john_jack (john_jack) wrote,
john_jack
john_jack

Categories:

Нюанс первый

немного интереснее, ибо уже физика, а не банальная геометрия.

Как известно любому грамотному и мыслящему существу, двигатель на сжатом воздухе не является тепловым и ограничения КПД с циклами Карно к нему неприменимы. Однако, термодинамика не была бы термодинамикой, если бы и здесь не подставила чугунную жопу реальности.
Когда воздух сжимается-расширяется изотермически, то есть очень медленно, его давление пропорционально объёму, и ведёт себя он в точности как сжатая пружина. Без потерь энергии, кроме неизбежных механических. Примеры каждый может видеть в газовых стойках офисных стулов и автомобильных багажников. К сожалению, с двигателями заметной мощности изотермические процессы несовместимы, двигатели должны крутиться быстро.

При сжатии-расширении воздуха быстро процесс называется адиабатическим, то есть происходящим без обмена тепла с окружающей средой. Давление, объём и температура при этом связаны школьным уравнением P*V/T=const. И чем быстрее процесс, тем сильнее меняется температура. На характерных для моторов скоростях при сжатии воздух нагревается до самовоспламенения масла и солярки (дизель), в реальном пневматическом автомобиле остывает так, что дыхание у выхлопной трубы не в туман конденсируется, а замерзает и падает на землю инеем. Беда в том, что при сжатии в компрессоре высокая температура не только перегревает весь механизм, плавит кольца и клапана, она ещё увеличивает актуальное давление воздуха и заставляет тратить лишнюю энергию на накачку. Конечно, эта лишняя энергия тоже уходит в нагрев. В баллоне же сжатый воздух совершенно бесполезно остывает в окружающую среду.
Хорошие компрессоры справляются с этой бедой уменьшением частоты и многоступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением, но всё равно КПД компрессора высокого давления получается около 25%. Для сравнения, зарядка от той же розетки электрического аккумулятора имеет эффективность 80-90%.
Единственное применение, где этот эффект приносит пользу это пружинно-поршневая пневматика и подобные ей легкогазовые пушки. Там воздух/газ быстро сжимается поршнем, нагревается, и тут же толкает пулю, отдавая ей энергию и механическую, и тепловую. Смысл такой хохмочки в том, что выстрел получается мощнее, чем при использовании того же объёма холодного заранее сжатого газа, а скорость пули может быть выше, ибо в горячем газе больше скорость звука (её ограничивающая) и меньше потери на вязкость в стволе. Только это не двигатель, газ используется лишь для преобразования энергии.

В двигателе всё ещё хуже. Компрессор никуда не едет, он может позволить себе качать спокойно в выгодном режиме. Пневматический двигатель на транспорте сталкивается с теми же проблемами, что и паровая машина — невозможно иметь хорошую экономичность на всех нужных режимах, да ещё и без больших механических потерь.
При расширении воздух охлаждается. Чем быстрее и в больше раз расширяется — тем охлаждается сильнее. Давление от этого падает, а значит энергии поршню он отдаст меньше. Казалось бы, пусть воздух расширяется не сразу, а поступенчато, как и сжимался в компрессоре. Между ступенями его даже подогреть можно, хоть об окружающую среду. Только вот мотор машины должен выдавать очень разную мощность и быстро её менять. Для этого надо управлять отсечкой, моментом закрытия впускного клапана в цилиндре, определяющим степень расширения рабочего тела. Хотя бы от 5% до 50%. То есть при рабочем давлении 20 атмосфер воздух будет расширяться от 2 до 20 раз. Если делать две ступени, во вторую пойдёт давление от 10 до 1 атмосферы. В одном случае у выхлопа будет ещё высокое остаточное давление, но в другом цилиндр будет растягивать воздух, отнимая мощность у первого рабочего. Можно на небольшой мощности выхлоп сразу выпускать наружу, а вторую ступень отключать, но это добавит механических потерь или сложности. То же самое получается если ограничивать мощность не отсечкой, а просто дросселем.
[Историческая справка]У паровых машин были те же проблемы. На границе 19 и 20 веков были весьма популярны двухступенчатые машины (компаунды), экономившие пар за счёт снова меньшего его охлаждения от расширения. Но в паровозах с развитием смазок их быстро вытеснили машины простого расширения на перегретом паре. Многократное расширение осталось в корабельных и стационарных машинах, но они постоянно работают на полной мощности.
Получается, чем эффективнее пневматический мотор, чем больше в нём степень расширения воздуха, тем больше в нём воздух остывает и тем больше потерь на давление. Если сделать больше степеней расширения, воздух остывает меньше, но большую часть времени, когда полная мощность не нужна, дополнительные ступени только мешают работать. В итоге КПД пневматического мотора не превышает 30-40% как у ДВС. Только вот работает он не на топливе, а на заранее сжатом со своими потерями воздухе.

Показателен пример одного французского городка, где решили перевести местный трамвай с паровой тяги на сжатый воздух. Повесили под вагончик баллоны, их как раз хватало на поездку туда-сюда по недлинному маршруту. Воздух накачивали паровой машиной на конечной станции, это нормально, стационарная паровая машина эффективнее подвижной и требует меньше машинистов. [внезапно]Только вот оказалось, что выходящий из баллона через регулятор воздух такой холодный, что двигатель на нём работает как говно и вообще обмерзает. Отчего пришлось на чистый и непахнущий трамвай поставить бутильон — этакий самовар на угольной тяге, подогревающий воздух перед использованием. Были варианты и с теплообменниками на заранее залитом кипятке, но их надолго не хватало.
Да, охлаждение пневматического мотора ниже окружающей среды тоже большая проблема. Даже когда среда сама по себе тёплая, это требует более жидкой смазки, иначе она вязнет и серьёзно сопротивляется движению. Стоит среде похолодать, как мотор обмерзает, покрывается инеем и перестаёт теплообмениваться вовсе, а значит давление воздуха в цилиндрах (зависящее от температуры) становится всё меньше. Мощность падает, расход теперь и более плотного воздуха растёт. И в отличие от мифического падения ёмкости аккумуляторов на холоде у сжатого воздуха это критичная проблема.

В реальности привод сжатым воздухом имеет смысл только для инструмента со шлангом, и то только там, где электричество неудобно или неприменимо: отбойные молотки, краскопульты, зубные бормашинки. Пневматические моторчики могут быть легче и мощнее электрических (ценой повышенного расхода, при работе с небольшим расширением), не бьются током и вентилируют помещение, но с эффективностью у них всё плохо, компрессор тока жрёт в разы больше, чем жрал бы электроинструмент.
Ограниченно сжатый воздух годится для складского транспорта. Пневматические моторы хорошо тянут с места, а заправка баллонов сжатым воздухом несравнимо быстрее, чем свинцовых аккумуляторов электричеством. Большие пробеги и значит большое давление там не нужно, значит эффективность получается лучше (легковушки, не электрокара), не воняют как дизель, воздух можно использовать и для подъёмников и другого инструмента, но снова ездить вокруг компрессора.

На этом, я считаю, тему автомобилей на воздухе можно закрывать. Разве ещё за пневматический гибрид расскажу. Даже фантастика здесь не поможет. Баллоны на тыщу атмосфер ещё можно придумать, но использовать это давление всё равно придётся реалфизикой со всеми её проблемами. О том, что баллон со 150-200 очками давления это бомба, сравнимая с тем же объёмом дымного похера, и взрывающаяся от любого сильного повреждения (в отличие от аккумуляторов и бензобаков), я тоже скорбно промолчу.
Tags: Зла не хватает, Многабукав, Пар, Хипстеры
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 16 comments