Каждому человеку приходилось наблюдать кипение воды в кастрюле на плите или в котелке на костре.
Как сначала холодная, спокойная и тихая, вода превращается в шумящую, бурлящую, брызжущую среду, в которой заметно интенсивное движение? Почему движется кипящая вода и как это движение можно использовать?
Суть эксперимента
Проведем такой опыт: возьмем наполненную водой цилиндрическую емкость, ось которой располагается горизонтально. Разделим ее условными горизонтальной и вертикальной плоскостями, пересекающимися в центре, на четыре равных сектора и будем с помощью огня нагревать. Но не всю поверхность, как это делается обычно, а только поверхность одного сектора. Что произойдет?
С достижением температуры кипения на внутренней поверхности емкости в нагреваемом секторе образуются пузырьки пара. Так как плотность пара гораздо меньше плотности воды, то на пузырьки пара начинает действовать выталкивающая сила F, направленная вертикально вверх. Пузырьки пара, поднимаясь вверх, будут увлекать в том же направлении области воды, которые находятся у них на пути. На место пузырьков пара и окружающих их областей воды, которые поднялись вверх с внутренней поверхности емкости в секторе, поступает вода из соседнего сектора. Убывшую воду, под действием силы тяжести Р, замещает вода следующего сектора, уровень в котором понижается. В это время пузырьки пара с окружающими их областями воды, поднимающиеся из первого сектора, достигают самого верха второго сектора, уровень в котором превышает уровень третьего сектора, и перемещаются в последний. И вновь на внутренней поверхности емкости в первом секторе образуются пузырьки пара. Процесс повторяется. Так происходит кипение воды внутри емкости и вследствие этого кипения – круговое движение кипящей воды.
Все это соответствует схеме действия теплового двигателя: «нагреватель – рабочее тело – охладитель». Рабочим телом в данном случае является кипящая вода, но это может быть и другая жидкость. Действующей является выталкивающая сила, которая действует на пузырьки пара. Движущаяся внутри емкости вода обладает кинетической энергией, которую можно использовать для совершения механической работы. Действительно, если мы теперь поместим внутрь емкости колесо с лопастями, оно тоже будет вращаться (двигаться). Нам остается только передать это движение определенному исполнительному механизму, который будет совершать для нас определенную работу, как это делает любой двигатель.
Широкие возможности
В Северной России источником теплоснабжения для обогрева помещений служат котельные, в которых в результате сжигания топлива происходит нагрев воды, а она переносит тепло от котельной к потребителям. Характерной чертой котельной установки является циркуляция (движение) теплоносителя (воды) в замкнутом контуре котла, а всякое движущееся тело обладает кинетической энергией, которая зависит от массы тела и скорости его движения. Зная, что объем воды в контуре циркуляции некоторых котельных достигает 20 и более кубометров, можно судить о величине их кинетической энергии. Из определения кинетической энергии известно, что это – способность тела совершать механическую работу. И эта способность в данном случае не реализуется.
Имея в виду величину кинетической энергии одной котельной и количество таких котельных в России, можно судить о величине той энергии, которая в настоящее время не используется. А ведь ее не надо искать, добывать или создавать – она уже есть, и нужен только механизм, который преобразует ее в механическую работу и далее, например, в электрическую энергию. Предлагаемый двигатель может решить эту задачу.
Принцип действия
Двигатель кипения с ковшовым рабочим колесом состоит из корпуса – барабана цилиндрической формы, ось которого располагается горизонтально. Основания цилиндра образуют стенки, одна из которых съемная. В центре внутренней части каждой стенки установлен подшипник. ДКК поделен условными вертикальной и горизонтальной плоскостями, пересекающимися в центральной части барабана, на 4 сектора, имеющие свои конструктивные особенности. В этих секторах создаются соответствующие условия для работы двигателя. В первом секторе, снаружи барабана, изготовлен кипятильник из системы труб, который получает тепло от обогревателя. В третьем секторе, снаружи, находится паросборник, имеющий больший объем по сравнению с другими секторами. В секторе, снаружи барабана, по касательной к внутренней поверхности, устроен нагнетательный патрубок и питатель кипятильника.
Кипятильник и первый и второй секторы барабана составляют подъемную часть двигателя. Третий и четвертый секторы, нагнетательный патрубок и питатель кипятильника – это опускная часть двигателя.
Внутри барабана располагается рабочее колесо. На валу рабочего колеса, концы которого опираются на подшипники, находятся лопасти, герметичная кольцевая емкость, зубчатое колесо. Исполнительный механизм (электрогенератор) находится снаружи барабана рядом с паросборником. Экономайзер располагается после кипятильника по ходу топочных газов.
В рабочем состоянии барабан заполнен горячей водой. За счет подвода тепла от обогревателя к кипятильнику и барабану на его внутренней поверхности в первом секторе образуются пузырьки пара, на которые действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх. Под действием этой силы пузырьки пара начинают подниматься вверх и увлекают в том же направлении области воды, которые находятся у них на пути. На место пузырьков пара и воды, которые поднялись с внутренней поверхности барабана первого сектора в верхнюю часть второго сектора, поступают новые порции воды из соседней, «не кипящей» части барабана, из четвертого сектора. И вновь в первом секторе образуются пузырьки пара, процесс повторяется.
Из-за постоянного подъема пузырьков пара вместе с водой наверх во втором секторе образуется превышение уровня относительно уровня третьего сектора, поэтому вода будет перемещаться из второго в третий сектор. Таким образом, внутри барабана ДКК происходит круговое движение воды, которое воспринимает рабочее колесо посредством лопастей и при помощи зубчатого колеса передает это движение исполнительному механизму (электрогенератору).
С началом кипения вода в первом и втором секторах перестает быть однородной, превращаясь в пароводяную смесь, у которой за счет пузырьков пара увеличивается объем. Паросборник предназначен для приема увеличившейся в объеме пароводяной смеси. Здесь прекращается кипение. Вода принимает первоначальное состояние.
Так как внутри барабана происходит вращательное движение воды, то на нее действует центробежная сила. А значит, устройство может работать как центробежный насос. Для этого в четвертом секторе по касательной к образующей внутренней поверхности барабана сделано отверстие в нагнетательный патрубок. По этому патрубку вода подается потребителям, а также через питатель на кипятильник.
Экономайзер использует отходящее тепло после кипятильника для подогрева обратной воды.
На валу рабочего колеса имеется герметичная кольцевая емкость, заполненная воздухом для создания выталкивающей силы, которая, уравновешивая силу тяжести рабочего колеса, уменьшает трение в подшипниках. Подшипники погружены в воду, которая является для них смазкой.
Готовность к применению
Для выявления точных характеристик и свойств двигателя кипения, а также для выбора конкретных вариантов конструкции, определения оптимальных режимов работы и схем компоновки требуется проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
КПД двигателя кипения из за невысоких начальных параметров рабочего тела меньше, чем у других типов тепловых двигателей. Но в условиях возрастающего дефицита энергии, удорожания топлива не стоит пренебрегать даже малой прибавкой, которая в масштабах России может оказаться значительной.
