Двигатель на жидком азоте: Экологически чистый криогенный двигатель разрабатывают в России

Содержание

Как работает двигатель на жидком азоте

Содержание

  1. Транспортные средства на жидком азоте
  2. Содержание
  3. Преимущества
  4. Недостатки
  5. Высокие материальные затраты
  6. Низкая энергоплотность жидкого азота
  7. Образование жидкого кислорода
  8. Требования к герметичности
  9. Обмерзание
  10. См. также
  11. Литература
  12. Ссылки
  13. Как работает двигатель на жидком азоте
  14. Содержание
  15. Описание
  16. Цикл Карно
  17. Танки
  18. Транспортные средства на жидком азоте
  19. Выход выбросов
  20. Преимущества
  21. Недостатки
  22. Критика
  23. Себестоимость продукции
  24. Плотность энергии жидкого азота
  25. Образование инея
  26. Безопасность
  27. Содержание
  28. Описание
  29. Цикл Карно
  30. Танки
  31. Транспортные средства на жидком азоте
  32. Выход выбросов
  33. Преимущества
  34. Недостатки
  35. Критика
  36. Себестоимость продукции
  37. Плотность энергии жидкого азота
  38. Образование инея
  39. Безопасность
  40. Видео

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортные средства на жидком азоте получают энергию от жидкого азота, запасённого в специальных баках. Обычно азотный двигатель работает следующим образом: жидкий азот подогревается в теплообменнике, получая тепло от окружающего воздуха, затем испарившийся азот, преобразованный в газ высокого давления, поступает в двигатель, где, воздействуя на поршень или на ротор двигателя, передаёт ему энергию. Транспортные средства на жидком азоте демонстрировались на публике, однако не получили коммерческого применения. Одним из таких транспортных средств являлся автомобиль, продемонстрированный англо-американской фирмой «Жидкий воздух» в 1902 году. По заявлению фирмы разработчика, этот автомобиль был способен проехать сотни километров на одной заправке.

Энергия жидкого азота может быть использована также в гибридных системах, в частности, в электромобилях. Кроме того, системы рекуперативного торможения также могут быть использованы в связке с системами, работающими на жидком азоте.

Содержание

Преимущества

Автомобили на жидком азоте сравнимы по многим параметрам с электромобилями. Их преимущества по сравнению с другими видами автомобилей следующие:

Высокие материальные затраты

Производство жидкого азота — это энергозатратный процесс, что приводит к высокой стоимости жидкого азота. [ уточнить ]

Низкая энергоплотность жидкого азота

Любой продукт, полученный в результате процесса фазового перехода вещества, будет в конечном итоге иметь более низкую плотность энергии, чем продукт, полученный в результате процесса, основанного на химических реакциях. В свою очередь, продукты, полученные в результате химических реакций, имеют энергетическую плотность ниже, чем у веществ, испытывающих ядерные превращения. Поэтому жидкий азот как энергоноситель имеет низкую плотность энергии. Жидкое углеводородное топливо в сравнении с жидким азотом имеет высокую плотность энергии. Это важный аспект, потому высокая плотность энергии делает распределение, транспортировку и хранение топлива более удобным. В свою очередь, удобство — это важный фактор для потребительских качеств товара. Удобство хранения нефтепродуктов в сочетании с их низкой стоимостью делает их непревзойдёнными видами топлив по потребительским качествам. Кроме того, бензин и дизельное топливо являются первичными источниками энергии, для которых не требуются вещества-посредники для запасания и транспортировки энергии.

Образование жидкого кислорода

Поскольку жидкий азот N2 имеет температуру менее 90.2K, то из атмосферного воздуха может конденсироваться кислород. Капли жидкого кислорода могут попадать на различные окружающие предметы. В свою очередь, жидкий кислород способен спонтанно и довольно бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая такие нефтепродукты как асфальт.

Требования к герметичности

Пролитая криогенная жидкость может представлять опасность. В частности, попадание жидкого азота на поверхность человеческого тела может приводить к обморожениям. Жидкий азот в контакте с некоторыми материалами делает их чрезвычайно хрупкими.

Обмерзание

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, криогенные системы, работающие, в частности, на жидком азоте, требуют наличия теплообменников для нагревания и охлаждения рабочей жидкости. Влага из окружающего воздуха может намерзать на деталях и узлах теплообменников, что затрудняет течение тепловых потоков. Предотвращение обмерзания требует решения соответствующих инженерных задач и установки дополнительного оборудования. Это приводит к увеличению массы транспортного средства, повышению сложности конструкции, к снижению КПД и увеличению стоимости.

См. также

Литература

Ссылки

Что такое wiki2.info Вики является главным информационным ресурсом в интернете. Она открыта для любого пользователя. Вики это библиотека, которая является общественной и многоязычной.

Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License.

Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. wiki2.info является независимой компанией и не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).

Источник

Как работает двигатель на жидком азоте


ДВИГАТЕЛИ НА АЗОТНОМ ТОПЛИВЕ

Вадим Георгиевич НЕКРАСОВ, доцент кафедры автомобильного транспорта Акгюбинского университета, к. т.н.,
Андрей Фадеевич МАКАРОВ, с.н.с. НЦ ВостНИИ, г. Кемерово,
Александр Александрович ЗЛЫДЕННЫЙ, директор машиностроительного завода «Алькор», Алма-Ата, Казахстан,
Ахмет Жакиевич МУРЗАГАЛИЕВ, декан Технического факультета Актюбинского университета, к.т.н.

Тенденция роста стоимости жидких углеводородов и перспектива сокращения объемов добычи нефти являются причинами поиска альтернативных топлив. Особо остро стоит вопрос о замене моторных видов топлива. Производимые в настоящее время альтернативные виды топлива, такие как биоэтанол и биодизель, не могут решить проблемы, так как их производство приводит к конфликту «топливо или продовольствие». Кроме того, производство биотоплива имеет ограниченные возможности на уровне 7…10 % объема потребляемого в настоящее время углеводородного топлива. Другие виды альтернативных топлив, такие как синтетические жидкие топлива, производимые из угля, природного газа имеют ограниченные возможности по условиям стоимости и невозобновляемости сырья. Известны попытки использования в качестве моторного топлива продуктов химического производства, например, метилового спирта (СН3ОН) или диметилового эфира (С2Н6О).

В ракетно-космической технике в качестве топлива используют синтетические энергоносители бинарного типа. Применение в наземной технике общего назначения таких топлив невозможно ввиду токсичности, пожаро- и взрывоопасности этих веществ. Еще меньше перспектив для использования в наземной технике имеют твердые виды унитарного топлива, содержащие в своем составе как горючий компонент, так и окислитель. Как правило, твердотопливные двигатели являются одноразовыми.

Учитывая положительные особенности синтетических топлив и их недостатки, была поставлена задача найти такое унитарное топливо, которое удовлетворяет ряду требований и обеспечивает возможность его использования в наземной технике массового применения. Указанные требования включают безопасность, технологичность, совместимость с конструкционными материалами, наличие освоенных технологий производства, доступность и возобновляемость сырья, низкую стоимость конечного продукта, используемого в качестве топлива.

Один килограмм сбалансированной по составу смеси в результате реакции образует 900 л парогаза (смеси водяных паров, азота и углекислого газа), кроме этого выделяется 850 ккал тепловой энергии, повышающей температуру. По энерговыделению отмеченная композиция веществ близка к пироксилиновому пороху и может быть названа «азотным топливом». Азот выделяется в молекулярном виде.

Поршневые двигатели на азотном топливе

Для использования азотного топлива в существующих ДВС необходима их модернизация, так как имеются некоторые особенности. Так, азотное топливо при определенном соотношении компонентов может использоваться без потребления атмосферного воздуха. В этом случае режим работы ДВС реализуем в двухтактном цикле.

Расчеты показывают, что наибольшая термическая эффективность достигается, если в составе топлива будет некоторый избыток горючей составляющей, а недостающий окислитель будет получен в виде предварительно сжатого воздуха. Этот режим можно реализовать в типовом двухтактном цикле с продувкой цилиндра воздухом.

Винтовые ступенчатые двигатели

Особенности азотного топлива позволяют рассматривать перспективные схемы двигателей, в которых реализуются циклы, обладающие рядом преимуществ по сравнению с известными для современных ДВС. Как отмечалось выше, азотное топливо при сбалансированном составе горючего и окислителя не требует использования атмосферного воздуха, а процесс можно вести при температуре не более 500…700 °C. Это дает основание рассматривать возможность применения поточных процессов в двигателях объемного типа.

Винтовой элемент с цилиндрическими роторами обеспечивает степень сжатия/расширения около 2,5. Для получения суммарной степени расширения на уровне 16 требуются три ступени расширения.

Винтовые двигатели глубокого расширения

Винтовой двигатель объемного типа с поточным процессом глубокого расширения реализуется при использовании конических роторов с винтовой нарезкой. В такой расширительной машине за один проход газов обеспечивается степень расширения 18. 20, что характерно для дизельного двигателя.

Расчеты показывают, что мощность 10 кВт при частоте вращения вала 2000 мин-1 может быть получена при большом диаметре ротора 100 мм и его длине 230 мм. Мощность 100 кВт можно получить при той же частоте вращения, диаметре ротора 200 мм и длине 500 мм. Термический к.п.д. в таких двигателях ожидается на уровне 60 %, т.е. близок к поршневым вариантам. В настоящее время разработана технология изготовления сложных пространственных элементов, необходимых для такого двигателя.

Второй вариант ротационного двигателя назван «роторно-волновым». В таком двигателе корпус выполнен коническим с имеющимися винтовыми каналами на внутренней стороне. Ротор также имеет винтовую форму. Кроме того, он помимо вращения совершает движения по образующей конуса.

В результате такого сложного движения винтовые выступы на роторе отсекают объемы газа, которые сдвигаются от центральной узкой части корпуса к периферийной, расширяясь и за счет давления газов создавая вращательный момент на роторе.
Изготовление волнового двигателя требует разработки технологии формирования сложных поверхностей корпуса и ротора.
Таким образом, возможности организации процесса на азотном топливе при высоком давлении, но при умеренной температуре газа открывают перспективу создания нового типа двигателя.

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]

Источник

А жидкий азот питается от жидкий азот, который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции двигателей с азотом работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменник, отводя тепло из окружающего воздуха и используя полученный сжатый газ для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один такой автомобиль, Жидкий воздух был продемонстрирован в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторная электрическая силовая установка и топливные баки для подзарядки аккумуляторов. Такая система называется гибридной жидко-азотно-электрической двигательной установкой. Дополнительно, рекуперативное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

Одним из преимуществ транспортного средства на жидком азоте является то, что выхлопной газ представляет собой просто азот, компонент воздуха, поэтому он не производит локализованных загрязнение воздуха в выхлопных газах. Это не делает его полностью свободным от загрязнения, поскольку энергия требовалась в первую очередь для сжижения азота, но этот процесс сжижения может быть удален от работы транспортного средства и, в принципе, может осуществляться от источника Возобновляемая энергия или чистая энергия источник.

Содержание

Описание

Жидкий азот образуется криогенный или наоборот двигатель Стирлинга [1] [2] [3] охладители, разжижающие основной компонент воздуха, азот (N2). Кулер может работать от электричества или от прямого механического привода. гидро илиВетряные турбины. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированные контейнеры. Изоляция снижает поток тепла в хранящийся азот; это необходимо, потому что тепло окружающей среды приводит к кипению жидкости, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение поступающего тепла снижает потери жидкого азота при хранении. Требования к хранению не позволяют использовать трубопроводы в качестве транспортных средств. Поскольку магистральные трубопроводы были бы дорогостоящими из-за требований к изоляции, было бы дорого использовать удаленные источники энергии для производства жидкого азота. Запасы нефти обычно находятся на большом расстоянии от места потребления, но могут передаваться при температуре окружающей среды.

в Dearman Engine азот нагревается путем объединения его с теплоносителем внутри цилиндра двигателя. [4] [5]

В 2008 году Патентное бюро США выдало патент на газотурбинный двигатель, работающий на жидком азоте. [6] Турбина мгновенно расширяет жидкий азот, который распыляется в секцию высокого давления турбины, и расширяющийся газ объединяется с поступающим сжатым воздухом для создания высокоскоростного потока газа, который выбрасывается из задней части турбины. Полученный газовый поток можно использовать для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрогенераторов мощностью более 1 кВт, [7] однако возможна более высокая производительность.

Цикл Карно

Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, и эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, может быть рассчитана из законы термодинамики с помощью Эффективность Карно уравнение, применимое ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосуд под давлением, такие как ISO 11439. [8]

Резервуар для хранения может быть выполнен из:

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно дороже. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии. Жидкий азот, LN2, обычно транспортируется в изотермических цистернах объемом до 50 литров при атмосферном давлении. Эти резервуары, не находящиеся под давлением, не подлежат проверке. В очень больших резервуарах для LN2 иногда создается давление ниже 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы облегчить перекачку жидкости в точке использования.

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортное средство, приводимое в движение жидким азотом, Жидкий воздух, был продемонстрирован в 1902 году.

В июне 2016 года в Лондоне, Великобритания, начнутся испытания парка транспортных средств для доставки еды в супермаркете J. Sainsbury: с использованием азотного двигателя Dearman для обеспечения мощности для охлаждения пищевых грузов, когда транспортное средство неподвижно и главный двигатель выключен. В настоящее время грузовые автомобили в основном имеют вторые меньшие дизельные двигатели для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе. [9]

Выход выбросов

Подобно другим технологиям хранения энергии, не связанным с сжиганием, транспортное средство с жидким азотом перемещает источник выбросов из выхлопной трубы транспортного средства в центральную электростанцию. При наличии источников, свободных от выбросов, чистое производство загрязняющих веществ может быть уменьшено. Меры по контролю за выбросами на центральной электростанции могут быть более эффективными и менее дорогостоящими, чем обработка выбросов широко разбросанных транспортных средств.

Преимущества

Транспортные средства на жидком азоте во многом сопоставимы с электрические транспортные средства, но используйте жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

Недостатки

Жидкий азот недоступен на общественных заправочных станциях; Однако у большинства поставщиков сварочного газа имеются системы распределения, а жидкий азот является побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Критика

Себестоимость продукции

Плотность энергии жидкого азота

Для того чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище объемом 350 литров (92 галлона США). [11] Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным 50-литровым (13 галлонами США) бензиновым баком. Добавление более сложных энергетических циклов снизит это требование и поможет обеспечить работу без замерзания. Однако коммерчески практических примеров использования жидкого азота для приведения в движение транспортных средств не существует.

Образование инея

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, использование криогенного рабочего тела требует теплообменников для нагрева и охлаждения рабочего тела. Во влажной среде образование инея препятствует тепловому потоку и, таким образом, представляет собой техническую проблему. Чтобы предотвратить образование инея, можно использовать несколько рабочих жидкостей. Это добавляет циклы доливки, чтобы теплообменник не опускался ниже точки замерзания. Для обеспечения работы без замораживания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы. [11]

Безопасность

Криогенные жидкости опасны при проливании. Жидкий азот может вызвать обморожение и может сделать некоторые материалы чрезвычайно хрупкими.

Поскольку жидкий N2 холоднее 90,2К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может самопроизвольно и бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая нефтепродукты, такие как асфальт. [12]

Поскольку жидкость в газ степень расширения этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в 2006 г. Техасский университет A&M, устройства сброса давления бака с жидким азотом закрывались латунными пробками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался. [13]

Источник

А жидкий азот питается от жидкий азот, который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции двигателей с азотом работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменник, отводя тепло из окружающего воздуха и используя полученный сжатый газ для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один такой автомобиль, Жидкий воздух был продемонстрирован в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторная электрическая силовая установка и топливные баки для подзарядки аккумуляторов. Такая система называется гибридной жидко-азотно-электрической двигательной установкой. Дополнительно, рекуперативное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

Одним из преимуществ транспортного средства на жидком азоте является то, что выхлопной газ представляет собой просто азот, компонент воздуха, поэтому он не производит локализованных загрязнение воздуха в выхлопных газах. Это не делает его полностью свободным от загрязнения, поскольку энергия требовалась в первую очередь для сжижения азота, но этот процесс сжижения может быть удален от работы транспортного средства и, в принципе, может осуществляться от источника Возобновляемая энергия или чистая энергия источник.

Содержание

Описание

Жидкий азот образуется криогенный или наоборот двигатель Стирлинга [1] [2] [3] охладители, разжижающие основной компонент воздуха, азот (N2). Кулер может работать от электричества или от прямого механического привода. гидро илиВетряные турбины. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированные контейнеры. Изоляция снижает поток тепла в хранящийся азот; это необходимо, потому что тепло окружающей среды приводит к кипению жидкости, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение поступающего тепла снижает потери жидкого азота при хранении. Требования к хранению не позволяют использовать трубопроводы в качестве транспортных средств. Поскольку магистральные трубопроводы были бы дорогостоящими из-за требований к изоляции, было бы дорого использовать удаленные источники энергии для производства жидкого азота. Запасы нефти обычно находятся на большом расстоянии от места потребления, но могут передаваться при температуре окружающей среды.

в Dearman Engine азот нагревается путем объединения его с теплоносителем внутри цилиндра двигателя. [4] [5]

В 2008 году Патентное бюро США выдало патент на газотурбинный двигатель, работающий на жидком азоте. [6] Турбина мгновенно расширяет жидкий азот, который распыляется в секцию высокого давления турбины, и расширяющийся газ объединяется с поступающим сжатым воздухом для создания высокоскоростного потока газа, который выбрасывается из задней части турбины. Полученный газовый поток можно использовать для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрогенераторов мощностью более 1 кВт, [7] однако возможна более высокая производительность.

Цикл Карно

Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, и эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, может быть рассчитана из законы термодинамики с помощью Эффективность Карно уравнение, применимое ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосуд под давлением, такие как ISO 11439. [8]

Резервуар для хранения может быть выполнен из:

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно дороже. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии. Жидкий азот, LN2, обычно транспортируется в изотермических цистернах объемом до 50 литров при атмосферном давлении. Эти резервуары, не находящиеся под давлением, не подлежат проверке. В очень больших резервуарах для LN2 иногда создается давление ниже 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы облегчить перекачку жидкости в точке использования.

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортное средство, приводимое в движение жидким азотом, Жидкий воздух, был продемонстрирован в 1902 году.

В июне 2016 года в Лондоне, Великобритания, начнутся испытания парка транспортных средств для доставки еды в супермаркете J. Sainsbury: с использованием азотного двигателя Dearman для обеспечения мощности для охлаждения пищевых грузов, когда транспортное средство неподвижно и главный двигатель выключен. В настоящее время грузовые автомобили в основном имеют вторые меньшие дизельные двигатели для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе. [9]

Выход выбросов

Подобно другим технологиям хранения энергии, не связанным с сжиганием, транспортное средство с жидким азотом перемещает источник выбросов из выхлопной трубы транспортного средства в центральную электростанцию. При наличии источников, свободных от выбросов, чистое производство загрязняющих веществ может быть уменьшено. Меры по контролю за выбросами на центральной электростанции могут быть более эффективными и менее дорогостоящими, чем обработка выбросов широко разбросанных транспортных средств.

Преимущества

Транспортные средства на жидком азоте во многом сопоставимы с электрические транспортные средства, но используйте жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

Недостатки

Жидкий азот недоступен на общественных заправочных станциях; Однако у большинства поставщиков сварочного газа имеются системы распределения, а жидкий азот является побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Критика

Себестоимость продукции

Плотность энергии жидкого азота

Для того чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище объемом 350 литров (92 галлона США). [11] Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным 50-литровым (13 галлонами США) бензиновым баком. Добавление более сложных энергетических циклов снизит это требование и поможет обеспечить работу без замерзания. Однако коммерчески практических примеров использования жидкого азота для приведения в движение транспортных средств не существует.

Образование инея

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, использование криогенного рабочего тела требует теплообменников для нагрева и охлаждения рабочего тела. Во влажной среде образование инея препятствует тепловому потоку и, таким образом, представляет собой техническую проблему. Чтобы предотвратить образование инея, можно использовать несколько рабочих жидкостей. Это добавляет циклы доливки, чтобы теплообменник не опускался ниже точки замерзания. Для обеспечения работы без замораживания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы. [11]

Безопасность

Криогенные жидкости опасны при проливании. Жидкий азот может вызвать обморожение и может сделать некоторые материалы чрезвычайно хрупкими.

Поскольку жидкий N2 холоднее 90,2К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может самопроизвольно и бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая нефтепродукты, такие как асфальт. [12]

Поскольку жидкость в газ степень расширения этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в 2006 г. Техасский университет A&M, устройства сброса давления бака с жидким азотом закрывались латунными пробками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался. [13]

Источник

Видео

Что если ЗАЛИТЬ ЖИДКИЙ АЗОТ в ДВИГАТЕЛЬ?

ЧТО ЕСЛИ СУНУТЬ РАСКАЛЕННЫЙ КИПЯТИЛЬНИК в ЖИДКИЙ АЗОТ..?! РАЗНИЦА ТЕМПЕРАТУР в ДЕЙСТВИИ…

Отмораживаем AMD FX жидким азотом.

Разгоняем FX на жидком азоте

Что будет если ОБЛИТЬ ЖИДКИМ АЗОТОМ ДВИГАТЕЛЬ

Жидкий азот VS Живая рыба Liquid nitrogen VS Live fish

ЗАКИСЬ АЗОТА в ЖИГУ — ОНА ПОЕХАЛА!!!

СВЕРХПРОВОДНИК И КВАНТОВАЯ ЛЕВИТАЦИЯ!

Работа с жидким азотом

Закись азота | Science Garage На Русском

«Азотная» технология: ремонт без ошибок / Ремонт двигателей

На какие только ухищрения ни приходится идти, чтобы спасти, казалось бы, безнадежно поврежденную моторную деталь — и растачивать, и полировать, и фрезеровать. А еще — выпрессовывать и запрессовывать различные втулки и гильзы. Последнее, а именно то, какая технология запрессовки используется, нередко определяет успех всего дела. Напротив, ошибки на этой стадии ремонта, как правило, чреваты серьезными последствиями.

Это случилось несколько лет назад. Привезли на СТО «Мерседес» с неисправным двигателем. Мотор, естественно, сняли, разобрали и ужаснулись — в блоке цилиндров трещина, прямо по одному из цилиндров. Менять блок на новый? Никакого смысла — слишком дорого. «Бэушный» тоже не выход — подобные блоки все сплошь «без документов». Остается одно — ремонтировать.

Силами СТО такой ремонт не сделать — нет оборудования. Поэтому блок отвезли в специализированную мастерскую, где поврежденный цилиндр «загильзовали». То есть расточили и поставили ремонтную гильзу — нормальный и общепринятый способ ремонта. И ходить бы мотору и дальше «долго и счастливо», если бы через месяц после ремонта гильза не потекла: антифриз из-под головки блока начал просачиваться через гильзу в картер.

Двигатель пришлось разобрать и переделывать заново. Механики виновато оправдывались перед недовольным клиентом: они-то все сделали правильно, просто блок плохо отремонтировали. В мастерской блок «перегильзовали», естественно, бесплатно, но потери денег, времени и нервов у мотористов СТО от такого «ремонта» оказались весьма значительными.

В чем же была ошибка, если и гильза изготовлена аккуратно, и блок расточен точно, и натяг гильзы в блоке выдержан? Попробуем это выяснить, но вначале разберемся…

Зачем нужен натяг?

Итак, есть гильза, которую необходимо установить в отверстие корпуса. Очевидно, после установки гильза должна надежно держаться в отверстии, т.е. не болтаться, иначе в процессе работы гильза и поверхность отверстия будут быстро повреждены ударными нагрузками. Но главное — это герметичность и хороший тепловой контакт между гильзой и поверхностью отверстия. Последнее определяет тепловой режим работы самой гильзы и ответной детали, расположенной внутри гильзы (к примеру, поршня). Нарушение теплового контакта или, как еще говорят, большое термическое сопротивление на поверхности стыка гильзы и корпуса может привести к перегреву самой гильзы и, особенно, ответной ей внутренней детали с последующим ее повреждением (задиры, прогар, разрушение). Исключить эти нежелательные последствия удается, если гильзу поставить в отверстие корпуса с натягом.

Натяг — это, как известно, разница между наружным диаметром гильзы и диаметром отверстия. То есть гильза больше, чем отверстие. При этом важны два обстоятельства — величина натяга и способ установки гильзы в отверстие меньшего размера, чтобы удовлетворить требованиям герметичности и низкого термического сопротивления.

Как выбрать натяг?

Величина натяга — это не просто разница в диаметрах. Ее значение сильно различается в зависимости от диаметра, длины, толщины, условий работы и материалов деталей. Вот только несколько примеров.

Длинная (около 150 мм) гильза из чугуна устанавливается в чугунный блок цилиндров. Условия работы довольно «мягкие» — трение колец и поршня о стенки. Оптимальная величина натяга 0,04-0,06 мм. Меньший натяг ухудшит теплопередачу от поршня в охлаждающую жидкость, больший — приведет к чрезмерной деформации соседних цилиндров. В то же время при установке такой же гильзы в алюминиевый блок надо учитывать разницу в коэффициентах температурного расширения материалов: величину натяга следует увеличить до 0,06-0,07 мм, чтобы гильза не ослабла при нагреве блока. Напротив, мягкую алюминиевую гильзу в такой блок можно поставить с натягом всего 0,02-0,03 мм без какой-либо опасности ослабления посадки.

Седло клапана имеет малую длину, но сильно нагревается и испытывает высокие ударные нагрузки при работе клапана. Из-за таких «жестких» условий работы натяг седла в отверстии головки блока должен быть не ниже 0,10-0,12 мм, хотя диаметр седла весьма невелик — в среднем 40-45 мм. В то же время для направляющих втулок клапанов и сталебронзовых втулок верхней головки шатуна (ВГШ) вполне достаточно натяга 0,03-0,05 мм. В первом случае надежная посадка при малом натяге обеспечена сравнительно большой длиной направляющей втулки, а во втором — однородностью материалов (сталь) шатуна и основы втулки.

Теперь, когда натяг выбран, обеспечен соответствующей мехобработкой деталей и подтвержден измерениями, попробуем запрессовать гильзу или втулку в отверстие корпуса. Сделать это можно разными способами.

Как запрессовывают гильзы?

Простейший, но наихудший, способ запрессовки — забить деталь в корпус кувалдой. Результат очевиден — придется гильзу выбивать обратно или вырезать и начинать все сначала. Почему?

Чтобы запрессовать тонкую гильзу с натягом в 0,05 мм, потребуется усилие в несколько сотен, а то и тысяч килограмм, что при ударном характере этого усилия скорее всего приведет к ее растрескиванию. Кроме того, при большом давлении на поверхность возможно появление задиров, резко увеличивающих усилие запрессовки и вызывающих потерю герметичности соединения.

Последнее особенно характерно для разнородных материалов — к примеру, твердой чугунной детали и мягкого алюминиевого корпуса. К тому же алюминиевый сплав имеет свойство не только легко «сдираться» гильзой, как резцом, но и уплотняться (нагартовываться), в результате чего от исходной величины натяга останется едва ли больше 0,02-0,03 мм. Ну а алюминиевую деталь в алюминиевый корпус вообще «не загнать» — детали намертво «схватятся» друг с другом, и будет разрушена не только гильза, но скорее всего, и корпус тоже.

От ударной запрессовки почти не отличается способ установки гильзы с помощью пресса (винтового или гидравлического). Разница лишь в том, что отсутствуют ударные нагрузки. Все остальные недостатки запрессовки «из-под кувалды» сохранятся.

Несмотря на очевидную вредность подобных способов запрессовки, они достаточно живучи — в некоторых мастерских все еще можно увидеть и кувалду, и пресс в действии. А потому не стоит удивляться, когда после такой «работы» текут гильзы цилиндров или выпадают седла клапанов.

Что же делать? Очевидно, необходимо резко снизить усилия при запрессовке. Речь, конечно, не идет об уменьшении натяга — он должен быть задан жестко. А вот увеличить зазор при запрессовке детали в корпус вполне возможно.

Создать такие условия при монтаже поможет известная способность материалов расширяться при нагреве и соответственно сжиматься при охлаждении. Охватывающую деталь (корпус) можно нагреть, а охватываемую (гильзу) охладить так, что натяг превратиться в зазор. Тогда поставить гильзу можно будет даже «от руки», без каких-либо усилий.

Действительно, простейший расчет показывает, что если чугунный блок цилиндров нагреть до 150°С, то диаметр гнезда под гильзу (100 мм) увеличится на 0,13 мм. Тогда при монтаже получаем зазор около 0,07 мм даже без охлаждения гильзы. В алюминиевом блоке зазор будет еще выше — около 0,2 мм, за счет большего коэффициента температурного расширения алюминиевого сплава. Теперь достаточно лишь точно и быстро (чтобы не произошло выравнивания температуры деталей!) установить гильзу в блок «от руки», не прикладывая при этом никаких дополнительных усилий.

Именно такая схема применяется сейчас в большинстве мастерских и техцентров, ремонтирующих и восстанавливающих моторные детали. Тем не менее данный способ, хотя и дает минимальный процент брака, не всегда удачен, и вот почему.

Для нагрева корпусной детали приходится применять большие электропечи. Без сомнения, это большие затраты электроэнергии, да и печь — оборудование не из дешевых. Ее необходимо устанавливать в отдельном помещении с хорошей вентиляцией, что тоже недешево, иначе работать там будет так же трудно, как сталевару у мартена. Кроме того, деталь нагревается в печи целиком до температуры намного выше рабочей, что может вызвать ее деформацию и потребовать последующую дополнительную обработку некоторых поверхностей (плоскости, постели подшипников).

Но это, так сказать, вопросы финансово-организационного характера, которые можно решить один раз и больше к ним не возвращаться. А вот некоторые технические проблемы при таком способе запрессовки не решить.

Допустим, на цилиндре в средней его части имеется трещина. После расточки гнезда и установки гильзы трещина перекроется гильзой. Только будет ли отремонтированный блок герметичен? Совсем не обязательно — натяг невелик, поверхности сопряжения не идеальны.

Конечно, можно нанести на поверхность перед сборкой герметик, который заполнил бы микронеровности, особенно, вокруг трещины, и не дал бы затем охлаждающей жидкости найти себе путь из рубашки охлаждения в камеру сгорания или картер. Только вот беда: на нагретом блоке герметик немедленно полимеризуется. Если же наносить герметик на гильзу, то при ее установке он легко задерживается ступенькой в верхней части гнезда, не обеспечивая необходимого уплотнения трещины. В результате резко возрастает опасность потери герметичности.

Получается, выхода нет? Почему же, есть, причем намного проще, чем кажется на первый взгляд.

Не в жар, а в холод!

А зачем, собственно говоря, нагревать именно блок? Давайте охладим гильзу. Тогда и печь не понадобиться, и помещения отдельного не нужно, и электроэнергию можно сэкономить.

А чем охлаждать? Тоже не проблема: есть такой газ, которого в атмосфере больше всего, азот. При охлаждении азота до температуры -186oС он превращается в жидкость, абсолютно прозрачную и бесцветную. Только хранить жидкий азот надо в большом термосе — сосуде Дюара, иначе он быстро испарится.

Многие производства и медицинские учреждения используют жидкий азот в своих технологических процессах, поэтому приобрести его не cложно. Кроме того, это экологически чистый газ, не требующий каких-либо специальных мер или средств защиты, за исключением, пожалуй, перчаток, чтобы не «обжечь» холодом руки.

Именно на использовании жидкого азота и построены все технологии запрессовки деталей в Cпециализированном моторном центре. Суть процесса предельно проста. В пластиковое «корыто» нужного размера помещаем гильзы (седла, втулки) и заливаем их на 2/3 азотом. После того, как кипение азота прекратится (это значит, что детали «приняли» температуру жидкости), вытаскиваем их из жидкости и легко устанавливаем в гнездо блока. Причем гораздо легче, чем после нагрева блока (получить такой же зазор можно только при нагреве блока до 220°С, опасном температурными деформациями).

Также легко решается проблема герметичности гильзы: на гнездо в блоке снизу и сверху перед установкой гильзы наносится специальный жидкий герметик. Теперь герметичность гарантирована — зазор при установке большой, гильза не потащит герметик за собой, а полимеризация наступит не раньше принятия гильзой температуры блока. Это подтверждено испытаниями блоков на герметичность — случаи течи гильз при использовании данной технологии в настоящее время не известны.

Немалые преимущества «азотная» технология дает и при ремонте головок блока цилиндров. Чтобы убедиться в этом, достаточно посчитать, насколько надо нагреть алюминиевую головку, чтобы чугунное седло диаметром 40 мм, имеющее натяг в гнезде 0,12 мм, «провалилось» в гнездо свободно. Ответ обескураживает: до 240oС! Если же седло охлаждается в жидком азоте, то головку блока достаточно нагреть всего до 100oС. Для такого нагрева специальной мощной электропечи уже не потребуется.

С помощью азота можно легко выполнить и другие работы — запрессовать направляющие втулки клапанов или втулки ВГШ. Отметим при этом, что жидкий азот относительно дешев — намного дешевле, чем электричество для разогрева деталей в электропечи.

Крутая тачка, часть третья

Крутая тачка, часть третья

Почему
Автомобили с жидким азотом лучше, чем электромобили

Пока же электромобили, работающие от свинцово-кислотных аккумуляторов, являются единственными
относительно доступные и легкодоступные автомобили с нулевым уровнем выбросов на
рынок. Несмотря на то, что они считаются самыми экологически чистыми.
альтернатива дыму, бензиновые автомобили, электромобили предлагают
хронически плохая работа и создают проблемы с загрязнением и безопасностью их
собственные, утверждают исследователи UW.

General Motors’ EV1
электромобиль продается в Южной Калифорнии и некоторых частях
Аризона.

Свинцово-кислотные аккумуляторы, которые используются в General Motors EV1.
электромобиль, имеют ограниченный пробег в 70 миль и работают анемично, если вообще работают,
в холодную погоду. Фактически, GM предлагает EV1 только в солнечном климате, таком как
Аризона и южная Калифорния.

Использование свинцово-кислотных аккумуляторов в электромобилях также грозит
загрязнение металлом. Аккумуляторы для одного электромобиля требуют около 1000 фунтов стерлингов.
свинца, поэтому распространение электромобилей, использующих свинцово-кислотные аккумуляторы,
значительно увеличить спрос на ядовитый тяжелый металл, говорит Витт, один из
аспиранты в команде LN2000. Чем выше спрос на свинец, добавляет он,
тем больше угроза загрязнения при добыче, выплавке, транспортировке, использовании
и утилизировать его.

Более новые никель-металлогидридные и литий-ионные аккумуляторы обеспечивают большую дальность действия и
производительность, но они непомерно дороги и потенциально опасны. В качестве
количество накопленной энергии в этих батареях увеличивается, объясняет Герцберг,
они становятся более нестабильными и могут взорваться в случае аварии.

«Очевидно, что при разработке любого нового продукта у вас возникают новые экологические проблемы».
возражает Богданов, «но это старые аргументы, которые на самом деле не делаются
больше. Электромобили, независимо от того, какой аккумулятор вы используете, лучше
чем автомобили с бензиновым двигателем» 9.0003

Герцберг не так уверен.

«Безопасные батареи — это экологический беспорядок, и они никуда не денутся», — говорит он.
«Те, которые могут куда-то пойти, невероятно дороги и довольно опасны.
Вам придется очень постараться, чтобы навредить себе транспортным средством с жидким азотом.
Жидкий азот не горюч, не вызывает коррозии и не токсичен. Просто холодно.»

По иронии судьбы, говорит Герцберг, именно холод остановил
предыдущие попытки разработать транспортное средство с жидким азотом. Исследователи знали
десятилетиями это давление создавалось при превращении жидкого азота в газ.
мог привести машину в движение. Но группа UW первой разработала теплообменник
система, которая не замерзает при контакте с жидким азотом.

Внутри LN2000,
жидкий азот поступает из бака-накопителя в теплообменник. Как это
расширяется, повышается давление воздуха. Газ приводит в действие поршни, соединенные с коленчатым валом.
в воздушном двигателе, который приводит в движение автомобиль. Иллюстрация Шона Огла.

Теплообменник LN2000 всасывает жидкий азот из изолированного топливного бака.
через серию алюминиевых змеевиков и специально разработанных труб. Двигатель
отработанный и наружный воздух циркулируют вокруг змеевиков и труб, чтобы постепенно
подогреть азот от жидкости с температурой минус 320 F до газа с температурой окружающей среды.

«Теплообменник подобен радиатору автомобиля, но действует наоборот.
способом, — объясняет Брукнер. — Вместо того, чтобы использовать воздух для охлаждения воды, он использует воздух для
кипячение жидкого азота в газообразный азот.»

Превращение жидкости в газ увеличивает объем азота в 700 раз.
создание достаточного давления, чтобы вращать пневматический двигатель, во многом похожее на давление от
сжигание бензина приводит в действие двигатель внутреннего сгорания.

Имея 360 000 долларов США в Департаменте
Энергетический грант, исследователи и студенты UW построили прототип LN2000
из переделанного почтового грузовика Grumman Kubvan. Помимо наклеек Husky,
Автомобиль внешне очень похож на любой другой почтовый грузовик. Но открой
назад, и можно найти изолированные резервуары, трубопроводы, шланги и манометры, более подходящие для
исследовательская лаборатория, чем автомобиль. Под капотом 15-сильный атмосферник.
двигатель, первоначально предназначенный для привода лебедки для подъема якоря корабля. А также
вместо создания шлейфов грязного выхлопа LN2000 выбрасывает холодный азот.
газ, который замораживает водяной пар в воздухе, образуя небольшие облака позади
средство передвижения.

В то время как зависимость двигателей внутреннего сгорания от невозобновляемых видов топлива
побудило автомобильных инженеров сделать автомобильные двигатели более эффективными на протяжении многих лет,
воздушные двигатели имели роскошь оставаться невероятно неэффективными. Как результат,
двигатель, использованный в прототипе LN2000, придает потреблению бензина новое значение.
потребляя около пяти галлонов азотного топлива на милю. Плюс он собирает топ
скорость всего 22 мили в час. и с пыхтением трудолюбиво взбирается на холмы.

«Этот двигатель работает менее чем на 20 процентов от КПД, который, как мы думаем,
возможно, что снижает мощность, производительность и экономию топлива», — объясняет Джон
Уильямс, бывший аспирант, работавший над проектом LN2000 для своей
дипломная работа. «Мы знаем, что можем добиться большего».

Следующие шаги в исследованиях автомобилей с жидким азотом
LN2000 Главная
Страница

Отправьте письмо в редакцию по адресу [email protected].

Двигатель с жидким азотом — Демонстрации физики Святой Марии

Вращающаяся бутылка, работающая на кипящем жидком азоте!

  ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Темы для обучения:

  • Закон идеального газа
  • Третий закон Ньютона
  • Работа и энергия

Теория:

Двигатель на жидком азоте — это простой двигатель, работа которого стала возможной благодаря низкой температуре кипения жидкого азота (около -196°C) и образующегося газообразного азота. Именно давление расширяющегося газообразного азота заставляет наш двигатель двигаться.

Когда жидкость закипает, она превращается в газообразный азот и занимает больший объем. В закрытом сосуде, например, в бутылке с водой, кипящий газ вызовет повышение давления. Поскольку вместимость бутылки с водой не меняется, а объем газа увеличивается, давление будет повышаться. Если в бутылку было налито достаточное количество жидкого азота, и газ не может выйти, бутылка может в конечном итоге взорваться, если будет создано достаточное давление.

Бутылка с водой, используемая для этого двигателя,  , а не  , представляет собой закрытый контейнер. На самом деле, по обе стороны от него есть две соломинки для выпуска газообразного азота. Однако этих двух отверстий недостаточно, чтобы не допустить повышения давления внутри бутылки. Некоторое давление будет расти, и именно это давление заставляет газообразный азот вылетать из соломинок с такой высокой скоростью. По третьему закону Ньютона действие азота, выходящего через соломинку, будет иметь равную и противоположную реакцию. Именно эта реакция заставляет бутылку вращаться.

Чтобы помочь в создании газа, заполненную жидким азотом бутылку помещают в стакан с чуть теплой водой. Эта вода, по сравнению с жидким азотом, очень горячая. Тепловая энергия воды начнет поглощаться более холодным жидким азотом. Когда это произойдет, жидкий азот будет очень сильно кипеть, создавая больше газа и увеличивая давление.

Аппаратура:

  • жидкий азот
  • двигатель бутылки с водой (инструкции по сборке см. ниже)
  • химический стакан или чаша
  • теплая вода

Инструкции по сборке двигателя для бутылки с водой:

  1. Возьмите пустую бутылку для воды или поп-бутылку (с крышкой).
  2. С помощью гвоздя или дрели проделайте отверстие в центре крышки от бутылки.
  3. Возьмите какую-нибудь ручку, например трубку из ПВХ или длинный кусок дерева, чтобы прикрепить к ней бутылку.
  4. Пробейте или просверлите еще одно отверстие такого же размера в ручке.
  5. Найдите болт с резьбой, стержень которого достаточно тонкий, чтобы свободно проходить через отверстия, проделанные в крышке от бутылки и в ручке.
  6. Вставьте болт в ручку, а затем в крышку бутылки
  7. Навинтите гайку на болт только до нижней части крышки бутылки (ПРИМЕЧАНИЕ: убедитесь, что крышка бутылки все еще может вращаться вокруг болта и не затянута слишком сильно).
  8. Возьмите бутылку с водой и сделайте два небольших надреза по обеим сторонам бутылки (желательно в верхней части) канцелярским ножом или ножницами.
  9. Отрежьте соломинки длиной около 1 дюйма и вставьте их в два отверстия, которые вы только что сделали. Наклоните их так, чтобы при выходе газа они двигались в одном направлении
  10. Закрепите соломинки скотчем.
  11. Завинтите крышку (которая теперь прикреплена к ручке) обратно на бутылку, и двигатель для бутылки готов!

Процедура:

  1. Наполните стакан или миску теплой водой (не обязательно очень теплой, подойдет комнатная температура).
  2. Отвинтить крышку двигателя баллона.
  3. Аккуратно заполните бутыль примерно на 1/3–1/2 жидким азотом.
    Двигатель на жидком азоте: Экологически чистый криогенный двигатель разрабатывают в России