Introdução
Este artigo é uma continuação da publicação “Olhando para o passado. Tecnologia do século 18 ” .
Nele, construímos uma máquina a vapor realmente funcional, que deve se tornar a parte principal do futuro.motocicleta a vapor, e ainda realizou experimentos experimentais em seu lançamento no ar.
Agora precisamos resolver o problema da energia. E aqui começam as principais diferenças dos motores de combustão interna (ICE). Em tais motores, a gasolina, misturada com o ar, entra no cilindro do motor e a energia é liberada quando essa mistura ar-combustível é inflamada. Os produtos de combustão expandida pressionam o pistão, produzindo trabalho. Mas nas máquinas a vapor, a energia não nasce na máquina. Ela nasceu em um caldeirão. A caldeira produz vapor, que por sua vez pressiona o pistão de nosso motor. É essa energia ancestral que precisamos conter!
Dispositivo
Caldeira a vapor - caldeira projetada para gerar vapor saturado ou superaquecido. Pode utilizar a energia do combustível queimado em sua fornalha, energia elétrica ou reciclar o calor liberado em outras instalações. (Wikipedia)
Existem dois tipos principais de caldeiras: clássica e de fluxo direto. O primeiro tipo era usado com mais frequência para operar motores a vapor. Ele pode ser descrito como um tanque de ferro com uma fornalha embutida. O combustível queima na fornalha, aquecendo a água do tanque. A água começa a ferver e o vapor é criado sob pressão. Este tipo foi usado em locomotivas a vapor e todos os primeiros motores a vapor:
As caldeiras clássicas têm vantagens e desvantagens. As vantagens são que não são necessárias bombas para criar pressão de vapor, uma vez que a energia armazenada na água pode abastecer o motor com vapor por muito tempo, mesmo na ausência de fogo. Essas caldeiras não exigem muito da qualidade da água. As locomotivas foram preenchidas com a água mais comum de rios, nascentes, poços e assim por diante.
Uma caldeira direta pode ser imaginada como um tubo longo e compactamente enrolado, delineado por uma chama, no qual a água é bombeada. Este tipo de caldeira tem uma série de vantagens:
- Permite a geração de vapor de maior pressão com menor massa e menor volume de caldeira.
- Devido ao fato de não haver muito carreador no tubo, tal caldeira é considerada mais segura (uma grande quantidade de energia não é armazenada).
- Saída rápida para o modo, já que não é necessário aquecer muita água.
Para facilitar a compreensão, o funcionamento de tal caldeira pode ser representado de uma forma simplificada:
Criação de uma caldeira de passagem única
E, claro, eu queria fazer uma caldeira de fluxo direto.
Tendo recolhido longos tubos inoxidáveis de diferentes secções, soldou-os entre si de forma a que a secção aumentasse gradualmente. Então, todo esse "intestino" de 8 metros foi compactado e compactado no quadro da motocicleta. As paredes externas, que deveriam conter a chama e direcioná-la na direção certa, eram feitas de estanho simples. A bomba que bombeia água (carreadora) foi feita a partir de uma fechadura a gás, que costuma segurar os capôs e baús dos carros. Estruturalmente, um "mais próximo" é um produto acabado. Eu só precisava soldar a entrada e a saída de água e conectar uma válvula que não deixasse a água bombeada de volta. A bomba foi fixada de forma móvel com uma parte na estrutura e a segunda na manivela do eixo da roda. Usando uma mangueira flexível de alta pressão (mangueira de freio de um carro), água pressurizada foi bombeada para a caldeira,e foi retirado de um tanque separado localizado acima da bomba. O queimador foi feito de acordo com o tipo de “cobertura”, esses operários aquecem o material da cobertura nos telhados dos edifícios. Para aumentar a porcentagem de fluxo ao redor dos tubos, instalei dois queimadores de uma vez.
Resultado
Os testes com uma motocicleta a vapor equipada com uma caldeira de passagem única deram errado desde o início. O primeiro problema foi a falta de pressão "inicial" na caldeira. Tive de girar o volante com as mãos para que a bomba enviasse uma certa quantidade de água para a tubulação. Mas, quando abri a alavanca do acelerador (fornecendo vapor ao motor), a pressão do vapor caiu instantaneamente, não tendo tempo de girar o volante. A solução não foi encontrada imediatamente. Um pequeno reservatório de ar foi feito após a bomba. Funcionou como uma fonte de água. Energia de compressão armazenada da bomba e devolvida quando a bomba estava em um ponto morto ou na fase de sucção da água de alimentação .
O motor está funcionando! Mas funcionou por cerca de 10 segundos. Válvula de carretelatolado. Ao desmontar o motor, nenhum problema foi identificado. Colocando-o de volta e executando-o novamente, encontrei o mesmo problema. Acontece que estava indo e vindo por si só. Depois de estudar esse problema, foi encontrado um erro nos cálculos da expansão térmica. Inicialmente, o carretel era uma peça sólida de fluoroplástico, mas revelou ter um coeficiente de expansão térmica muito alto (22) e quando aquecido expandiu-se tanto que emperrou até a morte no corpo.
Após cálculos detalhados e cuidadosos da expansão térmica, um carretel de aço equipado com anéis de PTFE de 2 mm de largura foi usinado.
Como a carroceria é de alumínio e o carretel é de aço, a diferença na dilatação térmica foi reduzida a quase zero.
Um novo teste mostrou que o carretel funciona bem e sem problemas. A roda suspensa estava girando, a água estava sendo bombeada, a caldeira de fluxo direto estava funcionando. É hora de um passeio. Mas então surgiu um novo problema. Eu não conseguia dirigir por mais do que alguns metros. Mais uma vez, fiquei confuso. Ainda funcionou! No modo inativo, tudo é depurado! O que mais está errado?
Após uma longa análise de outros aparelhos a vapor semelhantes,
Percebi que minha caldeira era muito pequena (comprimento do tubo aquecido), por isso, com o aumento da produtividade, a água simplesmente não teve tempo de evaporar e saiu voando junto com o vapor para o motor. A partir desse efeito, a eficiência de toda a instalação desaparece, pois a expansão da água é muito pequena ou não ocorre. Aumentar o comprimento do tubo da caldeira não é mais uma tarefa fácil. Mas minha dor também não terminou aí.
Durante os testes seguintes, torturei o dispositivo, obrigando-o a funcionar, mas a condição do motor começou a se deteriorar fortemente e em algum momento ele travou. Desta vez, apenas esfriar com neve não ajudou. Uma antepara principal era necessária novamente. Os resultados da autópsia mostraram que todos os anéis fluoroplásticos derreteram e até mesmo o pistão de alumínio se expandiu tanto com o aquecimento que começou a levantar o cilindro. E isso acabou sendo um problema fatal. O fato é que, com uma vazão alta, essa caldeira não tinha tempo para produzir a quantidade necessária de vapor e, com uma vazão baixa, gerava um vapor de tal energia que todo o motor simplesmente ficava fora de serviço. E não admira. Afinal, os tubos de saída da caldeira estavam em brasa. Ou seja, o vapor atingiu temperaturas da ordem de 600-700 * C. Como sabemos, o fluoroplástico se decompõe a 400 * C. Para mim, esta foi a "gota d'água"!Eu já queria uma motocicleta viável e estava atolado em problemas intermináveis!
Quase tudo na caldeira teve que ser refeito. E naquele momento percebi que, apesar das vantagens indiscutíveis de uma caldeira de passagem única, este produto não é muito simples e requer cálculos delicados, equipamentos de controle adicionais, e a bomba consumia não pequena parte da energia rotacional. Havia um claro entendimento de que se eu estivesse fazendo uma caldeira clássica, nenhum desses problemas surgiria simplesmente!
Caldeira clássica
Depois de todos aqueles problemas intermináveis com uma caldeira de fluxo direto, criando uma clássica, eu estava apenas, pode-se dizer, descansando. Como eu disse acima, este é apenas um barril de ferro no qual a fornalha está embutida. Foi possível não pensar na temperatura do vapor, pois com o excesso de pressão, a válvula de segurança funciona e libera o excesso, reduzindo a temperatura da água e mantendo a pressão dentro dos limites especificados. Não houve necessidade de criar a rotação inicial da roda para aumentar a pressão inicial. O vapor para o "start" ficou pronto imediatamente e até armazenado em excesso. Tudo o que era necessário era criar uma fornalha eficiente. Mas aqui tive que pensar com cuidado, porque não temos muito espaço.
Manufatura
Na recepção do metal, encontrei algum tipo de receptor ou cilindro de propano com espessura de parede de 3-4 mm, então as dimensões da caldeira já estavam definidas rigidamente.
Se você se preocupar muito com uma fornalha enorme e eficiente, haverá pouco espaço para a água em si (o transportador). Se a fornalha for muito pequena, não teremos energia suficiente para uma velocidade de cruzeiro mais ou menos satisfatória, e o processo de aquecimento da própria caldeira demorará muito.
E aqui está o que eu inventei. A fornalha estará sujeita a compressão por uma pressão tremenda, então foi decidido torná-la simples, completa e redonda. Um tubo comum de 100 mm passou por baixo disso. Para aumentar a eficiência de nossa fornalha ( trocador de calor ), 12 tubos transversais foram cortados.
Achei isso muito benéfico, pois eles fluiriam ao redor das chamas e escapariam dos gases em ângulos retos,
e a água dentro deles circularia sob o efeito de convecção natural. Isso vai manter o volume máximo de água na caldeira, e para nós essa é a reserva de energia. E, como bônus, essa fornalha era fácil de cortar no tanque. Foi necessário apenas fazer dois furos em ambas as bordas.
Para controlar a pressão, instalei um pequeno manômetro. Não é necessário controlar a temperatura do portador, pois está diretamente relacionada à pressão e claramente não ultrapassa a marca crítica (400 * C). Decidi fazer a pressão na caldeira como as locomotivas a vapor reais - 16 bar.
A válvula de segurança está definida para 18 bar. Agora resta pressioná-lo... Este é um tipo de teste de força. A caldeira é cheia até o topo com água e o aumento da pressão é bombeado. No início, fiz isso com uma bomba de um mais próximo, remanescente do sistema de caldeira anterior, mas comprimir essa bomba a uma pressão de mais de 20 bar acabou não sendo uma tarefa fácil (é muito bom que agora possamos abandonar tal unidade, porque ela consumia bastante energia) ... Descobriu-se que é mais conveniente pressurizar com um extintor de dióxido de carbono. Com ele, criei facilmente uma pressão na caldeira de 25 bar (esse era o máximo do meu manômetro) e, depois de alguns minutos, passei a ajustar a válvula de segurança.
Resultado
A caldeira revelou-se ótima. Mesmo a pressão de 25 bar não significava nada para ele. Nem começou a triturar. A válvula de segurança (usada nos compressores) funcionou bem, embora tenha baixado a pressão de 18 para 9. Esta não é muito lucrativa para nós, mas só funcionará quando você não puder controlar a pressão sozinho. Portanto, é melhor não trazê-lo para o seu funcionamento. Será um desperdício de recursos sem sentido.
Chama
Agora precisamos resolver o problema com fogo. Claro, seria bom e agradável aquecer uma motocicleta dessas com madeira. Esta é uma retrospectiva do passado, steampunk, classicismo, mas, como eu disse, temos muito pouco espaço para isso, porque nossa fornalha é um pouco mais que um cotovelo. Claro, você pode colocar uma tampa de carvão lá, mas isso não é nem mesmo o suficiente para apenas aquecer a caldeira. Aqui eu tive que me afastar do romance e fazer um fogão a gás. Na verdade, é um combustível muito eficiente, poderoso e conveniente. O gás é líquido, por isso é fácil de armazená-lo, é fácil alimentá-lo no queimador e imediatamente sob pressão, o que permite criar um fluxo quente de alta velocidade no forno, melhorando assim o processo de troca de calor (não é necessário soprar).
Manufatura
Na recepção de metal, encontrei excelentes tanques de aço inoxidável de pequeno porte. A julgar pela forma e pela cor azul, são tanques de oxigênio de algum tipo de avião de passageiros. Montei vários desses tanques em uma bateria e os combinei com o suprimento de gás e linhas de reabastecimento. O volume de cada tanque é de aproximadamente 1,7 litros, o que significa que será possível transportar mais de 5 litros de combustível com você. gás líquido. Concordo, não é um mau suprimento de energia.
Com o queimador, ele não se tornou sábio e simplesmente copiou o sistema do maçarico a gasolina soviético. Devo explicar algo aqui. O maçarico é projetado de forma que a gasolina entre primeiro em uma determinada cavidade, onde deve evaporar e é liberada na zona de combustão na forma de vapor. E a chama do queimador aquece essa mesma câmara de "evaporação". Precisamos do mesmo. Imagine o que aconteceria se o gás líquido começasse a voar para fora desse queimador ... O processo de evaporação do gás é relativamente longo e, entre outras coisas, também é acompanhado por um efeito criogênico. A chama de tal queimador será longa, ineficaz, não econômica e até mesmo perigosa.
Experiência (Fig. A) Chama de um queimador não aquecido (Fig. B) Modo correto, queimador aquecido
Portanto, o gás deve ser fornecido ao nosso queimador suavemente para que tenha tempo de aquecer.
Os testes da caldeira funcionaram como um relógio. Enchi cerca de 35 litros de água, coloquei o queimador no máximo e esperei. Após 14 minutos, a água ferveu e a pressão começou a subir lentamente. Mais ou menos ao mesmo tempo, a caldeira atingiu 16 bar.
Usei uma válvula de esfera de água simples para controlar o vapor, que controlava a temperatura e a pressão perfeitamente. Eles usam o mesmo fluoroplástico, então acho que não haverá problemas.
Para me divertir, decidi abrir a torneira ao máximo e ver a nossa energia. Um jato de vapor atingiu as garagens vizinhas e criou o barulho de um foguete decolando. Ao mesmo tempo, senti a força do impulso do jato, tive até que segurar a caldeira para que não saísse voando pela rua. Fiquei muito satisfeito!
Uma grande quantidade de energia é armazenada em uma caldeira desse tipo. Ao liberar o vapor por 5 segundos através do orifício de ½ ”, a pressão da caldeira caiu apenas pela metade. O fato é que com a diminuição da pressão, o ponto de ebulição da água também muda. Ou seja, a água começa a ferver sem aquecimento, apenas com a diminuição da pressão. Este efeito funcionará até que a temperatura da água caia para 100 ° C. Esta é uma boa notícia para nós. Isso significa que será possível dirigir por muito tempo mesmo com o queimador apagado.
Mas há também um efeito que não está totalmente claro para mim. Com a liberação ativa de vapor a uma pressão inferior a 5 bar, a água começa a sair. Presumi que ferve tão intensamente que, em sua agitação frenética, chega ao ponto secoe o vapor captado pelo riacho sai voando. Para o experimento, drenei um pouco da água, deixando o nível em 20%. O efeito decresceu, é claro, mas ainda permaneceu. A água salta 30-40cm na caldeira? Para ser honesto, ainda não descobri. Esse é o pequeno mistério.
De qualquer forma! A funcionalidade está pronta, é hora de montar nosso aparelho!
Estilo
Durante a construção de nossa motocicleta incomum, muitos "especialistas" me aconselharam a fazer um sistema fechado de água. Ou seja, para que o vapor não saia do motor para a rua, mas entre no condensador (refrigerador) e a água resultante é bombeada de volta para a caldeira por meio de uma pequena bomba. Esta é uma ideia muito boa, eu mesmo tenho pensado nisso o tempo todo. Mas o objetivo do nosso projeto não é viajar pelo mundo na madeira, mas considerar a tecnologia do século retrasado, superar o desafio da engenharia e desfrutar do trabalho de uma verdadeira máquina a vapor. Bem, o que é uma máquina a vapor sem este lendário "chug-chug". Além disso, gostaria de observar a fuga de vapor, pois dirá muito sobre os modos que ocorrem dentro do motor. Por fim, só acho muito bonito quando há baforadas de vapor da locomotiva, principalmente se forem iluminadas pelo sol. Romance de locomotiva a vaporpor assim dizer. Mas, apesar de tudo isso, pela imagem, resolvi fazer um capacitor, para que fosse visto pelos nossos modos, e apenas pelo estilo.
A maioria dos vários produtos caseiros são no estilo "Mad Max" ou "Mundo pós-apocalíptico". Sim, essa é a maneira mais fácil. Você realmente não precisa fazer nada. Pedaços de ferro enferrujados, chaves soldadas, alguns trapos pendurados e o estilo está pronto. Mas essa simplicidade, ou por assim dizer "estilo preguiçoso" em nosso mundo é muito. Eu queria fazer algo pequeno, fofo e lindo. Faça "doces", por assim dizer. E uma vez que temos tecnologia de vapor ancestral, Steampunk se sugere .
Steampunk é um mundo fictício. Do jeito que seria se a humanidade não tivesse inventado a eletricidade, motores de combustão interna e outras tecnologias e apenas a energia do vapor existisse.
Claro que não sou designer, mas na hora de montar uma motocicleta algumas coisas ainda me vinham à cabeça.
Teste de motocicleta a vapor
Os testes de "garagem" da motocicleta a vapor totalmente acabada, equipada com um design clássico de caldeira, correram surpreendentemente bem. Enquanto eu estava construindo, nos comentários aos vídeos, as pessoas recomendaram muitas coisas corretas e inteligentes. Ao longo do caminho, usei alguns deles e no final eles se mostraram ótimos. Então, por exemplo, quando o motor é aquecido com vapor, muita água se condensa nele, o que bloqueia o pistão e pode levar a um martelo de aríete. As pessoas sugeriram fazer um pequeno furo roscado com o qual seria possível liberar o vapor e drenar a água condensada, aquecendo-a rapidamente. Então, afogue-o com uma engrenagem e vá com calma imediatamente.
Surpreendentemente, a primeira tentativa de andar com uma motocicleta totalmente acabada ocorreu sem problemas. Como diz o ditado: "Sentei-me e fui." Tendo dirigido um pouco na frente da garagem, percebi que isso não é suficiente para mim e quero mais. Claro que, para medir todos os parâmetros, ver os pontos fracos, sentir e compreender este aparelho, é necessária uma trilha reta, vazia e sem fim. Portanto, tive que levar a moto para fora da cidade e lidar com tudo isso com calma.
Sobre os testes:
No geral, estou muito satisfeito com os resultados. Eles até superaram minhas expectativas. Vendo como motocicletas a vapor semelhantes circulam por todo o mundo, nosso bebê está longe de ser o último.
Conclusão
Quando pensei em construir essa motocicleta a vapor, pensei assim: Eu vou fazer, de alguma forma ela vai passar e, satisfazendo todos os meus interesses de engenharia, vou colocá-la em casa em frente ao sofá como elemento estético, para sempre. Mas não! Agora, ao contrário, isso me assombra. Quero estudá-lo, modernizar, refazer e bater seus próprios recordes, quero determinar seu máximo, entender tudo que ele é capaz! Claro, dentro da estrutura deste conceito.
A primeira coisa a fazer é refazer o sistema de comutação a vapor para o clássico. Eu me perguntei qual seria a diferença. E ainda, durante os testes subsequentes, você precisará "brincar" com as configurações. Alcance a velocidade máxima escolhendo o avanço mais correto da entrada de vapor. Além disso, quero experimentar diferentes tipos de combustível.
Aparentemente, uma grande atualização está chegando. Então, se nossa "locomotiva" fosse se aposentar e sentar em algum lugar do museu, eu o desapontarei muito! Ele ainda tem um futuro longo, difícil, mas muito interessante pela frente!
Saiba mais sobre a criação e teste nos materiais de vídeo:
Steam energy surrendered!
Ótima ideia ou fiasco? Lidamos com uma caldeira de fluxo direto
Criação de apito de locomotiva, montagem do aparelho
Testes de motocicleta a vapor