1. LENR.SU - форум для обмена опытом по постройке устройств Свободной Энергии, поиск единомышленников. Cold Fusion, Холодный Ядерный Синтез - описание экспериментов и полученных результатов. ХЯС, LENR, НЭЯР, Low Energy Nuclear Reaction. ЭНЕРГОНИВА - Вачаев А.В. Шаровая молния, опыты с плазмой, плазменное горение. ВД 2 рода, устройства безопорной тяги, антигравитация, Эфир и теории эфира, критика Теории Относительности. Мировой заговор, запрещенные технологии, сокрытие тайны свободной энергии, Сыны ОМЕРТЫ и ЭНЕРГОЭФФЕКТИВКА

Наука и техника против маразма, за ФИЗИКУ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

Тема в разделе "Теории заговора на тему LENR, СЕ, БТГ", создана пользователем M-Serge, 20 ноя 2019.

  1. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    В теме планируется в шутливой форме показывать всю несостоятельность "борцов" за ФИЗИКУ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ, высмеивать демагогию "профессоров" от лженауки, показывать их бредовые идеи и галиматью их рассуждений с точки зрения ещё не совсем за-зомбированного человека.
    Ну, и НАТУРАЛЬНАЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВКА, конечно.

    ТАНЦУЕМ С ЭНЕРГОЭФФЕКТИВКОЙ
     
  2. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    [​IMG]
     
  3. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Бред собачий!
    index.gif

    Как болгарский "учёный-профессор" показывает свою "грамотность" и знание физики.
    Расширяясь в вакууме, газ не меняет своей температуры, по закону сохранения энергии!
    t2.jpg

    При расширении газа в атмосфере.
    t1.jpg
    Опыты показывают, что при быстром сжатии температура газа повышается, а при быстром расширении понижается.

     
    Последнее редактирование: 20 ноя 2019
  4. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Что такое Детандер (без извращений и мистики)

    Steam_vacuum_vs_pressure.gif

    Слева - анимированная работа поршневого детандера (принцип паровой машины Ньюкомена).

    Детандер (от франц. détendre — ослаблять) — устройство, преобразующее потенциальную энергию газа в механическую энергию. При этом газ, совершая работу, охлаждается. Используется в цикле получения жидких газов, таких как кислород, водород и гелий. Наиболее распространены поршневые детандеры и турбодетандеры.

    Применение
    Основное применение турбодетандеры нашли в технологических процессах получения жидкого водорода, кислорода, воздуха, азота и других криогенных газов, а также СПГ. Однако сегодня турбодетандеры начинают применяться в процессах утилизации энергии дросселируемого природного газа на ГРС и ГРП при распределении газа, транспортируемого по магистральным газопроводам. Также турбодетандер — турбохолодильник, ТХ — важный компонент системы кондиционирования воздуха любого высотного реактивного или турбовинтового самолёта.
    Большие перспективы применения турбодетандеров в технологических процессах производств с применением пара в качестве основного энергоносителя (нефтеперерабатывающие и химические заводы), а также на газовых и нефтяных промыслах.


    Причины разработки турбодетандеров, значимость
    В начале XX века велись поиски способов повысить температуру в домнах, и тем самым упростить выплавку чугуна. Для этого предполагалось применять поддув в домну обогащённого кислородом воздуха. Кислород получают из жидкого воздуха посредством пофракционной перегонки. Соответственно возникла проблема получения жидкого воздуха в промышленных масштабах. Существовавший на то время способ охлаждения (дросселирование через тонкую трубку) был очень энергозатратным и недостаточно эффективным, что не позволяло применять кислород в металлургии. Попытки применять поршневые детандеры оканчивались неудачей, так как они быстро выходили из строя, забиваясь водяным льдом. Для применения поршневых детандеров воздух приходилось осушать, пропуская через специальные химические смеси, что опять же чрезмерно усложняло и удорожало процесс.
    Разработка турбодетандера позволила применять кислород в доменных печах и конвертерах. Это не только упростило выплавку чугуна, но и упростило преобразование чугуна в железо (сталь). Получаемая сталь была более высокого качества, чем ранее, так как содержала меньше растворённого в ней азота. Применение чистого кислорода вместо воздуха также существенно повышает температуру в конвертере, что позволяет в нём переплавлять существенно большее количество металлолома.
    В разработке детандеров ведущую роль в СССР с 1936 года играл академик Капица, в частности предложивший усовершенствованную конструкцию турбодетандера, позволившую поднять его КПД с 0,52—0,58 до 0,79—0,83, то есть в 3 раза снизить потери (по сравнению с лучшими до того в мире турбодетандерами немецкой фирмы Линде).


    Turboexpander
    A turboexpander, also referred to as a turbo-expander or an expansion turbine, is a centrifugal or axial-flow turbine, through which a high-pressure gas is expanded to produce work that is often used to drive a compressor or generator.
    Because work is extracted from the expanding high-pressure gas, the expansion is approximated by an isentropic process (i.e., a constant-entropy process), and the low-pressure exhaust gas from the turbine is at a very low temperature, −150 °C or less, depending upon the operating pressure and gas properties. Partial liquefaction of the expanded gas is not uncommon.
    Turboexpanders are widely used as sources of refrigeration in industrial processes such as the extraction of ethane and natural-gas liquids (NGLs) from natural gas, the liquefaction of gases (such as oxygen, nitrogen, helium, argon and krypton) and other low-temperature processes.
    ---[перевод]---
    Турбодетандер, также называемый турбодетандером или турбодетандером, представляет собой центробежную турбину или турбину с осевым потоком, через которую газ высокого давления расширяется для производства работы, которая часто используется для привода компрессора или генератора.
    Поскольку работа извлекается из расширяющегося газа высокого давления, расширение аппроксимируется изоэнтропическим процессом (то есть процессом с постоянной энтропией), а отработавший газ низкого давления из турбины имеет очень низкую температуру -150 °. С или менее, в зависимости от рабочего давления и свойств газа. Частичное сжижение расширенного газа не является редкостью.
    Турбодетандеры широко используются в качестве источников охлаждения в промышленных процессах, таких как извлечение этана и газовых жидкостей (NGL) из природного газа, сжижение газов (таких как кислород, азот, гелий, аргон и криптон) и другие низкотемпературные процессы.

    Power generation
    [​IMG]
    Schematic diagram of power generation using a turboexpander

    Main articles: steam turbine, rankine cycle, and organic Rankine cycle
    The figure depicts an electric power generation system that uses a heat source, a cooling medium (air, water or other), a circulating working fluid and a turboexpander. The system can accommodate a wide variety of heat sources such as:

    1. geothermal hot water,
    2. exhaust gas from internal combustion engines burning a variety of fuels (natural gas, landfill gas, diesel oil, or fuel oil),
    3. a variety of waste heat sources (in the form of either gas or liquid)..

    The circulating working fluid (usually an organic compound for organic Rankine cycle) is pumped to a high pressure and then vaporized in the evaporator by heat exchange with the available heat source. The resulting high-pressure vapor flows to the turboexpander, where it undergoes an isentropic expansion and exits as a vapor–liquid mixture, which is then condensed into a liquid by heat exchange with the available cooling medium. The condensed liquid is pumped back to the evaporator to complete the cycle.

    The system in the figure implements a rankine cycle as it is used in fossil-fuel power plants, where water is the working fluid and the heat source is derived from the combustion of natural gas, fuel oil or coal used to generate high-pressure steam. The high-pressure steam then undergoes an isentropic expansion in a conventional steam turbine. The steam turbine exhaust steam is next condensed into liquid water, which is then pumped back to steam generator to complete the cycle.

    When an organic working fluid such as R-134a is used in the Rankine cycle, the cycle is sometimes referred to as an organic Rankine cycle (ORC).
    ---[перевод]---
    Принципиальная схема выработки электроэнергии с использованием турбодетандера
    Основные статьи: паровая турбина, цикл Ренкина и органический цикл Ренкина
    На фигуре изображена система выработки электроэнергии, в которой используется источник тепла, охлаждающая среда (воздух, вода или другое), циркулирующая рабочая жидкость и турбодетандер. Система может вместить широкий спектр источников тепла, таких как:

    1. геотермальная горячая вода,
    2. выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, сжигающие различные виды топлива (природный газ, свалочный газ, дизельное топливо или мазут),
    3. различные источники отработанного тепла (в виде газа или жидкости).

    Циркулирующая рабочая жидкость (обычно органическое соединение для органического цикла Ренкина) перекачивается под высоким давлением и затем испаряется в испарителе путем теплообмена с доступным источником тепла. Образующийся пар высокого давления поступает в турбодетандер, где он подвергается изоэнтропическому расширению и выходит в виде парожидкостной смеси, которая затем конденсируется в жидкость за счет теплообмена с имеющейся охлаждающей средой. Конденсированная жидкость перекачивается обратно в испаритель для завершения цикла.

    Система на рисунке реализует цикл Ренкина, поскольку он используется на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, где вода является рабочей жидкостью, а источником тепла является сжигание природного газа, мазута или угля, используемых для генерации пара высокого давления. , Пар высокого давления затем подвергается изэнтропическому расширению в обычной паровой турбине. Отработавший пар паровой турбины затем конденсируется в жидкую воду, которая затем перекачивается обратно в парогенератор для завершения цикла.

    Когда в цикле Ранкина используется органическая рабочая жидкость, такая как R-134a, этот цикл иногда называют органическим циклом Ранкина (ORC).

    Refrigeration system
    [​IMG]
    Schematic diagram of a refrigeration system using a turboexpander, compressor and a motor
    A refrigeration system utilizes a compressor, a turboexpander and an electric motor.

    Depending on the operating conditions, the turboexpander reduces the load on the electric motor by 6–15% compared to a conventional vapor-compression refrigeration system that uses a throttling expansion valve rather than a turboexpander. Basically, this can be seen as a form of turbo compounding.

    The system employs a high-pressure refrigerant (i.e., one with a low normal boiling point) such as:[11]

    As shown in the figure, refrigerant vapor is compressed to a higher pressure, resulting in a higher temperature as well. The hot, compressed vapor is then condensed into a liquid. The condenser is where heat is expelled from the circulating refrigerant and is carried away by whatever cooling medium is used in the condenser (air, water, etc.).

    The refrigerant liquid flows through the turboexpander, where it is vaporized, and the vapor undergoes an isentropic expansion, which results in a low-temperature mixture of vapor and liquid. The vapor–liquid mixture is then routed through the evaporator, where it is vaporized by heat absorbed from the space being cooled. The vaporized refrigerant flows to the compressor inlet to complete the cycle.
    ---[перевод]---
    Принципиальная схема системы охлаждения с использованием турбодетандера, компрессора и двигателя
    Система охлаждения использует компрессор, турбодетандер и электродвигатель.

    В зависимости от условий эксплуатации турбодетандер снижает нагрузку на электродвигатель на 6–15% по сравнению с обычной паровой компрессорной холодильной системой, в которой вместо дроссельного расширителя используется дроссельный расширительный клапан. [11] По сути, это можно рассматривать как форму турбо-рецептуры.

    В системе используется хладагент высокого давления (т. Е. Тот, с низкой нормальной температурой кипения), такой как:

    1. хлордифторметан (CHClF2), известный как R-22, с нормальной температурой кипения -47 ° C;
    2. 1,1,1,2-тетрафторэтан (C2H2F4), известный как R-134a, с нормальной температурой кипения -26 ° C.

    Как показано на рисунке, пары хладагента сжимаются до более высокого давления, что также приводит к повышению температуры. Горячий сжатый пар затем конденсируется в жидкость. Конденсатор - это место, где тепло отводится из циркулирующего хладагента и отводится любой охлаждающей средой, используемой в конденсаторе (воздух, вода и т. Д.).

    Хладагент течет через турбодетандер, где он испаряется, и пар подвергается изоэнтропическому расширению, что приводит к низкотемпературной смеси пара и жидкости. Затем парожидкостная смесь направляется через испаритель, где она испаряется теплом, поглощаемым из охлаждаемого пространства. Испаренный хладагент поступает на вход компрессора для завершения цикла.

    Power recovery in fluid catalytic cracker
    [​IMG]
    A schematic diagram of the power recovery system in a fluid catalytic cracking unit
    The combustion flue gas from the catalyst regenerator of a fluid catalytic cracker is at a temperature of about 715 °C and at a pressure of about 2.4 barg (240 kPa gauge). Its gaseous components are mostly carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and nitrogen (N2). Although the flue gas has been through two stages of cyclones (located within the regenerator) to remove entrained catalyst fines, it still contains some residual catalyst fines.

    The figure depicts how power is recovered and utilized by routing the regenerator flue gas through a turboexpander. After the flue gas exits the regenerator, it is routed through a secondary catalyst separator containing swirl tubes designed to remove 70–90% of the residual catalyst fines.[12] This is required to prevent erosion damage to the turboexpander.

    As shown in the figure, expansion of the flue gas through a turboexpander provides sufficient power to drive the regenerator's combustion air compressor. The electrical motor-generator in the power-recovery system can consume or produce electrical power. If the expansion of the flue gas does not provide enough power to drive the air compressor, the electric motor-generator provides the needed additional power. If the flue gas expansion provides more power than needed to drive the air compressor, then the electric motor-generator converts the excess power into electric power and exports it to the refinery's electrical system. The steam turbine is used to drive the regenerator's combustion air compressor during start-ups of the fluid catalytic cracker until there is sufficient combustion flue gas to take over that task.

    The expanded flue gas is then routed through a steam-generating boiler (referred to as a CO boiler), where the carbon monoxide in the flue gas is burned as fuel to provide steam for use in the refinery.

    The flue gas from the CO boiler is processed through an electrostatic precipitator (ESP) to remove residual particulate matter. The ESP removes particulates in the size range of 2 to 20 micrometers from the flue gas.
    ---[перевод]---
    Принципиальная схема системы рекуперации энергии в установке жидкостного каталитического крекинга
    Топочный газ сгорания из регенератора катализатора жидкого каталитического крекинга имеет температуру около 715 ° С и давление около 2,4 бар (манометр 240 кПа). Его газообразными компонентами являются в основном моноксид углерода (СО), диоксид углерода (СО2) и азот (N2). Хотя дымовой газ прошел две стадии циклонов (расположенных внутри регенератора) для удаления захваченной каталитической мелочи, он все же содержит некоторые остаточные каталитические мелочи.

    На рисунке показано, как энергия восстанавливается и используется путем направления дымового газа регенератора через турбодетандер. После того, как дымовой газ выходит из регенератора, он направляется через вторичный сепаратор катализатора, содержащий вихревые трубки, предназначенные для удаления 70–90% остаточной мелкой фракции катализатора. [12] Это необходимо для предотвращения эрозионного повреждения турбодетандера.

    Как показано на рисунке, расширение дымовых газов через турбодетандер обеспечивает достаточную мощность для привода компрессора воздуха для горения регенератора. Электродвигатель-генератор в системе рекуперации энергии может потреблять или производить электроэнергию. Если расширение дымовых газов не обеспечивает достаточную мощность для привода воздушного компрессора, электродвигатель-генератор обеспечивает необходимую дополнительную мощность. Если расширение дымовых газов обеспечивает больше мощности, чем необходимо для приведения в действие воздушного компрессора, то электродвигатель-генератор преобразует избыточную мощность в электроэнергию и экспортирует ее в электрическую систему завода. Паровая турбина используется для приведения в действие компрессора воздуха сгорания регенератора во время пусков жидкостного каталитического крекинга до тех пор, пока не образуется достаточное количество дымовых газов сгорания для выполнения этой задачи.

    Затем расширенный дымовой газ направляется через парогенераторный котел (называемый котлом CO), где монооксид углерода в дымовом газе сжигается в качестве топлива для подачи пара для использования на нефтеперерабатывающем заводе.

    Дымовые газы из котла CO обрабатываются через электрофильтр (ESP) для удаления остаточных твердых частиц. ESP удаляет твердые частицы размером от 2 до 20 микрометров из дымовых газов.

    Extracting hydrocarbon liquids from natural gas
    [​IMG]
    A schematic diagram of a demethanizer extracting hydrocarbon liquids from natural gas
    Raw natural gas consists primarily of methane (CH4), the shortest and lightest hydrocarbon molecule, along with various amounts of heavier hydrocarbon gases such as ethane (C2H6), propane (C3H8), normal butane (n-C4H10), isobutane (i-C4H10), pentanes and even higher-molecular-mass hydrocarbons. The raw gas also contains various amounts of acid gases such as carbon dioxide (CO2), hydrogen sulfide (H2S) and mercaptans such as methanethiol (CH3SH) and ethanethiol (C2H5SH).

    When processed into finished by-products (see Natural-gas processing), these heavier hydrocarbons are collectively referred to as NGL (natural-gas liquids). The extraction of the NGL often involves a turboexpander[14] and a low-temperature distillation column (called a demethanizer) as shown in the figure. The inlet gas to the demethanizer is first cooled to about −51 °C in a heat exchanger (referred to as a cold box), which partially condenses the inlet gas. The resultant gas–liquid mixture is then separated into a gas stream and a liquid stream.

    The liquid stream from the gas–liquid separator flows through a valve and undergoes a throttling expansion from an absolute pressure of 62 bar to 21 bar (6.2 to 2.1 MPa), which is an isenthalpic process (i.e., a constant-enthalpy process) that results in lowering the temperature of the stream from about −51 °C to about −81 °C as the stream enters the demethanizer.

    The gas stream from the gas–liquid separator enters the turboexpander, where it undergoes an isentropic expansion from an absolute pressure of 62 bar to 21 bar (6.2 to 2.1 MPa) that lowers the gas stream temperature from about −51 °C to about −91 °C as it enters the demethanizer to serve as distillation reflux.

    Liquid from the top tray of the demethanizer (at about −90 °C) is routed through the cold box, where it is warmed to about 0 °C as it cools the inlet gas, and is then returned to the lower section of the demethanizer. Another liquid stream from the lower section of the demethanizer (at about 2 °C) is routed through the cold box and returned to the demethanizer at about 12 °C. In effect, the inlet gas provides the heat required to "reboil" the bottom of the demethanizer, and the turboexpander removes the heat required to provide reflux in the top of the demethanizer.

    The overhead gas product from the demethanizer at about −90 °C is processed natural gas that is of suitable quality for distribution to end-use consumers by pipeline. It is routed through the cold box, where it is warmed as it cools the inlet gas. It is then compressed in the gas compressor driven by the turboexpander and further compressed in a second-stage gas compressor driven by an electric motor before entering the distribution pipeline.

    The bottom product from the demethanizer is also warmed in the cold box, as it cools the inlet gas, before it leaves the system as NGL.

    The operating conditions of an offshore gas conditioning turbo-expander/recompressor are as follows:
    dt.jpg
    ---[перевод]---
    Принципиальная схема деметанизатора, извлекающего углеводородные жидкости из природного газа
    Необработанный природный газ состоит в основном из метана (CH4), самой короткой и легкой молекулы углеводорода, а также различных количеств более тяжелых углеводородных газов, таких как этан (C2H6), пропан (C3H8), нормальный бутан (н-C4H10), изобутан (i- C4H10), пентаны и даже углеводороды с более высокой молекулярной массой. Неочищенный газ также содержит различные количества кислых газов, таких как диоксид углерода (CO2), сероводород (H2S) и меркаптаны, такие как метантиол (CH3SH) и этантиол (C2H5SH).

    При переработке в готовые побочные продукты (см. Обработка природного газа) эти более тяжелые углеводороды вместе обозначаются как NGL (жидкости природного газа). Извлечение СПГ часто включает в себя турбодетандер [14] и низкотемпературную ректификационную колонну (называемую деметанизатором), как показано на рисунке. Входящий газ в деметанизатор сначала охлаждают до примерно -51 ° С в теплообменнике (называемом холодным боксом), который частично конденсирует входящий газ. Полученная газожидкостная смесь затем разделяется на поток газа и поток жидкости.

    Поток жидкости из газожидкостного сепаратора проходит через клапан и подвергается дроссельному расширению с абсолютного давления от 62 бар до 21 бара (6,2-2,1 МПа), что является изоэнтальпическим процессом (т. Е. Процессом с постоянной энтальпией), который приводит к снижению температуры потока от примерно -51 до примерно -81 ° С, когда поток поступает в деметанизатор.

    Поток газа из газожидкостного сепаратора поступает в турбодетандер, где он подвергается изоэнтропическому расширению с абсолютного давления от 62 бар до 21 бара (6,2-2,1 МПа), что понижает температуру газового потока от примерно -51 ° C до примерно - 91 ° C, поскольку он входит в деметанизатор, чтобы служить в качестве дефлегмации.

    Жидкость из верхнего поддона деметанизатора (примерно при -90 ° C) направляется через холодную камеру, где она нагревается до примерно 0 ° C, так как охлаждает входящий газ, и затем возвращается в нижнюю часть деметанизатора. , Другой поток жидкости из нижней секции деметанизатора (при температуре около 2 ° С) направляется через холодную камеру и возвращается в деметанизатор при температуре около 12 ° С. По сути, входящий газ обеспечивает тепло, необходимое для «кипения» нижней части деметанизатора, а турбодетандер отводит тепло, необходимое для обеспечения флегмы в верхней части деметанизатора.

    Продукт верхнего погона из деметанизатора при температуре около -90 ° C представляет собой переработанный природный газ, который имеет подходящее качество для распределения конечным потребителям по трубопроводу. Он направляется через холодную камеру, где он нагревается при охлаждении газа на входе. Затем он сжимается в газовом компрессоре, приводимом в действие турбодетандером, и дополнительно сжимается в газовом компрессоре второй ступени, приводимом в движение электродвигателем, прежде чем поступать в распределительный трубопровод.

    Нижний продукт из деметанизатора также нагревается в холодильной камере, поскольку он охлаждает входящий газ, прежде чем покинет систему в виде NGL.

    Рабочие условия морского газового кондиционера турбодетандера / рекомпрессора следующие:
    dt.jpg

    History
    The possible use of an expansion machine for isentropically creating low temperatures was suggested by Carl Wilhelm Siemens (Siemens cycle), a German engineer in 1857. About three decades later, in 1885, Ernest Solvay of Belgium attempted to use a reciprocating expander machine, but could not attain any temperatures lower than −98 °C because of problems with lubrication of the machine at such temperatures.

    In 1902, Georges Claude, a French engineer, successfully used a reciprocating expansion machine to liquefy air. He used a degreased, burnt leather packing as a piston seal without any lubrication. With an air pressure of only 40 bar (4 MPa), Claude achieved an almost isentropic expansion resulting in a lower temperature than had before been possible.

    The first turboexpanders seem to have been designed in about 1934 or 1935 by Guido Zerkowitz, an Italian engineer working for the German firm of Linde AG.

    In 1939, the Russian physicist Pyotr Kapitsa perfected the design of centrifugal turboexpanders. His first practical prototype was made of Monel metal, had an outside diameter of only 8 cm (3.1 in), operated at 40,000 revolutions per minute and expanded 1,000 cubic metres of air per hour. It used a water pump as a brake and had an efficiency of 79–83%. Most turboexpanders in industrial use since then have been based on Kapitsa's design, and centrifugal turboexpanders have taken over almost 100% of the industrial gas liquefaction and low-temperature process requirements. The availability of liquid oxygen revolutionized the production of steel using the basic oxygen steelmaking process.

    In 1978, Pyotr Kapitsa was awarded a Nobel physics prize for his body of work in the area of low-temperature physics.

    In 1983, San Diego Gas and Electric was among the first to install a turboexpander in a natural-gas letdown station for energy recovery.
    ---[перевод]---
    Возможное использование расширительной машины для изэнтропического создания низких температур было предложено немецким инженером Карлом Вильгельмом Сименсом (цикл Сименса) в 1857 году. Спустя три десятилетия, в 1885 году, Эрнест Сольвей из Бельгии попытался использовать возвратно-поступательную расширительную машину, но не может достичь температур ниже -98 ° C из-за проблем со смазкой машины при таких температурах.

    В 1902 году французский инженер Жорж Клод успешно использовал поршневой расширительный механизм для разжижения воздуха. Он использовал обезжиренную, обожженную кожаную упаковку в качестве уплотнения поршня без какой-либо смазки. При давлении воздуха всего 40 бар (4 МПа) Клод достиг почти изэнтропического расширения, что привело к более низкой температуре, чем это было возможно раньше.

    Первые турбодетандеры, по-видимому, были разработаны примерно в 1934 или 1935 году Гвидо Церковицем, итальянским инженером, работающим в немецкой фирме Linde AG.

    В 1939 году русский физик Петр Капица усовершенствовал конструкцию центробежных турбодетандеров. Его первый практический прототип был изготовлен из монель-металла, имел наружный диаметр всего 8 см (3,1 дюйма), работал со скоростью 40000 оборотов в минуту и производил 1000 кубометров воздуха в час. Он использовал водяной насос в качестве тормоза и имел эффективность 79–83%. С тех пор большинство турбодетандеров, используемых в промышленности, были основаны на конструкции Kapitsa, а центробежные турбодетандеры приняли почти 100% требований к сжижению промышленного газа и низкотемпературным процессам. Наличие жидкого кислорода произвело революцию в производстве стали с использованием основного процесса производства стали из кислорода.

    В 1978 году Петр Капица был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу в области физики низких температур.

    В 1983 году San Diego Gas and Electric одним из первых установил турбодетандер на станции сброса природного газа для рекуперации энергии.

     

    Вложения:

    Последнее редактирование: 20 ноя 2019
  5. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Детандер-генератор: от идеи до практики

    Статья: https://www.eprussia.ru/epr/120/9284.htm
    Олег УКЛЕЧЕВ


    Получение электрической энергии с применением ресурсосберегающих технологий становится
    все более актуальным.

    Одно из таких направлений – использование потенциальной энергии природного газа высокого давления магистральных газопроводов с применением детандер-генераторов (ДГА).

    Известно, что перед подачей потребителю высокое давление газа понижается (редуцируется). При этом потенциальная энергия сжатого газа теряется безвозвратно.

    Но ведь ее можно использовать для «бестопливного» получения электроэнергии!

    Некоторые европейские страны (например, Италия и Германия) уже используют эту технологию. Здесь параллельно газоредуцирующим пунктам (ГРП, ГРС) магистральных газопроводов устанавливаются специальные газорасширительные турбины – детандеры.

    Эти агрегаты понижают давление газа до требуемого потребителю, выполняя функцию газораспределительных пунктов и станций, – и одновременно вырабатывают электроэнергию. Причем газ не сжигается, а только используется в качестве рабочего тела, поступая далее потребителю. Соответственно, окружающая среда не загрязняется продуктами сгорания топлива.

    Эффективность производства электроэнергии по технологиям с применением детандеров в два раза выше, чем на современных электростанциях.

    В России, где масштабы газификации промышленного и энергетического производств выше европейских, эта технология стала использоваться лишь в 1990‑х годах.

    Между тем, идею использования давления магистрального газа для выработки дополнительной энергии предложил еще в 1947 году академик М. Д. Миллионщиков.

    Первый в России детандер-генераторный комплекс мощностью 10 МВт, состоящий из двух детандер-генераторных агрегатов ДГА-5000, введен в эксплуатацию в 1994 году на ТЭЦ-21 «Мосэнерго». Их поставщик – группа компаний «Криокор».

    В настоящее время подобные агрегаты работают на Среднеуральской ГРЭС в России, на Лукомльской ГРЭС в Белоруссии, на Днепропетровской ГРС-7 на Украине.

    Упомянутые ДГА работают уже более десяти лет, доказав за это время эффективность детандер-генераторной технологии (ДГ-технологии).

    Вводятся в эксплуатацию еще два ДГА-5000 на Рязанской ГРЭС (поставщик – «Криокор»).

    Существуют и новейшие детандеры, в их числе – ЭТДА-1500. При его создании учтены особые требования к ДГА как агрегатам, работающим в системе газораспределения, опыт создания детандер-генераторов различных фирм, а также конструкции и опыт эксплуатации газонагнетателей (агрегатов, близких по условиям эксплуатации к ДГА).

    В настоящее время турбодетандеры оцениваются специалистами как один из перспективных видов турбинной продукции с большим рынком сбыта. Причем рынком наиболее востребован мощностной ряд 1,5 – 6 МВт.

    Сегодня, учитывая более чем 10‑летний опыт использования ДГА в России и СНГ, а также более чем двадцатилетний опыт их использования в Западной Европе и Америке, можно говорить об оживлении интереса рынка к этой продукции.

    Следует отметить и инвестиционную привлекательность этого сегмента рынка.

    По разным оценкам, ресурс внедрения ДГ-технологии в России и СНГ оценивается в 5000 – 8000 МВт. А это – загрузка энергомашиностроительных предприятий на многие годы. Срок окупаемости проектов – от 3 до 5 лет. Для потребителей же это – производство относительно дешевой, экологически чистой электроэнергии на собственные нужды. Кроме того, это экономия газа, который можно отправить на экспорт.

    В заключение хотелось бы отметить, что детандер-генераторы относятся к оборудованию, созданному по «бестопливным» технологиям, поддерживаемым Киотским протоколом к конвенции ООН по изменению климата. Поэтому реализация этих проектов может проводиться с использованием механизма привлечения средств за счет продажи квот на эмиссию парниковых газов.
     
  6. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Детандер-компрессоры серии EC для работы с углеводородами
    в нефтехимической промышленности

    https://clck.ru/K9qgJ

    cq5dam.web.1600.1600.jpg
     
  7. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Весёлая и интересная ЭНЕРГОЭФФЕКТИВКА
    Faszination Modellbau Indoorflugshow 2019 - Friedrichshafen
     
  8. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Паровая машина Ньюкомена
    Паровая машина Ньюкомена — пароатмосферная машина, которая использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII веке.

    [​IMG]
    Анимационная схема паровой атмосферной машины Ньюкомена 1712 г.

    История
    Паровой двигатель (эолипил) турбинного типа был изобретён Героном Александрийским в I веке н. э., но оставался забытой игрушкой, и лишь в конце XVII столетия паровые двигатели вновь привлекли внимание энтузиастов. Дени Папен изобрёл паровой котёл высокого давления с предохранительным клапаном и впервые высказал идею использования подвижного поршня в цилиндре. Но до практической реализации Папен не добрался.

    В 1705 году кузнец по профессии Томас Ньюкомен совместно с лудильщиком Дж. Коули построил паровой двигатель для водяного насоса (водоподъёмника), опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать (1712). При мощности 8 лошадиных сил машина поднимала воду с 80-метровой глубины. По-видимому, Ньюкомен использовал ранее полученные экспериментальные данные Папена, который изучал давление водяного пара на поршень в цилиндре и поначалу нагревание и охлаждение пара для возвращения поршня в исходное состояние производил вручную.

    Однако на своё изобретение Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был запатентован ещё в 1698 году Т. Севери, с которым Ньюкомен позднее сотрудничал, поскольку патент Севери получил по акту Парламента право действия до 1733 года. Устройством Ньюкомена был поршневой паровой двигатель с водоподъёмным насосом, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации: вследствие высокого давления пара двигатели иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт, изобретатель назвал его «другом рудокопа».

    Водоподъёмные насосы Ньюкомена с поршневым паровым двигателем нашли применение в Англии и в других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт, работы в которых без них производить было бы невозможно. К 1733 г. их было куплено 110, из которых 14 — на экспорт. С некоторыми усовершенствованиями их до 1800 г. произвели 1454 штуки, и они оставались в употреблении до начала XX века. В России первая машина Ньюкомена появилась в 1777 году в Кронштадте для осушения дока. Усовершенствованная машина Уатта не могла вытеснить машину Ньюкомена там, где был в избытке уголь низкого качества. В частности, на угольных разработках в Англии машины Ньюкомена использовались до 1934 года.

    500px-Newcomen_Figuier.jpg
    Гравюра двигателя Ньюкомена. Это изображение скопировано с рисунка в работе Дезаглирса «курс экспериментальной философии», 1744, которая является изменённой копией гравюры Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель Ньюкомена, установленный приблизительно в 1714 в угольной шахте Гриф в Уоркшире.

    Принцип работы

    Рабочий ход в вакуумном двигателе Ньюкомена совершается не высоким давлением пара, а низким давлением вакуума, образующегося после впрыска воды в цилиндр заполненный горячим паром. Низкое давление вакуума увеличивало безопасность двигателя, но сильно уменьшало мощность двигателя.

    Под действием собственного веса поршень насоса (прикрепленный к левому плечу коромысла на анимации, на анимации сам поршень не показан) опускается вниз, а поршень паровой части машины (прикреплен к правому плечу коромысла на анимации) поднимается, и пар низкого давления впускается в вертикальный рабочий цилиндр, открытый сверху. Впускающий пар клапан закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. Изначально пар конденсировался в результате внешнего водяного охлаждения цилиндра с паром. Затем введено усовершенствование: для ускорения конденсации в цилиндр с паром после закрытия клапана впрыскивалась вода низкой температуры (из ёмкости непосредственно под правым плечом коромысла на анимации), а конденсат сбегал в сборник конденсата. При конденсации пара давление в цилиндре падает, и атмосферное давление с усилием двигает поршень паровой части машины вниз, совершая рабочий ход. При этом поршень насосной части машины поднимается вверх, увлекая за собою воду на более высокий уровень. Далее цикл повторяется. Смазка и уплотнение поршня паровой части осуществляется небольшим количеством воды, налитой на него сверху.

    Изначально распределение пара и охлаждающей воды было ручным, затем изобретено автоматическое распределение, т.н. «механизм Поттера».

    Работа, производимая атмосферным давлением, тем больше, чем больше ход поршня и сила давления на него. Перепад давлений при этом зависит только от температуры, при которой пар конденсируется, и сила, равная произведению перепада давлений на площадь поршня, увеличивается при увеличении площади поршня, то есть, диаметра цилиндра и, следовательно, объема цилиндра. Совокупно получается, что мощность машины растёт с ростом объёма цилиндра.

    [​IMG]
    Поршень связан цепью с концом большого коромысла, представляющего собой двуплечий рычаг. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла. При рабочем ходе поршня вниз насос выталкивает вверх порцию воды, а затем под собственным весом опускается вниз, а поршень поднимается, заполняя цилиндр паром.

    Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с вдвое большей глубины, чем это было возможно при помощи лошадей. Отопление машин углем, добытым в той же шахте, которую машина обслуживала, оказалось выгодно, несмотря на чудовищную прожорливость установки: примерно 25 кг угля в час на одну лошадиную силу. Машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными. Однако заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы. Его машина стала предшественницей универсального двигателя Дж. Уатта.

    Схожую технологию в наше время используют бетононасосы на стройка.

    Дальнейшее развитие


    [​IMG]
    Схема паровой машины Ньюкомена с конденсатором Уатта
    Рабочий ход поршня только в одну сторону (вниз), и постоянные потери тепла на нагревание остывшего цилиндра ограничивали эффективность машины (КПД менее 1%).

    Первым усовершенствованием, введённым Уаттом, был отдельный конденсатор, позволивший держать цилиндр постоянно горячим.

    В своём принципиально новом двигателе Уатт отказался от пароатмосферной схемы, создав коромысловую машину двойного действия, в которой рабочими были оба хода поршня. Цепь не могла более служить передаточным звеном к коромыслу во время хода поршня вверх, и возникла потребность в механизме, который передавал бы мощность от поршня к коромыслу в обоих направлениях. Этот механизм также был разработан Уаттом. Мощность увеличилась примерно в пять раз, что дало 75 % экономию в себестоимости угля. Тот факт, что на базе машины Уатта стало возможно преобразование поступательного движения поршня во вращательное, и стал толчком к промышленной революции. Тепловой двигатель теперь мог крутить колесо мельницы или фабричного станка, освободив производство от водяных колёс на реках. Уже к 1800 г. фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 таких механизмов, из которых только 164 использовались как насосы. Ещё 308 нашли применение на мельницах и фабриках, а 24 обслуживали доменные печи.


    Development and application

    [​IMG]
    Pencil sketch of Newcomen steam engine as improved by Smeaton, from Popular Science monthly circa 1877
    Towards the close of its career, the atmospheric engine was much improved in its mechanical details and its proportions by John Smeaton, who built many large engines of this type during the 1770s. The urgent need for an engine to give rotary motion was making itself felt and this was done with limited success by Wasborough and Pickard using a Newcomen engine to drive a flywheel through a crank. Although the principle of the crank had long been known, Pickard managed to obtain a 12-year patent in 1780 for the specific application of the crank to steam engines; this was a setback to Boulton and Watt who got round the patent by applying the sun and planet motion to their advanced double-acting rotative engine of 1782.

    By 1725 the Newcomen engine was in common use in mining, particularly collieries. It held its place with little material change for the rest of the century. Use of the Newcomen engine was extended in some places to pump municipal water supply; for instance the first Newcomen engine in France was built at Passy in 1726 to pump water from the Seine to the city of Paris. It was also used to power machinery indirectly, by returning water from below a water wheel to a reservoir above it, so that the same water could again turn the wheel. Among the earliest examples of this was at Coalbrookdale. A horse-powered pump had been installed in 1735 to return water to the pool above the Old Blast Furnace. This was replaced by a Newcomen engine in 1742–3. Several new furnaces built in Shropshire in the 1750s were powered in a similar way, including Horsehay and Ketley Furnaces and Madeley Wood or Bedlam Furnaces. The latter does not seem to have had a pool above the furnace, merely a tank into which the water was pumped. In other industries, engine-pumping was less common, but Richard Arkwright used an engine to provide additional power for his cotton mill.

    Attempts were made to drive machinery by Newcomen engines, but these were unsuccessful, as the single power stroke produced a very jerky motion.
    [перевод]
    Разработка и применение
    Карандашный набросок парового двигателя Newcomen, улучшенный Smeaton, из журнала Popular Science ежемесячно около 1877 года.
    К концу своей карьеры атмосферный двигатель был значительно улучшен в своих механических деталях и пропорциях Джоном Смитоном, который построил много больших двигателей этого типа в 1770-х годах. Ощущалась острая необходимость в двигателе, обеспечивающем вращательное движение, и это было сделано с ограниченным успехом Уэсборо и Пикардом, которые использовали двигатель Ньюкомена для привода маховика через рукоятку. Хотя принцип кривошипа был известен давно, Пикарду удалось получить 12-летний патент в 1780 году на конкретное применение кривошипа для паровых двигателей; это было неудачей для Боултона и Ватта, которые получили патент, применив движение Солнца и планеты к своему усовершенствованному вращающемуся двигателю двойного действия 1782 года.

    К 1725 году двигатель Newcomen стал широко использоваться в горнодобывающей промышленности, особенно в угольных шахтах. Он занимал свое место с небольшими материальными изменениями до конца века. Использование двигателя Newcomen в некоторых местах было расширено для подачи коммунального водоснабжения; например, первый двигатель Newcomen во Франции был построен в Пасси в 1726 году для перекачки воды из Сены в город Париж. Он также использовался для питания машин косвенно, возвращая воду из-под водяного колеса в резервуар над ним, чтобы та же самая вода снова могла вращать колесо. Одним из первых примеров этого был Коулбрукдейл. В 1735 году на лошадях был установлен насос для подачи воды в бассейн над старой доменной печью. Это было заменено двигателем Newcomen в 1742–3. Несколько новых печей, построенных в Шропшире в 1750-х годах, работали аналогичным образом, включая печи Horsehay и Ketley и печи Madeley Wood или Bedlam. У последнего, похоже, не было бассейна над печью, а всего лишь резервуар, в который закачивалась вода. В других отраслях перекачка двигателей была менее распространенной, но Ричард Аркрайт использовал двигатель, чтобы обеспечить дополнительную мощность для своей хлопковой мельницы.

    Были предприняты попытки приводить в движение машины с помощью двигателей Newcomen, но они не увенчались успехом, так как одиночный рабочий ход производил очень резкое движение.


    The main problem with the Newcomen design was that it used energy inefficiently, and was therefore expensive to operate. After the water vapor within was cooled enough to create the vacuum, the cylinder walls were cold enough to condense some of the steam as it was admitted during the next intake stroke. This meant that a considerable amount of fuel was being used just to heat the cylinder back to the point where the steam would start to fill it again. As the heat losses were related to the surfaces, while useful work related to the volume, increases in the size of the engine increased efficiency, and Newcomen engines became larger in time. However, efficiency did not matter very much within the context of a colliery, where coal was freely available.

    Newcomen's engine was only replaced when James Watt improved it in 1769 to avoid this problem (Watt had been asked to repair a model of a Newcomen engine by Glasgow University; a small model that exaggerated the problem). In the Watt steam engine, condensation took place in an exterior condenser unit, attached to the steam cylinder via a pipe. When a valve on the pipe was opened, the vacuum in the condenser would, in turn, evacuate that part of the cylinder below the piston. This eliminated the cooling of the main cylinder walls and such, and dramatically reduced fuel use. It also enabled the development of a double-acting cylinder, with both upwards and downwards power strokes, increasing amount of power from the engine without a great increase in the size of the engine.

    Watt's design, introduced in 1769, did not eliminate Newcomen engines immediately. Watt's vigorous defence of his patents resulted in the continued use of the Newcomen engine in an effort to avoid royalty payments. When his patents expired in 1800 there was a rush to install Watt engines, and Newcomen engines were eclipsed, even in collieries.
    [перевод]
    Основная проблема с конструкцией Newcomen заключалась в том, что она использовала энергию неэффективно и поэтому была дорогой в эксплуатации. После того как водяной пар внутри остыл достаточно для создания вакуума, стенки цилиндра стали достаточно холодными, чтобы конденсировать часть пара, как это было допущено во время следующего такта впуска. Это означало, что значительное количество топлива использовалось только для того, чтобы нагреть цилиндр до того момента, когда пар снова начнет его заполнять. Поскольку тепловые потери были связаны с поверхностями, в то время как полезная работа была связана с объемом, увеличение размеров двигателя увеличивало эффективность, и двигатели Newcomen становились больше во времени. Однако эффективность не имела большого значения в условиях шахты, где уголь был в свободном доступе.

    Двигатель Ньюкомена был заменен только тогда, когда Джеймс Уотт улучшил его в 1769 году, чтобы избежать этой проблемы (Уотта попросили отремонтировать модель двигателя Ньюкомена в Университете Глазго; маленькая модель, которая преувеличивала проблему). В паровом двигателе Watt конденсация происходила во внешнем конденсаторном блоке, прикрепленном к паровому цилиндру через трубу. Когда клапан на трубе был открыт, вакуум в конденсаторе, в свою очередь, откачал бы эту часть цилиндра ниже поршня. Это исключило охлаждение стенок главного цилиндра и тому подобное, а также значительно сократило расход топлива. Это также позволило разработать цилиндр двойного действия с рабочими ходами как вверх, так и вниз, увеличивая мощность двигателя без значительного увеличения размера двигателя.

    Дизайн Уотта, представленный в 1769 году, не сразу уничтожил двигатели Newcomen. Активная защита Уаттом своих патентов привела к дальнейшему использованию двигателя Newcomen, чтобы избежать выплаты роялти. Когда в 1800 году истек срок действия его патентов, началась установка двигателей Watt, и двигатели Newcomen затмили даже угольные шахты.

    Surviving examples
    The Newcomen Memorial Engine can be seen operating in Newcomen's home town of Dartmouth, where it was moved in 1963 by the Newcomen Society. This is believed to date from 1725, when it was initially installed at the Griff Colliery near Coventry.

    An engine was installed at a colliery in Ashton-under-Lyne in about 1760. Known locally as Fairbottom Bobs it is now preserved at the Henry Ford Museum in Dearborn, Michigan.

    [​IMG]
    A working replica of a Newcomen engine at the Black Country Living Museum
    The only Newcomen-style engine still extant in its original location is at what is now the Elsecar Heritage Centre, near Barnsley in South Yorkshire. This was probably the last commercially used Newcomen-style engine, as it ran from 1795 until 1923. The engine underwent extensive conservation works, together with its original shaft and engine-house, which were completed in autumn 2014.

    In 1986, a full-scale operational replica of the 1712 Newcomen Steam Engine was completed at the Black Country Living Museum in Dudley. It is the only full-size working replica of the engine in existence. The 'fire engine' as it was known, is an impressive brick building from which a wooden beam projects through one wall. Rods hang from the outer end of the beam and operate pumps at the bottom of the mine shaft which raise the water to the surface. The engine itself is simple, with only a boiler, a cylinder and piston and operating valves. A coal fire heats the water in the boiler which is little more than a covered pan and the steam generated then passes through a valve into the brass cylinder above the boiler. The cylinder is more than 2 metres long and 52 centimetres in diameter. The steam in the cylinder is condensed by injecting cold water and the vacuum beneath the piston pulls the inner end of the beam down and causes the pump to move.

    A static example of a Newcomen Engine is in the Science Museum.
    [перевод]
    Выжившие примеры
    Мемориальный двигатель Ньюкомена можно увидеть в родном городе Ньюкомен Дартмут, куда он был перемещен в 1963 году Обществом Ньюкомен. Считается, что это относится к 1725 году, когда он был первоначально установлен на шахте Грифф близ Ковентри.

    Двигатель был установлен на шахте в Эштон-андер-Лайн примерно в 1760 году. Известный в местном масштабе как Фэрботтом Бобс, он сейчас хранится в музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган.

    Рабочая копия двигателя Ньюкомена в Музее Жизни Черной Страны
    Единственный двигатель в стиле Ньюкомена, до сих пор сохранившийся в своем первоначальном местонахождении, находится в том месте, где сейчас находится Центр наследия Эльзекара, недалеко от Барнсли в Южном Йоркшире. Вероятно, это был последний коммерчески используемый двигатель в стиле Ньюкомена, который работал с 1795 до 1923 года. Двигатель подвергся обширным работам по консервации вместе с его оригинальным валом и машинным отделением, которые были завершены осенью 2014 года.

    В 1986 году в Музее Жизни Черной Страны в Дадли была завершена полномасштабная эксплуатационная копия парового двигателя Newcomen 1712 года. Это единственная полноразмерная рабочая копия двигателя из существующих. «Пожарная машина», как известно, представляет собой впечатляющее кирпичное здание, из которого через одну стену проецируется деревянная балка. Стержни свисают с внешнего конца балки и приводят в действие насосы в нижней части шахтного ствола, которые поднимают воду на поверхность. Сам двигатель прост, только с котлом, цилиндром и поршнем и рабочими клапанами. Угольный огонь нагревает воду в котле, которая немного больше, чем покрытая кастрюля, и генерируемый пар затем проходит через клапан в латунный цилиндр над котлом. Цилиндр длиной более 2 метров и диаметром 52 сантиметра. Пар в цилиндре конденсируется путем впрыска холодной воды, и вакуум под поршнем вытягивает внутренний конец балки вниз и заставляет насос двигаться.

    Статический пример Newcomen Engine находится в Музее науки.
     
    Последнее редактирование: 21 ноя 2019
  9. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Джеймс Уатт и паровая машина


    Имя Джеймса Уатта неразрывно связано с паровой машиной. Конечно, строго говоря, Уатт не был изобретателем паровой машины, подобные устройства были и до него. Но именно Уатт привел конструкцию к такому виду, что паровую машину стали широко применять в промышленности. Джеймс Уатт родился 19.01.1736 года в Шотландии, в Гриноке. Его отец был судовладельцем и кораблестроителем, а мать происходила из знатной фамилии. Уатт имел слабое здоровье от природы, и по причине этого не учился вместе со своими сверстниками в начальной школе.Однако родители занимались с ним, научили его читать, писать, арифметике. Кроме того, и сам Джеймс был склонен к наукам и учился с удовольствием. После того как подошел возраст окончания начальной школы, Джеймс поступает в гимназию, где много читает, занимается математикой, физикой. Отличительной особенностью Уатта как ученика было то, что он пытается применить полученные знания на практике.

    В 1755 г. Уатт уезжает в Лондон, где учится на механика и занимается ремеслом, связанным с математическим и астрономическими инструментами. Через год Уатт возвращается в Шотландию, и устраивается механиком в университете Глазго. В 1763 году Уатту предложили отремонтировать принадлежавший университету образец паровой машины Ньюкомена. Любознательный Уатт естественно согласился. Что же представляла из себя паровая машина Томаса Ньюкомена?

    Паровой цилиндр размещался у этой машины над котлом. Поршневой шток, то есть стержень, соединенный с поршнем, был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса на другом конце балансира. В тоже время движению поршня помогал пар, который запускали в это время в цилиндр.

    [​IMG]

    В тот момент, когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и запускали воду в цилиндр. Вода быстро охлаждала пар, он конденсировался, и давление внутри цилиндра падало. Таким образом, создавалась разница давлений внутри цилиндра и вне его. Силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу, а именно приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. То есть полезная работа совершалась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр, поршень опять поднимался вверх, запускали воду и т.д., и весь цикл машины происходил заново.

    Получалось, что полезную работу в этой паровой машине совершало атмосферное давление, а пар нужен был только для создания разреженного пространства. Главный недостаток паровой машины Т.Ньюкомена это то, что рабочий цилиндр в ней являлся одновременно и конденсатором. Цилиндр то нагревали, то охлаждали вновь, и расход топлива для такой машины был большой, а КПД низкий. Однако эта машина довольно широко применялась, в основном для откачки воды в угольных шахтах.

    Отремонтировав паровую машину, Уатт попробовал ее на практике, и ему стала очевидна главная слабость конструкции машины, а именно попеременное нагревание и охлаждение цилиндра. Большая часть энергии терялась впустую. После ряда экспериментов с машиной Ньюкомена Уатту стало ясно, что для того чтобы машина работала лучше, нужно чтобы цилиндр был постоянно в нагретом состоянии.

    Но куда в этом случае конденсировать охлаждаемый пар? Далеко не сразу он смог решить эту задачу. Как то, проходя мимо прачечной, Уатт увидел облака пара, вырывавшихся из окошек. И тут ему пришла мысль. Вот оно!!! Нужно создать отдельный сосуд, цилиндр с разрежением, куда и нужно отводить пар из рабочего цилиндра, еще до его конденсации. Ведь при этом расход пара на полезную работу снижается, а КПД машины повышается.

    Позднее Джеймс Уатт усовершенствовал конструкцию, покрывая рабочий цилиндр и конденсатор теплоизоляционными материалами. Итак, главное было сделано, конструктивно паровая машина была придумана.

    [​IMG]

    Но как это бывает, от гениальной идеи до ее реализации большой путь. Но Уатту удалось претворить свою идею в жизнь. Много работал он и над усовершенствованием своего изобретения.

    В конечном итоге ждал Джеймса Уатта и коммерческий успех, особенно после того, как ему удалось при помощи кривошипного механизма преобразовать колебательное движение балансира в своей машине во вращательное. Такой двигатель уже мог быть применен для привода множества машин в промышленности. А это уже было начало Промышленной революции. Жизнь свою Уатт закончил очень обеспеченным человеком.

    Конечно, за свою долгую и плодотворную жизнь этот гениальный изобретатель занимался не только паровой машиной. Так, например, это именно он ввел первую единицу мощности – «лошадиную силу». К числу его изобретений относятся: ртутный манометр, водомерное стекло в котлах, копировальные чернила, индикатор давления.

    Заслуги Джеймса Уатта были признаны еще при жизни, он был почетным членом академий нескольких стран. Приглашали его на работу и в Россию, предлагая ему ежегодное жалованье 1000 фунтов стерлингов, большие деньги по тем временам. Уатт не согласился на это предложение. После смерти Джеймса Уатта в 1819 году ему был поставлен памятник в Вестминстерском аббатстве. В честь Уатта названа единица мощности Ватт, а также на банкноте в 50 евро его изображение. Так что заслуги Джеймса Уатта признаны по праву.
     
  10. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Турбодетандер П.Л.Капицы

    П. Л.Капица начал штурм "кислородно-криогенной" крепости именно с турбодетандера. Он был вторым, после Ж. Клода, творцом поршневого детандера (вспомним, что Капица еще в 1934 г. в Кембридже создал первый гелиевый поршневой детандер), но с турбодетандерами, также как вообще с турбомашинами, он никогда не имел дела. Именно это (в сочетании, разумеется, с выдающимися способностями и физика, и инженера) ему, по-видимому, и помогло.

    За необычайно короткий срок - два года - он с блеском решил задачу, создав новую машину, настолько эффективную, что она обеспечила целую революцию в криогенной технике.

    Чем же объясняется резкое повышение КПЛ турбодетандера (на 15-20%, которых не хватало), достигнутое Капицей? Очевидно, что тут дело было не в частных усовершенствованиях, а в принципиальном изменении.

    Чтобы разобраться, в чем здесь дело, посмотрим, как устроен турбодетандер внутри (рис. 8.1). Как и у всякой турбины, в. нем имеется расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, где, расширяясь, поток рабочего тела разгоняется и приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки рабочего колеса, рабочее тело вращает его, производя работу и отдавая энергию. Скорость при этом снижается. Отработавшее рабочее тело выпускается через патрубок в центре рабочего колеса. Так устроены все турбины - паровые, газовые и водяные. По характеру движения текущего рабочего тела в направляющем аппарате и колесе турбины делятся на активные и реактивные. В турбодетандере активного типа направляющий аппарат имеет сужающиеся каналы, в которых газ разгоняется до большой скорости (близкой к скорости звука, т.е. несколько сот метров в секунду) и снижает начальное давление р1 до значения рm почти равного конечному р2. Струи газа, попадая на вогнутые короткие лопатки рабочего колеса, меняют направление, оказывая на них давление, и вращают его.

    [​IMG]
    Рис. 8.1. Принцип работы турбодетандера: а - активного; б - активно-реактивного; 1 - направляющий аппарат; 2 - рабочее колесо

    Таким образом, кинетическая энергия потока преобразуется в работу. При этом давление газа гадает незначительно, достигая конечного р2, а температура понижается.

    По такому принципу работали все прежние турбодетандеры. П. Л. Капица решил перейти на другой принцип и создал реактивный (вернее, активно-реактивный) турбодетандер. В нем "распределение обязанностей" между направляющим аппаратом и рабочим колесом стало совсем другим, близким к тому, которое существует в водяных турбинах. Направляющий аппарат здесь снабжен менее длинными каналами, и в нем срабатывается лишь часть интервала давления от p1 до р2; значение pm находится примерно посередине. Газ разгоняется до значительно меньшей скорости, чем звуковая; она достигает лишь значения, необходимого для плавного, безударного входа в каналы рабочего колеса. Лопатки его сделаны длинными, и газ, проходя в каналах между ними, срабатывает оставшуюся часть рm - р2 интервала давлений, расширяясь в них. Работа совершается уже не только в результате изменения направления потока газа, но и под действием реакции струи, вытекающей из межлопаточных каналов (отсюда и термин "реактивный").

    Вследствие того что скорость воздуха в активно-реактивном турбодетандере значительно ниже, гидравлические потери в нем намного меньше, чем в активном; эта разница имеет особенно существенное значение, потому что холодный сжатый воздух по плотности ближе к жидкой воде, чем к водяному пару. Именно это обстоятельство толкнуло Капицу обратить внимание на водяную турбину как конструктивный прототип турбодетандера. В конечном счете Капица сформулировал свое "кредо" так: "...правильно выбранный тип турбодетандера будет как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной".

    Работа над турбодетандером началась в 1936 г., а уже в 1938 г. в ИФП был создан небольшой опытный турбодетандер, у которого КПД составлял около 0,8! Затем, "не переводя дыхания", на базе этого турбодетандера была собрана опытная установка низкого давления воздуха, на которой получался жидкий воздух. Характерно, что все оборудование этой установки (за исключением компрессора) делалось из подручных материалов и изделий в мастерских ИФП. При этом была проявлена в высшей мере эффективная "солдатская находчивость". Так, например, механизм переключения регенераторов приводился в движение двумя электромагнитными транспортными тормозами завода "Динамо". Таким образом, впервые удалось ожижить воздух, не сжимая его предварительно до высокого давления.

    Наряду с процессами ожижения Линде и Клода, о которых мы уже говорили, появился новый, получивший в дальнейшем название "процесс Капицы". Поскольку он в дальнейшем стал основой новых процессов получения газообразного кислорода, остановимся на нем несколько подробнее.

    На рис. 8.2 показана схема воздухоожижительной установки Капицы (1939 г.). Нетрудно видеть, что отличия этой установки от установки Клода (см. рис. 5.13) связаны как с особенностями схемы, так и с оборудованием - одно обусловило другое. Низкое рабочее давление воздуха 0,6-0,7 МПа дало возможность использовать вместо основного теплообменника регенераторы и турбодетандер вместо поршневого детандера (поршневой компрессор был взят просто потому, что исследовалась модель с малой производительностью; в дальнейшем на более крупных установках устанавливался турбокомпрессор).

    [​IMG]
    Рис. 8.2. Схема воздухоожижительной установки Капицы: 1 - турбокомпрессор для сжатия воздуха; 2 - регенераторы; 3 - турбодетандер; 4 - теплообменник-ожижитель; 5- дроссель; 6 - отделитель жидкого воздуха

    В схеме Капицы воздух в детандер отводился из теплообменника на самом низком температурном уровне так, чтобы в конце расширения он начинал конденсироваться и имел ту же температуру, что и пар, возвращающийся из отделителя жидкости. В этом и состоит основное отличие от схемы Клода, где воздух на детандер отбирается в середине теплообменника и возвращается в обратный поток при более высокой температуре, далекой от конденсации.

    Расчеты показывают, что чем более высоким выбрано давление сжатого исходного воздуха, тем выше нужно брать температуру воздуха на входе в детандер и тем меньшую долю его нужно расширять в нем. И напротив, чем ниже давление, тем большую долю воздуха нужно пустить в детандер и тем ниже будет оптимальная температура воздуха на входе в него. П. Л. Капица опустил детандер "вниз" до предела и тем самым смог понизить рабочее давление воздуха до 0,6-0,7 МПа, со всеми вытекающими из этого положительными последствиями. Раньше это было невозможно сделать, так как существующие детандеры не могли эффективно работать при столь низких температурах. Теперь же КПД турбодетандера, несмотря на его малые размеры, не только достиг заветного рубежа 0,8, но и перешел его, причем в наиболее сложных условиях - с окончанием процесса на границе ожижения. Успешный пуск и опытная эксплуатация экспериментальной установки показали, что путь к использованию низкого давления не только в технике ожижения воздуха, но и для его разделения открыт. Это, разумеется, не снимало необходимости решить целый ряд задач как по организации достаточной очистки воздуха и его ректификации, так и других, но в основе проблема была разрешена.

    Публикация результатов этих работ в начале 1939 г. произвела подлинную сенсацию и поначалу вызвала некоторое замешательство среди специалистов-криогенщиков. Однако никакой явно выраженной реакции не последовало - как у нас, так и за границей еще изучали и "переваривали" сенсационную новость.

    Несмотря на все трудности, работы по ожижению воздуха при использовании низкого давления, а потом и по его разделению для получения кислорода продолжались. Их расширение потребовало подключения промышленных предприятий для изготовления оборудования. П. Л. Капица описал много живописных деталей борьбы с руководителями различных уровней, всеми силами отбивавшихся (Капица писал более живописно - "отбрыкивавшихся") от дел, которые отвлекали их от выполнения планов. Тем не менее, благодаря отчаянным усилиям, когда приходилось заниматься не только основным делом, но и снабжением, строительством, кадрами и др., дело продвигалось. Работы шли одновременно в двух направлениях - по получению как жидкого, так и газообразного кислорода.

    В июле 1940 г. удалось "пробить" решение Экономсовета при СНК СССР, в котором ИФП официально поручалось техническое руководство проектированием и испытанием турбокислородных (ТК) установок на заводе-изготовителе. К началу 1941 г. в результате испытаний ряда экспериментальных установок был накоплен значительный опыт, позволявший приступить к проектированию и изготовлению первых промышленных образцов.

    Полемика вокруг идей П.Л.Капицы и создание Главкислорода
    Какова же была реакция на эти достижения в ученом и промышленном мире?

    Отечественные специалисты разделились на две партии. Одни поддерживали Капицу и сотрудничали с ним. Другие либо занимали выжидательную позицию, либо ограничивались негативными высказываниями на всякого рода совещаниях (особенно этим отличались те, кого Капица не приглашал к участию в своих работах).

    За рубежом реакция на работы Капицы тоже была различной, но носила более явный характер. Наиболее дальновидными и активными оказались некоторые промышленные фирмы США (три) и Швеции (одна), которые предложили заняться производством кислородных установок по его патентам. Однако из-за существовавших тогда условий такое сотрудничество (очень выгодное для СССР) было невозможно.

    В Германии, где были уже сложившиеся традиции и налаженное производство кислородных установок, отношение к работам Капицы было другим - вежливо-скептическим. В статьях двух ведущих немецких специалистов по низкотемпературной технике - Г. Хаузена (главного идеолога фирмы Линде; сам К. Линде был уже очень стар и не принимал активного участия в научных дискуссиях.) и П. Грассмана, вышедших в начале 1941 г., отдавалось должное заслугам Капицы, но в части, не относящейся к его работам в низкотемпературной области ("русский физик, уже известный во всем мире созданием особо сильных магнитных полей"). Однако по поводу двух основных идей Капицы (низкого давления воздуха и нового турбодетандера) и тот и другой предостерегали от "излишнего оптимизма". Упоминая о том, что теоретический расход энергии на установках низкого давления воздуха для получения жидкого кислорода должен быть при равных условиях выше примерно на 20%, они не принимали в расчет, что для объективного сравнения должны быть равными только внешние условия. Но все остальное: КПД машин, масса металла, исключение специальной очистки воздуха, надежность - было в пользу турбомашин и способа низкого давления. При получении газообразного кислорода и теория показывала преимущества низкого давления (при КПД турбодетандера около 0,8).

    Г. Хаузен доказывал, что и на активном турбодетандере Линде можно добиться того же. Но, как показал Капица, это было невозможно в принципе. Все попытки "обмануть природу" и добиться этой цели потерпели неудачу как в Германии, так и в СССР. Наши отечественные противники Капицы потратили много сил и государственных средств на это дело.

    П. Л. Капица написал ответ на критику Хаузена. Он хотел не только опровергнуть его доводы, но и "…заткнуть глотку нашим доморощенным злопыхателям, которые всегда рады, не зная подоплеки дела, охаять своего соотечественника" (нужно отметить, что Капица не хуже другого академика - М. В. Ломоносова искал выразительные возможности великого русского языка и умел их использовать не только в письменной форме, но и в устной речи.). Пока он собирался опубликовать его, наступило 22 июня 1941 г… Ответ остался неопубликованным. Работы над кислородными установками были прекращены, а в конце июля 1941 г. ИФП был эвакуирован в Казань.

    Институт переключился на оборонную тематику, переориентировав на нее все свои ресурсы. Оказалось, что и работы по получению кислорода должны занять в ней важное место. Он нужен был для оксиликвитных взрывчатых веществ (они впервые были изобретены Д’Арсонвалем и применены Ж. Клодом во время первой мировой войны), медицины и разворачивающихся военных производств. Поэтому все кислородное направление получило поддержку Государственного Комитета Обороны (ГКО), и дела, связанные с ним, пошли намного быстрее.

    Уже в начале сентября в Казани начался монтаж опытных установок для получения жидкого воздуха, а затем и кислорода, эвакуированных вместе с другим имуществом института. Возобновилась и работа на заводе в Москве. Жизнь требовала перехода к установкам промышленного масштаба, поэтому стали вести подготовку к выпуску двух установок, называвшихся в переписке "объектом N°1" и "объектом N°2".

    В 1942 г. первый экземпляр "объекта N°1" турбокомпрессорной установки типа ТК-200 производительностью до 200 кг/ч жидкого кислорода был изготовлен и в начале 1943 г. благополучно пущен. Интересно, что запускать ее на длительный срок не было возможности, так как жидкий кислород в таком количестве некуда было сливать. Одновременно в 1942 г. началось проектирование "объекта N°2" - установки типа ТК-2000, в 10 раз большей производительности. Несмотря на явные успехи (они были отмечены награждением большой группы сотрудников "за успешную работу по разработке и внедрению нового метода получения жидкого воздуха и жидкого кислорода"; П. Л.Капица был награжден орденом Ленина) в упорной "кислородной" деятельности Капицы и его сотрудников при определенной поддержке "сверху", дела шли недопустимо медленно. П. Л. Капица писал Молотову: "…дальше при такой организации внедрения успеха добиться трудно. Все это время я был погонщиком мулов, а в руке у меня не было не только палки, но даже хворостины. Поэтому полагаю, что в той или иной форме мне нужно дать официальную власть, чтобы я сам мог руководить вопросами внедрения в производство. И тогда, несмотря на то, что мне на это время придется сократить мою научную работу, у меня будет взамен удовлетворение видеть наши установки внедренными".

    В конце концов эта идея была принята, и в середине 1943 г. был создан Главкислород, непосредственно подчиненный СНК СССР, а П. Капица назначен начальником этой организации. При ней был образован Научно-технический совет, в задачи которого входило изучение перспективных областей применения кислорода в народном хозяйстве и выработка соответствующих рекомендаций. В 1944 г. начал выходить новый журнал "Кислород", а в одном из вузов Москвы началась подготовка специалистов - инженеров для работы с новыми кислородными и другими криогенными установками. Развернулось широкое "наступление по всему фронту". Несмотря на трудности, было выпущено несколько установок типа ТК-200, которые снабжали кислородом оборонные предприятия в Нижнем Тагиле, Ленинграде и других городах. Наконец в 1944 г. была пущена самая мощная в мире установка по производству жидкого кислорода типа ТК-2000 (объект N°2). Она стала давать в 2 раза больше кислорода, чем все заводы Москвы (1/6 его производства в СССР). Внешне все шло блестяще. Незадолго до Дня Победы, 30 апреля 1945 г., П.Л. Капице было присвоено звание Героя Социалистического Труда и награждена большая группа его сотрудников. П. Л. Капица был полон надежд на новые успешные дела; он написал: "Заключительный аккорд Балашихинской симфонии прекрасен. Давайте следующую, Тульскую симфонию проведем в темпе presto vivo". (Речь идет о плане перевода домен Новотульского металлургического за-вода на дутье, обогащенное кислородом.)

    Этим надеждам, как и другим планам внедрения кислорода и модернизации промышленности, а также организации научной работы в стране в то время не суждено было осуществиться.

    Травля П.Л.Капицы
    Принипы П.Л.Капицы вступали в явное противоречие с системой, установленной в стране Сталиным и его окружением. П. Л. Капица хотел слишком многого и в верхнем эшелоне власти (не без помощи "доморощенных злопыхателей") все больше зрела мысль, что пора его остановить.

    Это было вполне логично. Все академики сидят тихо и работают, выполняя начальственные предписания, а этот все время шумит, лезет в государственные дела с непрошенными советами, пишет письма "на самый верх"... дали ему даже главк, подчиненный прямо Совету Министров, а он все недоволен...

    Кроме общего усложнения ситуации, связанной с необходимостью послевоенного устранения идеологической "крамолы", существенную роль в судьбе Капицы сыграло его противостояние Берии, который был назначен председателем Особого комитета и Технического совета по атомной бомбе. П. Л. Капица, входивший в этот комитет, понимал, как и большинство других его членов, что абсолютно некомпетентный Берия ведет дело далеко не оптимальным образом и мешает физикам и инженерам, затягивает работу , что требует лишних расходов.

    П. Л. Капица открыто восстал против Берии. Он написал письмо Сталину с подробным изложением ситуации, предложениями, как ее исправить, и попросил освободить его от работы в Комитете, считая ее в сложившихся условиях бесполезной. Его руководителя он сравнил с неграмотным дирижером. "У тов. Берия основная слабость в том, что дирижер должен не только махать палочкой, но и понимать партитуру. С этим у Берии слабо". Кончалось письмо припиской: "Р.S. Мне хотелось бы, чтобы тов. Берия познакомился с этим письмом, ведь это не донос, а полезная критика. Я сам бы ему все это сказал, да увидеться с ним очень хлопотно".

    П. Л. Капица был, пожалуй, единственным человеком в стране, который осмелился открыто так отозваться о Берии. Безнаказанно ему это пройти не могло. Но Сталин, опасаясь, по-видимому, реакции за рубежом (особенно в Англии), велел Берии не арестовывать Капицу; что касается всего остального, относящегося к его работе, то тут запрет уже отменялся. Это было сформулировано Сталиным так: "Я тебе его сниму, но ты его не трогай". Берия приступил к делу.

    Отдельные нападки на Капицу в виде различных доносов как общего, так и "научного" характера поступали в различные инстанции и раньше, но с весны 1946 г. началось "генеральное наступление". Все делалось в быстром темпе, поскольку итог был предрешен заранее.

    В апреле 1946 г. вышло Постановление Совета Министров СССР "О создании правительственной комиссии", которая должна была заниматься делами Главкислорода и Капицы. Ее состав комплектовался, естественно, в секрете от него. Просьба П. Л. Капицы от 20.05.1946 г. о включении в состав экспертной комиссии трех ведущих специалистов - М. П. Малкова, А. И. Мороза и И. П. Ишкина, "присутствие которых содействовало 6ы объективному выяснению существа вопроса", была оставлена без внимания, и уже 29.05.1946 г. заключение экспертной комиссии было готово и подписано.

    Естественно, это заключение было полностью негативным, без полутонов. Не вдаваясь в научный анализ этого документа (он должен быть темой специальной работы для историков науки и техники), остановимся лишь на нескольких моментах, показывающих, как и из чего он изготавливался.

    Предварительно нужно отметить, что два члена комиссии не согласились с его содержанием и выводами; каждый из них представил свое особое мнение. Это были акад. И. П. Бардин и доц. Л. Л. Глизманенко. Такой поступок был в то время очень рискованным и требовал большого мужества, особенно от Глизманенко, поскольку Бардин был в некоторой (правда, не такой уж большой) степени защищен своей мировой известностью.

    В ответе на заключение комиссии Капица указал, не говоря уже о научных ошибках, на ряд прямых подтасовок. Рассматривая, например, сравнение показателей установки фирм "Гейландт" и своей, он выразил удивление "как могла экспертная комиссия оперировать этими данными в официальном заключении, заведомо зная, что этих данных просто не существует". Далее он показал простым расчетом, что "в собственных исходных материалах экспертной комиссии имеются фактические данные, которые опровергают принятые ею же показатели".

    Далее Капица отмечает некорректность сопоставления различных вариантов техники, испытываемых в неидентичных условиях. Этот фокус часто используется при недобросовестных испытаниях (например, при сравнении двух тракторов - один ставят на тяжелую почву, а другой - на легкую). Именно такой способ сравнения был использован комиссией при оценке кислородной установки типа ТК-2000 (у нее был случайный компрессор, предназначенный для работы при других давлениях). В заключительной части ответа Капица указал на совершенно классический "финт" ученых экспертов. Стараясь доказать, что турбодетандер фирмы Линде не намного хуже аналогичной машины Капицы, они по данным, полученным немцами при работе на азоте, рассчитали показатели по диаграмме для воздуха (а это совсем не то). В результате такого нехитрого фокуса (Капица деликатно назвал его "ошибкой") удалось "дотянуть" КПД немецкой машины до 0,75 вместо действительного значения 0,6-0,66. Это все равно хуже, чем у турбодетандера Капицы (0,8-0,82), но все же!

    Здесь Капица уже не выдержал официального тона и перешел на "открытый текст": "Если такие принципиальные ошибки делает студент, его прогоняют за безграмотность. Но если это делают эксперты Правительственной комиссии, по-видимому с желанием получить высший показатель, не имея для этого фактического материала, то я не знаю, как надо оценить их поступок".

    П. Л. Капица, конечно, знал, как надо оценить и этот поступок, и все другие, но право делать выводы принадлежало не ему. И выводы, несмотря ни на что, были сделаны. П. Л. Капица Постановлением Совета Министров СССР, подписанным И. В. Сталиным, был снят не только с поста начальника Главкислорода, но и директора ИФП с мотивировкой: "За невыполнение решений Правительства о развитии кислородной промышленности в СССР, неиспользование существующей передовой техники в области кислорода за границей, а также неиспользование предложений советских специалистов".

    АН СССР тоже показала, на что она способна: "…президиум Академии наук СССР считает, что проводившиеся в течение ряда лет институтом работы, под руководством акад. П. Л. Капицы, по созданию кислородных установок низкого давления не дали положительных результатов - продукт получался неудовлетворительной чистоты, коэффициент полезного действия установок был мал, не был использован опыт заграничной техники в области кислорода…"

    Так был надолго выведен из числа действующих один из крупнейших физиков, инженеров и организаторов науки.

    П. Л. Капица, оказавшись не у дел и перенеся сильную травму, долго не мог освоиться со своим новым положением. Не работать он не мог - это для него значило не жить. Он не мог как прирожденный экспериментатор "переключиться" на чисто теоретические исследования. Однако спустя несколько месяцев он организовал у себя на даче небольшую лабораторию -"избу физических проблем" и занялся в пределах возможного экспериментами в области гидродинамики и обработкой материалов прежних своих работ. Это, разумеется, было совсем не то: "изба" - не институт.

    Но и здесь Капица получал новые удары. Особенно трудными были 1949 и 1950 гг. В июне 1949 г., его выселили из квартиры, которую семья занимала 13 лет; в январе 1950 г. он был освобожден от работы на физико-техническом факультете МГУ, где был заведующим кафедрой, "за отсутствием педагогической нагрузки". В действительности поводом для этого решения послужило то, что Капица не явился на торжественные заседания, посвященные 70-летию Сталина, ни в АН СССР, ни в университет. Несмотря на опалу, он "по чину" должен был на них присутствовать. Ректор МГУ проф. С. А. Христианович в письме на имя Капицы писал так: "...Согласитесь, что нельзя доверять воспитание научной молодежи лицу, которое демонстративно противопоставляет себя всему нашему народу".

    П. Л. Капица понимал, что не он один был в таком положении - со многими было еще хуже, но это не могло его успокоить - скорее наоборот. Он переживал не только свои дела, но и вообще судьбу науки в стране.

    Реабилитация П. Л. Капицы и признание его идеи турбодетандера
    Наконец, во второй половине 1953 г., когда Сталина уже не было, началась реабилитация Капицы. 28 августа "изба физических проблем" получила официальный статус и стала именоваться "Физическая лаборатория АН СССР"; ее руководитель был назначен заведующим этой лаборатории. 15 декабря 1954 г. он был принят Н. С. Хрущевым, а 28 января 1955 г. вновь назначен на прежнее место - директором ИФП. Политическая и научная опала П. Л. Капицы, длившаяся семь лет, закончилась.

    "Кислородными делами" и криогеникой Капица больше специально не занимался; он переключился на новую область - электронику больших мощностей. Что же произошло в области получения и использования кислорода за все это время? Кто в конечном счете оказался прав - Капица или его оппоненты и противники?

    Первое время отечественные хулители Капицы торжествовали победу. Испытания его опытных установок были свернуты, а производство серийных прекращено. Был продолжен выпуск старых, сделанных по немецким образцам мелких установок высокого давления, и начато проектирование новых, малых установок для получения газообразного кислорода тоже высокого давления и более крупных систем двух давлений воздуха. "Тульская симфония", о которой мечтал Капица, была сыграна, но по старым немецким нотам - из Германии была привезена и смонтирована старая трофейная установка Линде-Френкля. для получения жидкого кислорода стали копировать немецкие установки Гейландта высокого давления воздуха. Правда, учитывая требования поднятой Сталиным псевдопатриотической кампании борьбы против "космополитизма" и иностранщины, все названия этих установок были заменены на условные обозначения (установка Линде-Френкля, например, называлась "КТ-3600").

    Спокойная жизнь, однако, продолжалась недолго. Сведения о том, что в США и Франции полным ходом с конца 40-х годов идут работы по созданию установок низкого давления для получения газообразного кислорода, вызывали все большее замешательство и противоречия среди противников Капицы. Все попытки сделать другой, "не капицинский" активный турбодетандер с высоким КПД окончились неудачей. Стало также известно, что вслед за американцами правильность идей Капицы признали и немцы. Фирма Линде с большим почетом отправила на пенсию Г. Хаузена. Отметив его заслуги (которые в свое время были действительно большими), она сменила лидеров и отказалась от систем двух давлений, перейдя на низкое давление воздуха и турбодетандеры Капицы.

    Под прикрытием различных всевдотеоретических рассуждений (один профессор даже утверждал, что установки Линде-Френкля "являются, конечно, установками низкого давления") был сделан крутой поворот к проектированию крупных установок для получения газообразного кислорода низкого давления с турбодетандерами Капицы. Его фамилия при этом, естественно, не упоминалась, а отличия в схеме и конструкциях, имевшие второстепенный характер и не менявшие основную идею, выдавались за принципиально новые.

    Таким образом удалось избежать ответственности за вынужденное отставание; из лидера Советский Союз попал в положение догоняющего. Была с опозданием сыграна и "Тульская симфония", о которой мечтал Капица. Постепенно были отодвинуты в тень и фигуры, сыгравшие ведущую роль в травле Капицы. Наконец в 1956 г., когда советские кислородные установки низкого давления оправдали себя в работе, Капица получил из ВНИИКИМаша (Всесоюзный научно-исследовательский институт кислородного машиностроения организован Капицей в 1945 г.) просьбу на согласие включить его в коллектив соискателей Ленинской премии за работу "Создание и освоение комплексного оборудования для широкого внедрения технического кислорода в промышленности". Отвечая на это письмо, Капица отметил, что это "лестное предложение" дает "еще одно веское доказательство прогрессивности направления" его прежней деятельности. "Наши идеи и научные результаты, - писал он, - сперва были широко использованы на практике за границей, и таким путем им удалось обогнать нас. Теперь надо опять завоевывать лидерство".

    Пожелав коллективу успехов и выразив благодарность и надежду когда-нибудь в будущем "поработать в поисках новых возможностей в решении кислородной проблемы", он все же отказался от этого предложения. "Кислородная эпопея" акад. П. Л. Капицы (и все связанное с ней) очень поучительна. В ней необычайно четко сконцентрированы события, в частности, иллюстрирующие взаимодействие экономики и научно-технического прогресса с государственной политикой.

    Ф. Энгельс в письме К. Марксу от 27.10.1890 г. писал по этому поводу: "Обратное действие государственной власти на экономическое развитие может быть троякого рода. Оно может действовать в том же направлении - тогда дело идет быстрее; оно может действовать против экономического развития - тогда у каждого крупного народа она терпит крах после известного промежутка времени; или она может ставить экономическому развитию в определенных направлениях преграды и толкать вперед в других направлениях... Но ясно, что во втором и третьем случаях политическая власть может причинить экономическому развитию величайший вред и породить растрату сил и материала в массовом количестве". Более актуальное высказывание, характеризующее ситуацию, едва ли можно найти. С Капицей (и не только с ним) несомненно был "второй случай" в чистом виде.

    Современное состояние кислородного вопроса
    В заключение раздела о "кислородных делах" необходимо коснуться еще одного вопроса - в каком состоянии находятся они сейчас, через несколько десятилетий после описанных событий?

    Нужно сразу сказать, что прогнозы Капицы и еще более ранние Д'Арсонваля (Он писал в 1903 г. (!): "Ожижение воздуха в промышленном масштабе является не только революцией в науке, но также, и при том главным образом - революцией экономической и социальной". Здесь есть, конечно, некоторое преувеличение, но оно вполне объяснимо) в основном оправдались. Кислород газообразный и жидкий (так же как и другие продукты разделения воздуха) производится во всем мире в огромных количествах; так, в 1990 г. его выработка составила 146 млн т (в том числе в СССР – 26 млн т). Единичная производительность установок достигает 70 000 м3/ч кислорода. В подавляющем большинстве это делается на основе турбодетандеров Капицы и циклов низкого давления. Турбодетандеры Капицы нашли применение и для охлаждения водорода, гелия и природного газа; интервал давлений, в которых они могут работать, тоже вырос - есть машины среднего и даже высокого давления; КПД некоторых из них превышает 90%.

    Конечно, за это время многие частные решения, найденные Капицей и его сотрудниками, уступили место новым или были изменены (адсорбционная очистка и осушка больших масс воздуха, новые эффективные теплообменные и ректификационные аппараты, тепловая изоляция, насосы и трубопроводы ожиженных газов и др.). Однако основа осталась незыблемой.

    Кислород, как газообразный, так и жидкий, используется для интенсификации технологических процессов в металлургии, нефтяной промышленности, химии, биологической и других отраслях промышленности, в авиации, космонавтике, медицине, транспорте и т.п.

    В большинстве развитых стран основная часть кислорода производится централизованно, на крупных установках и по трубопроводам передается потребителям на десятки и сотни километров. Часть кислорода хранится (и транспортируется) в жидком виде. Такие изолированные хранилища с голубой жидкостью описал в известном научно-фантастическом романе "Продавец воздуха" А. Беляев. Теперь они стали реальностью (в этой книге есть еще много уже сбывшихся прогнозов, вплоть до дыхания воздухом, обогащенным кислородом для лечебных целей.).

    Чеховский персонаж, не соглашавшийся с утверждением, что "без кислорода жить невозможно", был явно неправ. Чтобы подробно перечислить все области его применения - нужна целая глава, а для описания этих применений - не одна книга. Но это уже другая тема; теперь же нужно вернуться к общей криогенике.
     
    Последнее редактирование: 22 ноя 2019
  11. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    "Турбодетандеры ОАО "НПО ГЕЛИЙМАШ" и их применение в промышленности"


    Буфер обмена01.jpg
    Буфер обмена01.jpg Буфер обмена02.jpg Буфер обмена03.jpg Буфер обмена04.jpg Буфер обмена05.jpg Буфер обмена06.jpg Буфер обмена07.jpg Буфер обмена08.jpg Буфер обмена09.jpg Буфер обмена10.jpg Буфер обмена11.jpg
     
    Последнее редактирование: 22 ноя 2019
  12. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Расчёт реального турбодетандера
    А. Д. Цих
    Фрайбергская горная академия, Фрайберг, Федеративная Республика Германия
    2013 г.
    Термодинамический расчет турбодетандера
    Буфер обмена12-edit.jpg
     

    Вложения:

    Последнее редактирование: 22 ноя 2019
  13. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА РЕДУЦИРОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
    ПРИ ПОМОЩИ ДЕТАНДЕРОВ ОБЪЕМНОГО ТИПА

    БЕЛОУСОВ Артём Евгеньевич
    2019 г.
    Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

    Буфер обмена02-edit.jpg
    Буфер обмена03-edit.jpg
    Буфер обмена04-edit.jpg
    Буфер обмена07-edit.jpg

     
  14. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Двигатель Стирлинга

    Двигатель Стирлингатепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела, с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

    [​IMG]
    Анимация классического двигателя Стирлинга с конфигурацией β-типа, при которой рабочий и вытеснительный поршни собраны в одном цилиндре.

    История
    [​IMG]
    Роберт Стирлинг

    Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 год (английский патент № 4081 1819). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».

    В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

    В 1843 году брат изобретателя, Джеймс Стирлинг, использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

    Описание
    В XIX веке инженеры хотели создать безопасную замену паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. Хороший вариант появился с созданием двигателя Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде опытных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностями «стирлинга» с жидким рабочим телом являются малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления. Существует также «стирлинг» с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением.

    Из термодинамики известно, что давление, температура и объём идеального газа взаимосвязаны и следуют закону pV=nRT, где:


    Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. При нагревании газ совершает работу (например, толкает поршень) и охлаждается. Сжать охлажденный газ проще, чем удержать расширяющийся горячий (на сжатие холодного газа "расходуется" меньше работы, чем высвобождается работы при нагревании и расширении того же самого газа). Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.

    Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическое воплощение этого цикла малоперспективно. Цикл Стирлинга позволил получить работающий на практике двигатель в приемлемых размерах.
    [​IMG]
    Диаграмма «давление-объём» идеализированного цикла Стирлинга

    Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу.

    Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится вытеснителем. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое вытеснителем, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

    Рабочий цикл двигателя Стирлинга β-типа:

    • [​IMG]
      1
    • [​IMG]
      2
    • [​IMG]
      3
    • [​IMG]
      4
    где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).
    1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
    2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
    3. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
    4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
    В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0° машина не производит никакой полезной работы.

    Двигатели Стирлинга, работающие по другим циклам

    Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, подробное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, α-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. β- и γ-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

    При движении вытеснителя в β-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных «стирлингах», ниже потери на трение, так как давление на поршень более равномерно. Схожая картина в α-стирлингах с разным диаметром поршней.

    Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, то есть между рабочим поршнем и штоком вытеснителя.

    Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от очистителя рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу. При изобарном сжатии происходит отдача тепла охладителю.

    В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.

    Конфигурация
    Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных вида:
    • α-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
    • β-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
    • γ-Стирлинг — тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.
    Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических вида:
    • Роторный двигатель Стирлинга — решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, так как двигатель роторный).
    • Термоакустический двигатель Стирлинга — вместо использования поршня-вытеснителя, рабочее тело движется между горячей и холодной полости за счёт явлений акустического резонанса. Такая схема позволяет уменьшить количество движущихся частей, но возникают сложности с поддержанием акустического резонанса, а также со снятием мощности.
    Недостатки
    • Громоздкость и материалоёмкость — основной недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
    • Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела — водород, гелий.
    • Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогостоящих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, — весьма нетривиальная задача. Чем больше площадь теплообмена, тем больше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
    • Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от применяемых в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае отклик двигателя на управляющее действие водителя является почти мгновенным.
    Преимущества
    Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.
    • «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
    • Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.
    • Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» узлов позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
    • Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при небольшой разнице температур, «стирлинги» часто оказываются самыми эффективными видами двигателей. Например, в случае преобразования в электричество солнечной энергии «стирлинги» иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.
    • Экологичность — «стирлинг» не имеет выхлопа из цилиндров, а это значит, что уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. β-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, имеет предельно низкий уровень вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм). Сам по себе «стирлинг» не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. То есть экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. А для него можно отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. [Впрочем, в ДВС полнота сгорания топлива зависит от соответствия химического состава топлива физическим параметрам ДВС. Так например, бензин или дизельное топливо всегда сгорают в цилиндрах (или в камере роторного ДВС) не полностью, тогда как спирт или сжиженный газ сгорают в ДВС полностью.]
    Применение
    [​IMG]
    Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока

    Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

    Универсальные источники электроэнергии
    Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любой теплоты. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые предприятия выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи. NASA рассматривает варианты генераторов на основе «стирлинга», работающие от ядерных и радиоизотопных источников тепла. Специально разработанный генератор «стирлинга» с радиоизотопным источником энергии (Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG)), будет использован в планируемой NASA космической экспедиции — Titan Saturn System Mission.

    Насосы
    Эффективность систем отопления или охлаждения возрастает, если в контуре установлен насос принудительной подачи теплоносителя. Установка электрического насоса снижает живучесть системы, а в неавтономных бытовых энергосистемах неприятна тем, что электросчётчик «накручивает» ощутимую сумму. Насос, использующий принцип двигателя Стирлинга, решает эту задачу.

    «Стирлинг» для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель-насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно служит для охлаждения рабочего тела.

    Насос на основе двигателя «стирлинга» может служить для накачки воды в ирригационные каналы посредством солнечного тепла, для подачи горячей воды от солнечного коллектора в дом (в системах отопления теплоаккумулятор стараются установить как можно ниже, чтобы вода шла в радиаторы самотёком).

    Стирлинг-насос может использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку герметичен.

    Стирлинг-насос с жидким поршнем использует цикл, отличный от цикла Стирлинга. Его идеализированная диаграмма P-V имеет вид прямоугольника и состоит из двух изохор и двух изобар. КПД примерно в 2 раза хуже, чем у цикла Карно (и цикла Эрикссона) для такого же перепада температур.

    Тепловые насосы
    Тепловые насосы позволяют сэкономить на отоплении. Принцип действия тот же, что у кондиционера (кондиционер — это тот же тепловой насос), только кондиционер обычно охлаждает помещение, нагревая окружающее пространство, а тепловой насос, как правило, обогревает помещение, охлаждая наружный воздух, воду из скважины или другой источник низкопотенциального тепла. Обычно используются теплонасосы, приводимые в движение электричеством. Но электричество в ряде стран производится на теплоэлектростанциях, сжигающих газ, уголь, мазут, и в итоге калория, полученная на таком теплонасосе, оказывается не дешевле, чем полученная от сжигания газа. Устройство, в котором совмещены двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга, делает ситуацию более благоприятной. Двигатель Стирлинга отдаёт в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. Гибридный теплонасос «стирлинг-стирлинг» оказывается проще, чем композиция из двух стирлинг-машин. В устройстве совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, непосредственно используются для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство устройства герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением.

    Холодильная техника
    Почти все холодильники используют те же тепловые насосы. Применительно к системам охлаждения их судьба оказалась более счастливой. Ряд производителей бытовых холодильников собирается установить на свои модели «стирлинги». Они будут обладать большей сберегательностью, а в качестве рабочего тела будут использовать обычный воздух.

    Сверхнизкие температуры
    Основная статья: Охладитель на пульсирующих трубках

    Двигатель Стирлинга может работать и в режиме холодильной машины (обратный цикл Стирлинга). Для этого его приводят в движение любым другим внешним двигателем (в том числе с помощью другого «Стирлинга»). Такие машины оказались эффективны для сжижения газов. Если не требуется больших объёмов (например в условиях лаборатории), то «стирлинги» выгоднее, чем турбинные установки.

    Маленькие «Стирлинги» выгодно применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах.

    Подводные лодки
    Преимущества «стирлинга» привели к тому, что ещё в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Двигатели работают на жидком кислороде, который используется в дальнейшем для дыхания, имеют очень низкий уровень шума, а упомянутые выше недостатки (размер и охлаждение) на подводной лодке несущественны.

    На новейших японских подводных лодках типа «Сорю» установлено по 4 двигателя Стирлинга Kawasaki Kockums V4-275R, 8 000 л.с,

    На текущее время двигатель Стирлинга рассматривается как многообещающий единый всережимный двигатель НАПЛ 5-го поколения.

    Аккумуляторы энергии
    Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.

    Солнечные электростанции

    Основная статья: Солнечная электростанция

    Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель Стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

    В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического отражателя и двигателя Стирлинга.

    Компания Stirling Energy Systems разрабатывала солнечные коллекторы большой мощности — до 150 кВт на одно зеркало. Компания строила в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию, но не выдержала конкуренции в связи со снижением цен на субсидируемые фотоэлектрические солнечные элементы.
     
    Последнее редактирование: 23 ноя 2019
  15. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Двигатель Стирлинга, принцип работы
    14.03.2005
    Cтатья: https://autodata.ru/article/all/dvigatel_stirlinga_printsip_raboty/

    В этом двигателе основным нововведением является наличие промежуточного контура, выполняющего роль буферной емкости для отработанного газа и временного замедлителя, дающего возможность нагреть газ за время движении кулачка по промежуточному контуру. Размеры контуров можно менять, газовые магистрали также можно изменять, можно отказаться от клапанов, внутри ротора можно разместить электродвигатель, тем самым конструкция будет полностью герметичной, или заменить рекуператор регенератором, и т.п. Достоинство конструкции в относительной простоте, аналогичные схемы давно используются в гидронасосах высокого давления. Современные достижения трибологии позволяют обойтись без смазки и без "компрессионных" устройств. Роторный принцип имеет значительные положительные качества, которые недоступны поршневым двигателям, и первое из них - это миниатюрность, позволяющая сделать не только миниатюрным сам двигатель, но и разместить внутри него электрогенератор без существенного увеличения размеров. Другое важное преимущество - постоянство крутящего момента, т.к. плечо ротора постоянно. Еще одно преимущество - это строгая очередность протекания тактов - ротор переходит в следующий сегмент только после того, как полностью отработал в предыдущем, в поршневом же двигателе движение поршней подчинено синусоидальному закону, что снижает усилие газа на величину противодавления. К тому же, многие конструкции содержат газовый демпфер, т.е. картер под давлением, что также снижает мощность на величину противодавления в картере. Немаловажным качеством является и то, что отсутствуют возвратные движения, ротор движется только поступательно, нет необходимости демпфирования, что также увеличивает эффективный кпд. Еще одним положительным качеством является то, что в теплопереносе участвует весь объем рабочего тела, а не часть его, как в поршневых двигателях.

    РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

    (принцип работы)

    fig1.jpg
    На фигуре 1 изображена секция роторного двигателя внешнего сгорания с кулачковым ротором.

    fig2.jpg
    На фигуре 2 изображены такты рабочего цикла роторного двигателя внешнего сгорания

    fig3 m1n.jpg
    На фигуре 3 изображена секция роторного двигателя внешнего сгорания с роликовым ротором.


    Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из преобразователей энергии механической и тепловой. Секция двигателя внешнего сгорания содержит один статор 16 (фиг.1), оборудованный тремя подвижными пластинами 6, 12, 17, прижимаемыми к поверхности ротора 13 посредством пружин 28, 11, 19. Статор 16 с торцов закрыт торцевыми крышками (не показаны). Внутри статора 16 на силовом вале 15 вращается по стрелке "а" ротор 13, оборудованный кулачками 14 и, возможно, 9. Внутренний объем статора посредством подвижных пластин 6, 12, 17 разделен на силовой ("с"), промежуточный ("п") и вытеснительный ("в") контуры, а сами пластины герметично прижимаются под действием пружин 28, 11, 19 к ротору 13 и к торцевым крышкам и тем самым противодействуют проникновению рабочей среды из одного контура в другой, минуя каналы, соединяющие эти контуры. При прохождении через подвижные пластины кулачка 14 ротора 13 подвижные пластины отжимаются в тело статора 16. Каналы разделяются на выходной 24, оборудованный обратным или выпускным клапаном 18, перепускной 29, оборудованный обратным клапаном 20, и, при наличии на роторе 13 кулачков 9, 14, входные – 3, 2, оборудованные впускными клапанами 7, 8 и обратными клапанами 1, 30. Каналы проходит, как правило, через преобразователь тепловой энергии, состоящий из нагревателя ("н") 5, регенератора ("р") 26 и холодильника ("х") 4 (или в обратной последовательности), но, для уменьшения динамического сопротивления и удобства компоновки, возможна схема проводки каналов как на фигурах 1, 2, которые проходят через регенератор и/или через какой-либо из конечных преобразователей тепловой энергии. Внутренний объем статора и каналов заполнен рабочей средой, которой может быть, например, газ - пар, водород, гелий или другой подходящий для этого наполнитель.

    Роторный двигатель внешнего сгорания работает следующим образом. Запуск двигателя производится после разогрева нагревателя ("н") 5 и охлаждения холодильника ("х") 4 и принудительного проворота силового вала 15 по стрелке "а" на один-два оборота. При этом замкнутый цикл Стирлинга осуществляется за три такта при постоянно протекающем выпуске (фиг.2): положение I – сжатие-впуск; положение II – перепуск-охлаждение,нагрев; положение III – рабочий ход. Стрелками показано движение газа: волнистой – горячего, пунктирной – теплого, ровной – холодного.

    Такт I - сжатие-впуск – вытеснение в регенератор холодного газа и после его предварительного подогрева проталкивание его в нагреватель. Кулачек 14 ротора 13 движется по стрелке "а" в вытеснительном контуре "в" и, сжимая холодный газ (рабочую среду) в этой области статора 16, вытесняет его в канал 27, проходящий через регенератор 26 и, по каналу 3, в нагреватель 5. В увеличивающуюся нижнюю область контура "в" при продвижении в ней кулачка 14 втягивается из канала 29 холодный газ, выходящий из промежуточного контура "п" через холодильник 4. При этом после выхода кулачка 14 из контура "в" в контур "п" обратные клапаны 25,30,1 не позволят газу после увеличения объема вследствие нагрева переместиться в контур "в".

    Такт II - перепуск-охлаждение,нагрев. При продвижении кулачка по контуру "п" происходит вытеснение теплого газа через холодильник 4 (где происходит его охлаждение) в контур "в". При этом в контур "п" газ поступает под давлением или засасывается из силового контура "с", пройдя предварительно через регенератор "р" и оставив там часть тепла. За время продвижения кулачка 14 по контуру "п" происходит достаточный нагрев газа в нагревателе 5, при этом газ концентрируется в нагревателе, где его удерживают обратный клапан 30 и впускной клапан 8.

    Такт III – рабочий ход. При вхождении кулачка 14 в силовой контур "с" после прохождения им подвижной пластины 12 принудительно открывается впускной клапан 8, при этом горячий газ под большим давлением толкает кулачек 14 (т. к. пластину 12 сдвинуть невозможно) по стрелке "а", тем самым осуществляется вращение силового вала 15. . Одновременно кулачком 14 вытесняется горячий газ из силового контура "с", оставшийся там после предыдущего рабочего хода, в регенератор 26, ранее охлажденный проходом холодного газа, где отдает часть теплоты, и затем поступает в промежуточный контур "п". В момент перехода кулачка 14 через подвижные пластины (6, 12 или 17, фиг.1) – последние отжимаются кулачком за внутреннюю поверхность статора 16 и беспрепятственно пропускают кулачек 14 (подвижные пластины всегда прижаты пружинами 11, 19, 28 к поверхности кулачка 14 и ротора 13), при этом происходит отсекание газа и обеспечивается герметичность контуров. Далее процесс повторяется.

    Выпуск горячего газа из контура "с" в канал 24 открыт постоянно.
    Для осуществления двукратного действия (т.е. количества рабочих ходов за один оборот силового вала) требуется дооборудование ротора 13 дополнительным кулачком 9 (что улучшит балансировку ротора), и нагревателя 5 дополнительным входным каналом 2 с обратным клапаном 1 и впускным клапаном 7. При этом теплый газ из регенератора 26 под действием кулачков 14, 9 будет поочередно вталкиваться в каналы 2 или 3, т. к. если в одном из них будет происходить нагрев, то высокое давление не позволит втолкнуть в него порцию газа, поэтому газ войдет в канал, в котором уже упало давление. Каналы 2 и 3 соединены с впускным каналом 10, впуск горячего газа в который регулируется впускными клапанами 7, 8. Таким образом, увеличивая количество кулачков ротора и входных каналов кратность можно увеличить до разумной достаточности.

    В описанном двигателе отсутствует осаждение продуктов сгорания или реакций на внутренней поверхности статора от рабочей среды, что позволит применить в нем роликовый ротор 13 (фиг.3), посаженный на кривошип 31 силового вала 15 и катящийся по внутренней поверхности статора 16.
     
  16. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Двигатель Стирлинга - сборка и пуск








     
  17. Механик

    Механик Well-Known Member

    Механическая энергия, получаемая в процессе детандирования, как-то используется?
     
  18. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Для получении охлаждённых и сжиженных газов нужна внешняя работа (привод).
    В других случаях возможна установка генератора или прямой привод для использования механической энергии.
    Очень много вариантов применения, смотрите выше в описаниях.
     
  19. Механик

    Механик Well-Known Member

    Ну так устанавливают генераторы?
    Тут Пипси как-то интересовался, что мол халявная энергия на ГРС пропадает.
     
  20. M-Serge

    M-Serge Well-Known Member

    Конечно устанавливают.
    В теме выше там несколько постов про эти генераторы.

    "Турбодетандеры ОАО "НПО ГЕЛИЙМАШ" и их применение в промышленности"

     
    Механик нравится это.

Поделиться этой страницей