Рассказ о том, как я с помощью ТРИЗ изобретал идеальный паровой двигатель

История, с которой можно ознакомиться ниже, длится уже около трех лет. И, как я могу судить, она далека от завершения. Найденные принципиальные решения снимают или делают менее обостренными некторые из ключевых противоречий, присущих паровым пашинам. Но им на смену приходят технические трудности, все эти сложности нанесения, равномерности покрытия, износы и прочие, не видимые потребителю страсти.

Пожалаем автору благополучно их преодолеть.

Редактор

 

Рассказ о том, как я с помощью ТРИЗ изобретал идеальный паровой двигатель

Какой восторг испытал я, когда с помощью ТРИЗ смог придумать техническое решение, над которым ломал голову несколько месяцев. Тут же по горячим следам написал статью о ходе размышлений. Получилось занимательно и даже поучительно, но полностью раскрыто техническое решение. Если обнародовать в таком виде, о патентовании можно даже и не думать. Решил вырезать маленькие кусочки, чтобы замаскировать суть технического решения. В таком урезанном виде статья провисела на сайте более двух лет (http://www.metodolog.ru/node/896).

   . Но вот наконец заявка на изобретение отправлена в Роспатент и можно раскрывать суть технического решения. Искренне надеюсь, что полная версия статьи заинтересует желающих использовать ТРИЗ в своей работе.

Сергей Емелин

А зачем и кому это надо?

Большинство людей воспринимают паровые машины как нечто устаревшее. Но большая часть электроэнергии производится с помощью паровых машин. Даже на атомных станциях. Ведь АЭС — это атомный реактор плюс паровая машина. Вот только на транспорте в качестве двигателей безраздельно властвует ДВС. Пока.

Пока что?

Пока нефть не кончилась, вот что.

На наш век хватит.

Большинство людей, живущих сегодня на земле, доживут до момента, когда нефть иссякнет. Нефть не исчезнет сразу. Просто постепенно сильно подорожает и будет дорожать дальше. Автомобиль из средства передвижения превратится в роскошь.

Далее я привожу записи своих рассуждений в процессе поиска технического решения над изобретением нового типа паровой машины.  Созданию изобретения предшествовало многолетнее  изучение проблематики паровых машин.

В результате долгих размышлений мне удалось сформулировать 2 технических противоречия:

Противоречие № 1:

Пар должен иметь высокую температуру и давление для достижения высокого КПД паровой машины.

Пар должен иметь низкую температуру и давление для достижения высокого КПД парового котла.

Пояснение:

Паровая двигательная установка состоит из двух основных частей: парового котла и собственно паровой машины. Поэтому КПД паровой двигательной установки зависит от КПД обеих этих частей.

Паровой котёл готовит «пищу» для паровой машины — пар. Теплоёмкость пара состоит из двух основных частей:

а) теплоты парообразования (конденсации)

б) теплоты перегрева пара

Если говорить в кулинарных терминах, то для паровой машины теплота перегрева пара является полезной легкоусвояемой пищей, а теплота парообразования (конденсации) - пища тяжёлая, плохо перевариваемая.

Паровая турбина способна использовать всю теплоту перегрева пара и примерно 1/8...1/5 часть теплоты парообразования (конденсации).

Поршневая паровая машина «переваривает» теплоту парообразования (конденсации) ещё хуже. Возьму на себя смелость утверждать, что именно из-за этого «хуже» поршневые машины были в своё время вытеснены паровыми турбинами. Существует понятие «мятый пар». Это пар, прошедший паровую турбину, из которого вычерпана вся теплота перегрева пара и 1/8...1/5 часть теплоты парообразования (конденсации). Остающаяся там теплота огромна, но может быть использована в лучшем случае для нагрева горячей воды в целях отопления и горячего водоснабжения. Основной путь для повышения КПД паровой турбины: повышение температуры и давления пара с целью увеличения доли теплоты перегрева пара в общей теплоёмкости пара. Действительно, КПД паровой турбины при этом возрастает. Но вот незадача, КПД парового котла при этом падает. Больше тепла уносится в атмосферу газообразными продуктами сгорания топлива. Ведь температура этих газообразных продуктов сгорания не может быть ниже температуры вырабатываемого котлом пара. Общий рост КПД всей паровой двигательной установки получается меньше желаемого.

Противоречие № 2:

Водяной пар, при совершении работы внутри паровой машины, должен перейти в жидкое состояние, для обеспечения высокого КПД.

Водяной пар, при совершении работы внутри паровой машины, должен остаться в газообразном состоянии, чтобы не нарушалась работоспособность машины.

Пояснение:

Если пар отдаст в процессе совершения полезной механической работы всю содержащуюся в нём теплоту перегрева пара и теплоту парообразования (конденсации), то неизбежно превратится в жидкость. При этом КПД процесса будет максимальным.

Если пар останется в газообразном состоянии, в нём останется теплота парообразования (конденсации) и не будет использована для совершения полезной механической работы. КПД процесса будет «как всегда».

Шаг 2. Здесь я попробовал сформулировать ИКР:

Паровая машина, использующая пар низкого давления и температуры, не теряющая работоспособность при переходе пара внутри машины в жидкое состояние.

Вопрос самому себе: «Что способствует образованию пара?»

Нужно попробовать мой любимый принцип: «Попробуй сделать наоборот!».

Как добиться конденсации пара в жидкость внутри паровой машины ?

Тут всё просто: пар, расширяясь и одновременно совершая механическую работу, охлаждается и конденсируется. Всё дело только в геометрической степени расширения, то есть, во сколько раз увеличился первоначальный объём пара. Если повысить температуру и давление пара — повысится требуемая степень расширения.

Конечный результат одинаков. Пар превращается в воду. Почти весь. Очень малая часть останется в виде насыщенного пара. Если есть жидкая вода, есть и пар над её поверхностью, независимо от температуры. Даже над поверхностью снега и льда всегда есть небольшое количество водяного пара.

Шаг 3. Тогда я решил переформулировать ИКР:

Паровая машина, способная избавляться от конденсата пара, чтобы не терять работоспособность. Имеющая высокую степень геометрического расширения пара.

Неплохой вариант, только как это сделать?

Шаг 4. Решил использовать Метод Маленьких Человечков.

Нарисовал во весь лист паровой цилиндр с поршнем. Отверстие для впуска и выпуска пара нарисовал с глухого торца цилиндра. С системой клапанов разберёмся позже. Их рисовать не стал. Маленькие кружочки по всей полости цилиндра — молекулы водяного пара. И маленькие человечки. Тоже по всей полости. Можно по человечку на каждую молекулу посадить. Будет как барон Мюнхаузен на пушечном ядре. Нет, пусть у меня лучше будет Метод Маленьких Осьминогов. Не человечков, а осьминогов, чтобы было побольше конечностей. Рук там, или ног. Создаём сетку, сотканную из маленьких осьминогов, сцепившихся друг в друга, каждый несколькими конечностями. А ещё несколько конечностей у каждого пусть будут свободными, чтобы ими молекулы воды двигать.

Начинаем фазу впуска.

Подаём в полость под поршнем свежий горячий пар. Молекулы пара заполняют весь свободный объём. Ага, сразу проблема. Стенки цилиндра имеют низкую температуру после предыдущего рабочего цикла. Известная проблема. Молекулы воды могут быстро охладиться о стенки цилиндра и часть тепловой энергии пара на это будет израсходована. Нам такие теплопотери не выгодны.

Выстраиваем вдоль стенок Маленьких осьминогов. Плотными рядами. Их задача — не допустить передачи тепла от молекул пара стенкам цилиндра. Просто сплошной осьминожий барьер между паром и материалом стенок цилиндра. Так, хорошо. Молекулы горячего пара совершают броуновское движение, ударяются друг о друга и о стенки цилиндра и поршня, создавая давление на поршень. Поршень двигается, объём полости увеличивается. Пар продолжает поступать. В определённом положении происходит отсечка заполнения. Порция пара получена и заперта в герметичном объёме.

Начинаем фазу расширения.

Поршень движется, объём полости растёт. Пар постепенно остывает. Скорость броуновского движения молекул падает. Теплота перегрева пара преобразуется в механическую работу. Вот теплота перегрева пара вся израсходована. Пар перестал быть сухим, появилась влажность. Дальше процесс расширения идёт при постоянной температуре, постоянно падающем уровне энтальпии и растущей влажности пара. Молекулы пара уже не всегда отскакивают при соударениях. Некоторые стали слипаться в пока ещё микроскопические капли жидкой воды. Пора их толкать в сторону выпускного клапана.

Осьминоги свободными конечностями толкают микрокапли воды в сторону выпускного клапана. Микрокапли растут в размере. Надо, чтобы осьминоги в первую очередь толкали наиболее крупные капли. Ого, некоторые микрокапли соприкасаются со стенками цилиндра. Что будет? Ясно что, прилипнут. Это плохо. Микрокапля, свободно плавающая в пространстве гораздо лучше той, что уже прилипла к стенке. Сила смачивания будет удерживать прилипшую каплю на поверхности. Ставим на стенки цилиндра ещё один слой осьминогов. Их задача: отталкивать микрокапли от стенок цилиндра, не позволяя прилипать. Те микрокапли, которые свободно плавают, подхватывают осьминоги, висящие в объёме, и толкают в сторону выпускного отверстия. Желательно, чтобы крупные капли толкали в первую очередь. Придётся, видимо, выпускное отверстие делать размером побольше, во всю торцевую стенку цилиндра.

Объём пара достиг максимума.

Начинаем фазу выхлопа.

Клапан снаружи цилиндра открывается и выпускает пар наружу. Остаточное давление пара невелико, слабовато выносит наружу микрокапли воды. Осьминогам приходится помогать, толкая микрокапли всё в том же направлении. Нужно вытолкать их все в выпускное отверстие.

Начинаем фазу впуска.

Цикл замкнулся. Требуется провести анализ того, что получилось.

1. Поверхности, соприкасающиеся с паром, следует покрыть двумя слоями. Один слой теплоизолирующий, второй водоотталкивающий. Ну, с этим ясно. Может, даже удастся подобрать материал, который одновременно и теплоизолирующий и водоотталкивающий. Это было бы хорошо. Стал искать в интернете материал с водоотталкивающими и теплоизолирующими свойствами. Остановился на фторопласте.

Фторопласт обладает:

  • чрезвычайно высокой химической стойкостью,
  • способностью не смачиваться водой и не подвергаться воздействию воды при самом длительном испытании;
  • способностью сохранять рабочие характеристики и свойства в интервале температур от -260 до +260°С;
  • стойкостью к сорбции веществ и к нарастанию на его поверхности различных отложений;
  • стойкостью к старению в обычных условиях. Гарантийный срок сохранения показателей качества - более 20 лет.
  • исключительно низким коэффициентом трения.
  • низкой теплопроводностью — приблизительно в 180 раз меньше, чем у стали.

Может применяться как конструкционный материал или в виде покрытия стальной поверхности. Вспомните тефлоновые сковородки. Тефлон — одно из названий фторопласта.

2. А что нам будет толкать капли воды на протяжении почти всего цикла в сторону выхлопного отверстия? Какое-то поле или физический эффект требуется применить. Чтобы действовало на капли в зависимости от их размера. На крупные сильнее. Но толкать всё время требуется только в одну сторону. Это облегчает задачу. А что, сила гравитации пожалуй, подойдёт. Действует всегда в одну сторону, на крупные объекты действует сильнее.  Разворачиваю свою картинку выпускным отверстием вниз. До этого всё время горизонтально держал. Да, определённо подойдёт. Но тут-же возникли сомнения. Не слабовато-ли будет. Капли то ведь микроскопические, вес у них мизерный. Какую-нибудь силу по мощнее бы, чем сила тяжести.

А что там у паровых машин в конструкции, может что есть, какое свойство или поле. Чтобы использовать, не вводя ничего нового. Есть, определённо есть мощная сила, сходная по природе с силой гравитации. Центробежная сила. Раз вал паровой машины вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту, центробежная сила там приличная. Только как её использовать?

Ну, если цилиндр с поршнем будут вращаться, чтобы внутри образовалась центробежная сила, следовательно, коленчатый вал стоит на месте. Да это-же мой любимый принцип: «Попробуй сделать наоборот!» Уже хорошо. Обычно, когда используешь этот принцип, получается хорошо. Правда, непонятно, как будут работать клапана, ну да разберёмся.

Сразу вспомнилось: были популярны в СССР до Великой отечественной войны двигатели для самолётов воздушного охлаждения звездообразной компоновки. Там в середине колен вал, а вокруг по диаметру равномерно размещены несколько цилиндров с поршнями. Вот бы нечто с такой компоновкой заставить вращаться вокруг колен вала! Правда, опять непонятно, как устроить работу клапанов и коллекторов подачи и выхлопа пара. Вспомнил ещё про двигатель Венкеля. А потом решил поискать среди существующих конструкций подобное. Ведь часто бывает, придумаешь что-то новое, а оказывается, такое уже есть, кто-то до тебя уже придумал. Надо в интернете поискать. Как раз всплыло в голове откуда-то словосочетание «с вращающимися поршнями». Где-то что-то такое читал или слышал. Стал искать в интернете. Информации вылезло — просто тьма.

Вот, например, цитата: «Двигатель Гнома (Gnome) был один из нескольких популярных роторных двигателей военных самолетов времен Первой Мировой войны. Коленчатый вал этого двигателя крепился к корпусу самолета, в то время как картер и цилиндры вращались вместе с пропеллером.»

Оказывается, всяких двигателей с вращающимися цилиндрами, поршнями и прочими полостями неопределённой формы изобретено полно. Нужно только подобрать подходящий прототип для паровой машины.

Некоторое время я перебирал варианты. Основная сложность с клапанами. Желательно иметь выпускной клапан там, куда центробежная сила гонит микрокапли воды. Желательно также, чтобы размер выпускного отверстия был большой. В идеале — во всю дальнюю от центра вращения стенку цилиндра (или уж не знаю, какой-то формы полости, в которой пар расширяется).

Перебирал существующие варианты двигателей и прочих механизмов, работающий по принципу объёмного расширения, пытаясь приспособить под паровой двигатель. Бумаги извёл много.  Наконец, остановился на пластинчатом ротационном механизме, известный в качестве вторичного двигателя, преобразующего потенциальную энергию давления сжатого воздуха в механическую работу на валу.

Достоинства: простая конструкция, отсутствует кривошипный-шатунный механизм.

Недостаток: довольно маленький срок службы пластин. В условиях интенсивной работы потребуется частый ремонт. Но так и так придётся покрывать поверхности, контактирующие с паром, фторопластом. А у фторопласта очень низкий коэффициент трения. Покрыты фторопластом окажутся, в том числе поверхности, работающие на износ. В результате будем иметь низкие потери на трение и высокую долговечность всего механизма.

Предвижу, мне скажут: «Ну и что ты изобрёл? Да твой паровой двигатель на чертеже невозможно отличить от прототипа ни на общем виде, ни в разрезе. Материалы он там где то другие применил. Свойства деталей видишь ли изменились какие-то. Тоже мне изобретение.»  

Ну и ладно. Зато задача решена. Двигатель будет воду выплёвывать без остатка. Степень геометрического расширения пара очень приличная. И конструктивное решение простое и логичное. Применяемые материалы обеспечат высокую долговечность машины.

 

Название изобретения: «Способ преобразования тепловой энергии в механическую с помощью двигателя внешнего сгорания и двигатель Емелина»

Заявка на изобретение №  2013129116 от 25 июня 2013г.

Комментарии

Re: Рассказ о том, как я с помощью ТРИЗ изобретал идеальный ...

 

молодец автор.

В продолжение паровой темы... у меня еще в  90-х когда моноплисты нас стали придушивать появилась идея сделать газогенераторный двигатель (вода, древесн уголь, дерево), но на современном уровне и из современных материалов, думаю КПД удасться поднять существенно.

У уважаемого автора уже есть опыт работы с паровой машиной, думаю газогенераторный должен получиться отличный. в Евро-1 не уложимся, ну да ладно, будем по деревням ездить.

http://trouble-shooter.su

 

 

RSS-материал