю, сколько он выдержит.

Тут особенно зметны преимущества дыма перед паром. Пар в мехе будет мгновенно конденсироваться и нагреет его до 100 градусов. Мех сварится. У дыма или горячего воздуха   есть пограничный слой, есть способы сделать мех холодным, поливать его водой изутри или  снаружи. С паром этот трюк не пройдет из за конденсации. 

Керамический котел

Да и котел для нагревания воздуха сделать проще, чем для пара. Как минимум нет ситуации когда вода впиталась в поры и принагревании все потрескалось. Но лучше по возможности вообще без котла. Тем более это повышает КПД.

Интересный вовопрос, какие давления и температуру использовать а таком двигателе. Интуиция мне подсказывает, что лучше давление сделать атмосфереым для упрощения нагревателя: тогда даже не требуетребуется герметичность. 

А пока решил посчитать КПД двигателя Ньюкамена без учёта потерь на конденсацию... Хотя эти потери у него основные.... 

Для справки для себя... 

Объем 1 моля газа 22.4 л. 

Молярная масса воды 18 г

Теплота парообразования 2.26 мДж/кгуниверсальная газовая постоянная 8,3 Дж/моль/К

Посчитал внимательнее вашу машину с мехами. При температурах 30-100 град Цельсия КПД получается 5% если использовать пар, и 8% если дым или горячий воздух при той же температуре. Пар при атмосферном давлении. Для высокого давления нужен прочный котел, который сложно сделать.  Пар немного хуже, так как много энергии тратится на испарение воды ... Но это без учёта тепловых потерь. 

Точно посчитать потери сложно, но... Вот несколько общих соображений. Три варианта двигателя.

1. Пароатмосферный. В меха подается пар при атмосферном давлении, потом охлаждается. Главная проблема, как я уже говорил, мгновенная конденсация пара на любых холодных деталях. Реально такой двигатель работать не будет, так как мех при такой температуре потеряет прочность ... Но хрен с ним, допустим, эту проблему как то решили, мех из жопы дракона используется, например. 

Чтобы был хоть какой то КПД, надо чтобы мех имел температуру 100 град, чтобы на холодном участке цикла образовывался пограничный слой, который не даёт нагреться пару. Пар можно охлаждать или впрыскиванием воды в цилиндр, или в специальном конденсаторе. В первом случае надо, чтобы струя воды не касалась стенок цилиндра. И чтобы на холодном  участке конденсат полностью удалялся и не мешал следующей горячей фазе... Выводы: конденсатор очень хорошо поднимает КПД машины Ньюкамена. У паровой машины цилиндр должен быть горячим, выше температуры конденсации пара на всех участках цикла.

2. То же самое, но с дымом вместо пара. Во время впуска образуется пограничный слой, и мех не успевает нагреться до температуры дыма. Поэтому мех можно использовать любой достаточно прочный. Воду для охлаждения впрыскивать прямо в мех. Она будет охлаждать и дым, и мех. Важно сначала охладить дым, и только потом начинать сжатие. Кроме того важно после сжатия выпустить отработанный дым из меха. Значит необходим кривошипно-шатунный механизм. 

3. То же самое, но с немного другим циклом. 

-впуск. 

-расширение(адиабатическое). 

-охлаждение

-сжатие+охлаждение. 

-выпуск

Основные плюсы: адиабатическое расширение лучше активирует впрыск воды, увеличивает КПД за счёт снижения температуры перед охлаждением. 

 

 

Изменено 2 Oct 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[sanitareugen]

В общем, сделанный мной прикидочный расчёт (частично выше) даёт реальный К.П.Д. порядка 0.1%. Что означает, что неквалифицированный раб на ступальном колесе выдаст больше энергии, чем шахтёр.

Расчёт может быть неверным, но для его опровержения нужно сделать такой двигатель и продемонстрировать его работу, получив индикаторную диаграмму. Тогда, возможно, мы все признаем свою неправоту. Но куда более вероятно, что увидим подтверждение расчётов. 

В общем - ждём-с!

[Voldi]

:)))) какое ступальное колесо, какой блекджек, какие дамы? пару пацанов, ведро, веревка. Вы то ступальное колесо еще постройте в каменном веке! Пацаны сделают его, как Челентано машину по давке винограда.

[Эрнесто де Сырно]

Решил точнее посчитать свою машину... 

Итак... Аккура но нарисовал на бумажке в 

клеточку pv диаграмму. Объем двигателя - 200 литров. 

1-открытие дымового клапана. Вода стекает из целиндра и всасывает дым и воздух. Дым догорает в цилиндре. Температура в конце этого участка 800К. Линия горизонтальная, так как давление атмосферное. Потери на нагрев стенок цилиндра не учитываются. 

2. Дымовой клапан закрылся. Дым начал расширятся и охлаждаться. Линию 2-3 нарисовал от балды. 

3. Включается брызголка. Дым остывает, давление снижается. 

4. Всасывание воды в цилиндр. Брызголка продолжает работать, не давая воде нагреться. Изотермический процесс. Около точки 4 возможно выделение из воды некоторого количества растворенного газа. Потом от растворится обратно ..  но изотерма из за него немного срезана внизу. 

 

Работа двигателя за цикл - это площадь нарисованной фигуры. Я насчитал 29 клеточек. 1 клеточка 200 Дж. Всего 5800 Дж. 

Теперь вопрос, а сколько тепла уйдет на нагрев газа ..

Формула 1 - уравнение состояния газа, 2 и 3 - выведены из 1.

Формула 4 - сколько энергии надо затратить на нагрев. Работу дым будет совершать при охлаждении, энергию он получает, при сжигании топлива. 

Я предположил, что дым состоит, в основном, из азота, двухтомного газа. Его внутренняя энергия соответствует 5 степеням свободы плюс работа во время расширения.  

Подставил в формулу 4 формулы 2 и 3, посчитал, сколько энергии надо на нагрев. Оценил КПД. 

КПД=16%, работа за оборот 5800 Дж. Мощность=частота оборотов*энергию за оборот. 

 

 

Изменено 3 Oct 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[maxab]

Температура в конце этого участка 800К

откуда!!! 150 по цельсию и не выше. Чтоб что-то горело, нужен кислород. Чтоб горело много - кислорода нужно много, он должен быть под давлением (турбонаддув в двигателях придумали, видимо, для понтов). Здесь нет ни кислорода (есть угарный газ, азот и чуток водяного пара) и нет давления. Дальше можно не считать.

[Эрнесто де Сырно]

откуда!!! 150 по цельсию и не выше. Чтоб что-то горело, нужен кислород. Чтоб горело много - кислорода нужно много, он должен быть под давлением (турбонаддув в двигателях придумали, видимо, для понтов)

Кислород нужен. АА вот давление... Не так принципиально. Я во у себя в отопительной печи получал более 800 гградусов (для закалки ножей) вообще ни используя надува. Да и вообще... Какого цвета угли в костре? И при какой температуре ченое тело начинает светиться рыжрыжим цветом? 

 

а теперь... Продолжаю свои бакафантизии. Древнеегипетская мотогалера. Хотя... Дерево в древнем Египте дорогое... Так что у нас будет мотоплот. С виду он чем-то напоминает ракету фау-1. Двигатель привязан к борту и погружен в воду. 

конструкция двигателя. Мокрая часть изготовлена из дерева, горячая - из керкерамики. С виду двигатель напоминает двигатель от ракеты Фау-1, только развернутый задом наперед. Впереди находится труба с раструбом. Расположена ниже ватерлинии. Она плавно поворачивает вверх и переходит в рабочий цилиндр. На задней стороне изгиба ниже ватерлинии находится обратный клапан. Сверху расположен обратный клапан для сброса отработанных газов и лишней воды, дымовой клапан с ручным управлением, и связанный с ним воздушный клапан. Внутри цилиндра находится душ. Вода в душ подаётся снизу, по короткой трубе. Сверху находится горячая часть. Топка и меха для запуска двигателя. Мех нужен только для старта, в рабочем режиме не используется. 

 

Цикл работы двигателя.  

1. Дымовые клапаны открыты. Вода из цилиндра вытекает назад, через обратный клклапан, создавая реактивную тягу. Вода в трубе продолжает течь по инерции, создавая разряжение в раструбе. это тоже создсоздает тягу. В цилиндр всасывается дым и воздух, дым догорает в цилиндре. 

2. Оператор резко перекрывает дымовой и воздушный клапаны. Вода некоторое время вытекает из цилиндра по инерции. Дым расширяется и охлаждается. 

3. Включается душ, охлаюдает дым, давление снижается до минимума. Все обратные клапаны закрываются. Вода всасывается через длинную трубу. 

4. Давление в цилиндре равно атмосфеоному. Вода по инерции продолжает поступать в цилиндр. Все обратные клапаны открываются. Через верхний клапан выходит дым и в конце выплёскивается некоторые количество воды. Вода открывает и смачивает дымовые лапаны для охлаждения и герметизации. 

 

Изменено 3 Oct 2023 пользователем Эрнесто де Сырно

[Эрнесто де Сырно]

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.

Начал считать тепловые потери... И понял, что вы частично правы...

 

Тепловые потери.
Я понял, что их придётся все же учитывать. И именно из за них не получается увеличить температуру. И тут уже особенно видны и преимущества использования высоких давлений, и высоких оборотов. 

Итак... Основные пути потери тепла: теплопередача, конвекция и излучение. Больше всего проблем, особенно при высоких температурах, создаёт излучение. Именно из за него при дется понижать температуру. Оно описывается законом Стефана-Больцмана... А там 4 степень температуры. А значит... Наибольшие потери будут при высоких температурах. 

Нарисовал три PV диаграммы для температур 600, 700 , 800 . Объем двигателя составлял 200 литров, продолжительность фазы впуска - 0,3 секунды. 
КПД получилось 11, 12 и 12 %, мощность 4, 5 и 5.8  кВт соответственно. Пробовал посчитать температуру 900К, но там мощность потерь приближалась  к мощности топки и возникли сомнения, возможно ли такую температуру достичь. 

По моим прикидкам и мощность и КПД растут с увеличением температуры. Даже когда мощность потерь излучением начинает превышать полезную мощность... Что довольно парадоксально. 

Возможно, лучший режим работы двигателя, это когда мощность потерь излучением сравнивается с мощностью двигателя... Но надо считать точнее. 

Увеличение скорости работы повышает КПД. За счёт уменьшения потерь и роста температуры. 

При температуре 500 К потери тепла невелики... Но и невелик термодинамический КПД. 

[sanitareugen]

Что до температуры - то 150 Цельсия я полагаю даже чрезмерным. Каждый, ставивший чайник на деревянный стол, видел,что обугливание начинается уже при 100 градусах. Так что максимум 120, ну, я щедрый - 123 (400^оК). Итак, от 400 надо снизить до 300. Грубо принимая теплоёмкость газа 30 джоулей на моль-градус, 3 кДж на моль, получаем, что на кубометр порядка 165 кДж охлаждения. Это позволит уменьшить объём газа на 250 литрова. Теплота испарения воды 2.3 МДж/кг, то есть нужно около 4 молей воды, которые породят 88 литров пара. То есть съедят треть выигрыша в объёме. Если же взять температуру 800 градусов Цельсия (1100 Кельвина), то воды надо в 8 раз больше, объём пара 704 литра, что будет приводить в движение?

[чукча]

мощность 4, 5 и 5.8  кВт

Тоесть полный цикл - 1 секунда?