Рассказ будет не о Firefox’е, а о предшественнике ДВС — вакуумном двигателе (vacuum engine, also called flame-licker engine, flame-engine, flame-dancer).
Проблема раннего парового двигателя — простейший котел съест уйму металла и порядка половины от веса двигателя. Пар обожает конденсироваться на любой холодной поверхности, выделяя при этом уйму тепла, а резкое уменьшение объема при конденсации подсасывает новый пар — поэтому пар отдает тепло намного быстрее чем просто горячий воздух, что и используется в паровом отоплении.
А что если сделать все наоборот, в цилиндр подать воздух из топки, нагретый до нескольких сотен градусов, а потом охладить его водяным душем? В результате в цилиндре образуется разрежение до половины-трети атмосферы.
Сэмюэль Браун изготовлял такие двигатели с 1826 года, но двигатели Ленуара и Отто не оставили им никаких шансов.
Как показывают прикидки, идеальный КПД схемы перевалит через 10% уже на 450 градусах Цельсия. В общем на практике вполне можно ожидать эффективности выше чем у пароатмосферной машины, но без тяжелого и дорогого котла.
Конечно цилиндр придется увеличить в разы, на весе мы все равно сэкономим, большая точность расточки не нужна — протечка будет отбирать тепло у воздуха не так эффективно как у пара, уплотнения скорее всего выдержат не больше сотни градусов (идеальный КПД порядка 1,5%), хотя их наверняка получится защитить от перегрева. У Стирлинга цилиндры постоянно ломались, но в вакуумном двигателе тепловые перепады поменьше, на худой конец цилиндр можно держать холодным. Но котел придется топить продуктами перегонки нефти или чистить выхлоп топки от сажи — иначе цилиндр долго не проживет.
В общем при наличии чистого топлива / экспертизы по чистке выхлопа вариант интересный, но не факт что получится заменить паровик.
А что если скрестить схему с двухтактным насосом Гемфри и раскачивать вакуумом воду в трубе? КПД упадет не сильно, но мы избавимся от возни с газогенерацией и зажиганием и обеспечим более «мягкий» рабочий цикл по сравнению со вспышкой сжатого газа. А попозже двигатель можно и переделать на более эффективную схему Гемфри.
Идея интересная, но требует более серьезной проработки.
Если огонь горит в топке, минимум половина энергии сразу в трубу, с учётом бесполезного нагрева стенок топки будет и того больше.
Материалы для уплотнений неочевидны, как и проблема смазки. Клапан-заслонка тоже под вопросом, постоянно находится под действием пламени..
Топливо без вариантов газ, жидкое слишком дорого, с твердым долго не протянет. Но если есть газ, то стоит думать в сторону уже нормального ДВС.
>>А что если скрестить схему с двухтактным насосом Гемфри и раскачивать вакуумом воду в трубе? >>
Собственно, двигатели Брауна так и работали.
> минимум половина энергии сразу в трубу
Откуда если все горячие газы идут в трубу с водой / цилиндр после очистки? Потери через стенки топки те же что и у любого другого двигателя внешнего сгорания.
Это в паровике нам надо отобрать тепло у газов стенкой котла, а тут газы с теплом просто идут в движок.
Если брать вашу простейшую схему огнелиза — горячий газ засасывается половину цикла, вторая половина сжатие и выхлоп, соотаетственно вторую половину горячий газ идет в трубу. Иначе нужны отдельные клапаны на всасывание/выхлоп, еще какой нибудь накопитель, конструкция сильно сложней представленной получится.
Я таки рассчитываю что объем топки и будет накопителем, труба при работе просто не подключена — вентиляция за счет отсоса воздуха в движок.
Конвекция и остаточное движение от всоса вполне себе будут перемешивать воздух.
Испытал ментальный оргазм от данной статьи… Кто-то там хотел цеольно-деревянный двигатель? Вот он!
Самое простое решение проблемы чистого топлива — использовать не огонь, а раскаленный воздух.
Котел получается огромным и тяжелым, зато его можно построить из дешевого самана-кирпича. Для стационарного двигателя вес не важен. Сам двигатель можно сделать холодным, уплотнения -тз любых доступных материалов, водянной душ не дает им нагреться.
Еще такой двигатель может иметь хороший КПД. Так как никто не мешает использовать очень высокую температуру газов.
турбина вместо цилиндра ?
>>Как показывают прикидки>>
Этот момент тоже нопятен, как рассчитывалась эффективность?
Очень грубо — кило воздуха = 1 м3 нагреваем на 300 гр = нужно 300 кДж энергии, получаем 2 м3
1 литр вакуума = 100 дж
После охлаждения мы получим не вакуум а 0.5 атм, к концу хода 1 атм, так что считаем 25 дж с 1000 литров хода = 25 кдж = КПД 8.3 процента
А если поточнее то тут интегригуется работа с небольшим шагом цилиндра https://gist.github.com/vashu1/1bbe573f7e22ddf463b11e1fb4d4d088 тут для 300 гра получено 7.8%
Считать нужно по другому.
Построить цикл работы, скажем: изобарический нагрев с 20 до 300, рассчитать энтальпию исходя из Ср и объем по Менделееву-Клапейрону; затем изохорическое охлаждение градусов до 80, рассчитать давление по М-К; адиабатическое сжатие до 1 атм, рассчитать работу; изобарическое охлаждение до начальной температуры — последняя стадия в принципе не нужна. КПД будет отношение работы третьей стадии к энтальпии первой.
Очень похоже на цикл
Очень похоже на цикл Ленуара со всеми стадиями наоборот.
КПД может и повыше вашей оценки будет, но проблема в том, что двигатели на горячем воздухе весь XIX в. активно констуляли, но ни один не взлетел.
Интересно, почему не взлетел. Двигатель, на первый взгляд, кажется очень перспективным. Наверняка у него есть какие-то неочевидные недостатки.
Пока я вижу проблемы:
1. При использовании горячего воздуха печка должна быть в 2-3 раза больше и тяжелее, чем паровой котел аналогичной тепловой мощности. Но большой КПД может частично это компенсировать.
2. При использовании огня напрямую нужено чистое топливо.
3. Небольшое давление, необходимость большого объема цилиндра.
4. Медленное охлаждение горячих газов водой.
Но так ли мешают эти недостатки.
1. Для стационарной машины печка не является проблемой. Тут я вижу даже преимущество — все можно делать из дешевого кирпича.
2. Так ли сложно получить чистое топливо? Можно использовать разные варианты газогенераторов (придется возиться с фильтрами). Зато, в отличии от ДВС подходит любое чистое топливо и не важно октановое число.
3. Для стационарных машин не важно, для транспорта лечится увеличением оборотов.
4. Лечится установкой дополнительной камеры-охладителя.
Топка имеет на порядок меньший размер чем простейший котел низкого давления. Емнип rules of thumb Ватта — квадратный ярд поверхности котла на лошадиную силу и квадратный фут поверхности топки.
Это если использовать чистое топливо и пламя напрямую. А если грязное топливо для нагревания воздуха, то котел должен быть очень большим. Впрочем, это должно компенсироваться большим КПД.
Насколько я помню, у flamelicker’ов черезвычайно поганый КПД — он подсасывает считаные проценты пламени, а все остальное летит в атмосферу, и это мы еще не дошли до смешной дельты Т и конденсации в самом цилиндре. Где-то я читал, кстати, что с увеличением размера двигателя ситуация еще сильнее ухудшается, и все попытки сделать большой двигатель приводили к тому, что он даже сам себя не мог двигать.
Кроме того, втягивать огонь с копотью внутрь цилиндра — не самая удачная идея с точки зрения долгоживучести колец поршня, даже если бы КПД был бы хоть сколько-нибудь приемлемым.
ИМХО абсолютно бессмысленная конструкция за пределами демонстрации некоторых законов физики.
Не совсем понял, объясните баке.
>он подсасывает считаные проценты пламени
А что мешает направить все пламя в целиндр? Например, сделать несколько цилиндров, которые попеременно подсасывают пламя для непрерывности горения?
>смешной дельты Т
она у него должна быть огромной, по сравенению с пароатмосферниками.
Я, конечно не прав, но где именно?
Немного офтопа. Как там у Краза дела? Он, вроде в Украине живет. Я волнуюсь, все ли в порядке. Кто-нибудь знает?
https://www.starspin.com/stirlings/fire1.html
самый большой пример подобного двигателя, который удалось найти. 50 Ватт при цилиндре 6 дюймов с ходом 6 дюймов. Хорошо бы сравнить, например, в Ленуаром подобного объема.
Два с половиной литра, 3 хода в секунду. 50W @ 200RPM nominal
В общем «полезное среднее разрежение» порядка 0.07 атм
этот двигатель двойного действия, поэтому «полезный вакуум» получится в два раза меньше.
Как вариант — двухконтурная топка, которая греет воздух без продуктов сгорания… и уже этот воздух полностью используется в цилиндре. Тяжёлая, но неубиваемая фигня с вменяемым КПД…
Но всё фигня в сравнении с насосом Гемфри с компрессией на гидроударе 🙂
Среди ранних газовых двигателей стоит отметить весьма интересную конструкцию, разработанную Николаусом Отто в 1864 г в партнерстве с Еугеном Ланге.
В основе идеи была ошибочная, в целом, идея, что низкий кпд двигателей Ленаура связан с медленным, ограниченным движением поршня, расширением газа после взрыва. Отто решил использовать поршень, который после всасывания порции газа и воздуха, и воспламенения этой смеси разобщается от механизма двигателя и движется практически свободно. Отбор же работы при этом происходил при возвращении поршня в исходное положение под действием атмосферного давления и веса самого поршня.
Несмотря на ряд недостатков, в первую очередь сильные ударные нагрузки и шум при работе, двигатели Отто-Ланге сразу нашли коммерческий успех, и достаточно широко применялись в небольших мастерских, типографиях и т.д., так как имели кпд около 12%. Это практически в 3 раза выше, чем у двигателей Ленуара. Причина такого высокого кпд заключалась в очень большой степени расширения. Производство двигателей Отто-Лангена было остановлено в 1877 г, когда появились гораздо более совершенные четырехтактные двигатели, работавшие по циклу Отто.
Конструкция двигателей Отто-Лангена была достаточно простой, и, вероятно, воспроизвести ее было бы гораздо проще, чем даже двигатель Ленуара.
https://oldmachinepress.com/2018/01/20/otto-langen-atmospheric-engine/
Двигатель Отто-Лангена во многом напоминает двигатель Де Риваза, разработанный в 1804 г и работавший на гремучем газе
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/De_Rivaz_IC_Engine_detail.jpg
В нем взрыв газа так же поднимал поршень, совершавший полезную работу при возвращении в нижнюю точку, однако подача газа в цилиндр и его воспламенение электрической искрой производились вручную, что, конечно, делало этот двигатель неприменимым на практике.
Позже Де Риван построил несколько двигателей, работавших на светильном газе, а также сделал повозку со своим двигателем
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cd/Rivaz_Engine.jpg
Еще более ренний предшественник — это пороховой двигатель Гюйгенса и Папена 1670-1680 гг
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/Huyghens_Gunpowder_and_Air_Engine.png
Хотя сама идея использования энергии взрыва для поднятия тяжести и дальнейшего преобразования в полезную работу восходит чуть ли не в Да Винчи. Вероятно, такой подход, странный для современного человека, тогда представлялся очевидным.
Если же вернуться к двигателю Отто-Лангена, то такая конструкция могла бы быть внедрена значительно раньше, и с успехом бы конкурировала с пароаыми машинами на небольших фабриках, лесопилках, фермах и т.д.. Например, сверление цилиндра диаметром порядка 150 мм не представляло проблем с середины XVIII в (или же сразу после внедрения пушечного сверла), а сам цилиндр, открытый сверху, существенно упрощает проблему смазки двигателя. От относительно сложного храповика в случае насосов или лесопилок вообще можно было бы отказаться.
Огнелиз, похоже, был изобретен еще в середине XVIII в., и запатентован Генри Вудом в 1758 г., на 60 лет раньше Стирлинга. Но, кроме сомнительных попыток Брауна в начале века XX-го, никто особо и не пытался усовершествовать или применить на практике.
свежий патент по огнелизу https://patents.google.com/patent/DE202015004768U1/en
//In 1824 Mr. S. Brown took out a patent for an engine upon this principle, and at that time the invention excited considerable interest, and was by many looked upon as likely to supersede the steam engine; but although the inventor has since been perseveringly employed, and at a great expense, to bring the machine to perfection, we apprehend he has met with no great success, as the only instances in which we have heard of it being brought into actual use was on one occasion for raising water on the Surrey Canal, at Croydon, and at another time for a similar purpose, upon a canal in Oxfordshire; and very contradictory stated ments prevailed respecting the performance of the engines upon these occasions.//
//It seems he made coal gas in the common way in closed retorts, but instead of heating them with coal, which represented a loss, he heated his retorts by coke ovens and all the coal in his retorts was converted to coke, tar and gas. He claimed that the profit from the sale of coke and tar would more than pay the expense of the coal used, and he gave an account of experiments with the Croydon gas apparatus, confirmed by an eminent engineer. He seems to have operated up to three retorts and claimed that 50 bushels of small coal produced 71 bushels of coke. He claimed a profit of £102 18s 0d per annum exclusive of what the work of the engine may be worth. In this he probably went too far and no doubt frightened off many people who would have supported more modest claims.//